鄭 偉，劉金勇

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038； 2.江西銅業(yè)股份有限公司德興銅礦，江西 德興 334224)

一種冶煉渣筑壩性質(zhì)的研究

鄭 偉1，劉金勇2

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038； 2.江西銅業(yè)股份有限公司德興銅礦，江西 德興 334224)

以廣西某冶煉廠的渣為背景，通過對(duì)該冶煉渣的物理力學(xué)性質(zhì)以及水理特性的分析，探討其用于筑壩的可能性，并提出了具體的筑壩方案以及工程措施，具有普遍的現(xiàn)實(shí)意義。

冶煉渣； 筑壩方案； 力學(xué)性質(zhì)

1 前言

隨著堆筑工藝技術(shù)的進(jìn)步以及環(huán)保要求的提高，筑壩材料也在不斷更新，各種固體廢棄物(尾礦、赤泥)也相繼用于筑壩。較為常見的有尾礦壩、赤泥壩等，這對(duì)于解決日益稀缺的土地資源和不斷增長的廢棄物堆存空間需求之間的矛盾是有利的。對(duì)于冶煉渣而言，由于冶煉工藝以及原生礦物的不同，渣的性質(zhì)也千差萬別，而且顆粒極細(xì)、固結(jié)性差、強(qiáng)度低，通常被認(rèn)為是不適宜筑壩的。

目前冶煉渣最為常見的處置方式是陸地堆存，根據(jù)合適的地形采用土石料一次性建壩，建立類似水庫式的堆渣場(chǎng)。傳統(tǒng)意義上認(rèn)為冶煉渣不能用于筑壩主要是針對(duì)水力沖填法而言的，冶煉渣顆粒細(xì)，無法依靠水流的作用產(chǎn)生分級(jí)，使粗顆粒近處沉淀形成壩體。但是隨著脫水技術(shù)的進(jìn)步以及堆存工藝的提高，干式堆存、膏體堆存等更為安全、高效的堆存方式被應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中，這就使得利用冶煉渣碾壓式筑壩成為了可能。

固體廢棄物的處置越來越受到各方面的重視，排海、綜合回收利用等手段還在不斷地探索中，利用冶煉渣堆壩，盡量減少土地浪費(fèi)是目前最具有現(xiàn)實(shí)意義的做法。本文就通過對(duì)一種冶煉渣各方面性質(zhì)的分析類比，論證其筑壩的可行性。

2 問題的提出

廣西某鎳業(yè)公司生產(chǎn)4種冶煉渣：浸出渣、堆浸渣、鈣鎂渣、石灰渣。根據(jù)環(huán)評(píng)報(bào)告，4種渣皆屬于一般工業(yè)廢棄物Ⅰ類。項(xiàng)目存在的主要問題是堆渣量大，很難找到合適堆存地址。項(xiàng)目所在地屬于桂東南丘陵區(qū)，地貌類型以平原為主，兼有谷地、盆地、崗地、丘陵等，絕對(duì)海拔都不高，周圍以農(nóng)田為主，居民住戶星羅棋布，河流分布。

結(jié)合實(shí)際情況，參考當(dāng)?shù)匕脖O(jiān)部門的建議，設(shè)計(jì)采用干堆技術(shù)處理冶煉渣，降低安全隱患，減小對(duì)下游居民生活、生產(chǎn)的影響。因此，對(duì)于干堆冶煉渣，能否參照均質(zhì)土壩或者粘土心墻對(duì)干渣本身進(jìn)行碾壓堆筑是本文探討的主要問題。

理論上講任何土料只要不含有大量有機(jī)混合物和水溶性鹽類都可以用來筑壩，各種土料筑壩的適用條件都是經(jīng)濟(jì)問題，即采取輔助工程措施所付出的代價(jià)。冶煉渣的特點(diǎn)是顆粒細(xì)、孔隙比大、含水率高、固結(jié)慢，一般不用于筑壩，但如果把冶煉渣也看做是一種特殊的“土”，在經(jīng)濟(jì)上可以接受的范圍內(nèi)，采取一定的工程措施后利用冶煉渣筑壩，達(dá)到節(jié)約土地資源的效果，其社會(huì)效益是不可估量的。下文將分別從常規(guī)物理力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)以及特殊性三方面對(duì)冶煉渣的性質(zhì)進(jìn)行闡述分析。

3 物理力學(xué)特性分析

目前鎳業(yè)公司生產(chǎn)4種冶煉渣：浸出渣、堆浸渣、鈣鎂渣、石灰渣，共計(jì)2 400t/d，其中以浸出渣為主，本文則以浸出渣為例說明。

為研究浸出渣的堆壩性質(zhì)，掌握其力學(xué)特性，對(duì)其分別進(jìn)行了常規(guī)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)、粒析實(shí)驗(yàn)、三軸實(shí)驗(yàn)等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1、表2和表3。

表1 浸出渣粒度組成

表2 浸出渣物理參數(shù)

表3 浸出渣力學(xué)參數(shù)

從粒度分析結(jié)果來看，該渣顆粒極細(xì)(比赤泥還要細(xì))，-0.074mm(-200目)的顆粒含量占91.7%，粘粒含量(<0.005mm)為34.9%，膠粒含量(<0.002mm)含量31.3%。從常規(guī)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，該冶煉渣天然含水量高、孔隙比大、塑性指數(shù)大、液限高、塑限高、干容重低，屬于典型的高壓縮介質(zhì)；擊實(shí)后冶煉渣的各項(xiàng)物理指標(biāo)較原狀渣好些，干容重有所提高，但是孔隙比仍然較大。擊實(shí)后壓縮性指標(biāo)有所改善，壓縮系數(shù)略大于0.1MPa-1，屬于中等偏低的壓縮性介質(zhì)。從三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，對(duì)于原狀渣樣，除了不固結(jié)不排水剪工況下的內(nèi)摩擦角偏小以外，其余兩種工況(固結(jié)不排水剪、固結(jié)排水剪)下的力學(xué)指標(biāo)相對(duì)較好，內(nèi)摩擦角接近粉砂而且有很大的粘聚力。對(duì)于擊實(shí)后渣樣指標(biāo)則更好。

4 水理特性分析

從上述的物理指標(biāo)來看，該冶煉渣顆粒極細(xì)、孔隙比大，從物理性質(zhì)上可以將其看做粘粒含量很高的粘土，比表面積大，親水性強(qiáng)。如果考慮碾壓筑壩其水理特性也是一個(gè)很突出的問題，比如膨脹性、收縮性等都是很重要的參數(shù)，對(duì)于冶煉渣脹縮性質(zhì)的分析可以參照膨脹土的相關(guān)判別標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

對(duì)于土膨脹性的判別，國內(nèi)外也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。決定其膨脹性的因素是多方面的，有內(nèi)在因素(如土體結(jié)構(gòu)特征與礦物成分)，也有外部條件(地理環(huán)境以及氣候等)，反映土水理性質(zhì)的指標(biāo)也較多，包括直接反映其脹縮性的指標(biāo)(自由膨脹率、膨脹力、線縮率等)，間接反映脹縮性的相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)(塑性指數(shù)、膠粒含量)，各指標(biāo)間的相關(guān)性也比較復(fù)雜，因此必須結(jié)合試樣的自身特點(diǎn)與實(shí)際情況綜合判斷。

表4 浸出渣水理特性參數(shù)

國外對(duì)于土膨脹性判別比較成熟的有南非、印度、美國及前蘇聯(lián)，但是其判別標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)選取也很不統(tǒng)一?？傮w上講都是從塑性指數(shù)、膠粒含量、膨脹率、液限、線縮率這幾個(gè)基本指標(biāo)來綜合判斷。目前我國對(duì)于膨脹土的規(guī)定也很不統(tǒng)一，建筑部門采用自由膨脹率判斷，但該指標(biāo)受實(shí)驗(yàn)影響大，人為干擾因素多，單一的以自由膨脹率作為判斷依據(jù)其可靠性是存在問題的，只能用作初步判斷。鐵路部門以自由膨脹率、蒙脫石含量、陽離子交換量3個(gè)指標(biāo)來綜合判斷，但是后兩個(gè)指標(biāo)測(cè)試?yán)щy，而且也不太適合本工程；公路部門也沒有給出明確的標(biāo)準(zhǔn)，過去的規(guī)范是以自由膨脹率、膠粒含量、脹縮總率3個(gè)指標(biāo)綜合判斷，目前中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院又提出了一個(gè)適合我國各地膨脹土工程性質(zhì)的試行標(biāo)準(zhǔn)，即以自由膨脹率、塑性指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水量3個(gè)參數(shù)作為控制指標(biāo)。但是對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水量這個(gè)指標(biāo)的詳細(xì)解釋以及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)還沒有普及，很多實(shí)驗(yàn)單位并沒有這個(gè)指標(biāo)的測(cè)試項(xiàng)目。

從上述分析中不難看出，不同部門對(duì)于膨脹的判別標(biāo)準(zhǔn)、膨脹指標(biāo)的選取都有各自的特點(diǎn)，也有一定的局限性。對(duì)于本設(shè)計(jì)，目的是判斷冶煉渣的脹縮性質(zhì)，并不是判斷其是否為膨脹土，因此本設(shè)計(jì)采用各部門比較通用的自由膨脹率、塑性指數(shù)、膠粒含量、收縮指標(biāo)來綜合判斷。以浸出渣樣為例：自由膨脹率7%，塑性指數(shù)18.6，膠粒含量31.3%，收縮指標(biāo)中體縮率20.88%，線縮率7.07(詳見表4)。綜合判斷，自由膨脹率與膠粒含量都在非膨脹土的范圍內(nèi)，塑性指數(shù)偏大，但也在弱膨脹土的控制范圍內(nèi)，總體上該冶煉渣的膨脹性并不顯著，也沒有體現(xiàn)出所謂的快速崩解性，從這點(diǎn)上看，采取一定措施是可以考慮用于筑壩的。

值得注意的是冶煉渣的收縮性指標(biāo)均偏大，包括體縮率、線縮率等，從現(xiàn)有堆場(chǎng)的實(shí)際情況來看，這種細(xì)粒冶煉渣在外部荷載強(qiáng)制脫水后可能出現(xiàn)干裂的情況。但考慮到實(shí)驗(yàn)使用風(fēng)干重塑樣完成，并不能完全反應(yīng)出原狀樣的特點(diǎn)，而且對(duì)于這種顆粒細(xì)、不宜排水的冶煉渣，即使采用機(jī)械輔助翻曬、碾壓等措施，也很難大幅度降低含水量，因此不大可能出現(xiàn)大面積的干縮現(xiàn)象。但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果確實(shí)反映的這些特性，如果考慮用該冶煉渣筑壩還需要做一些輔助措施。

5 特殊性質(zhì)分析

對(duì)于目前其它比較成熟的常用于筑壩的固體廢物，比如尾礦，通常還是可以類比砂料等筑壩材料應(yīng)用，因?yàn)閺恼麄€(gè)工藝流程來講，尾礦是由原生礦物經(jīng)過運(yùn)輸、破碎等一系列物理變化的產(chǎn)物，現(xiàn)利用尾礦筑壩也比較普遍。而就冶煉渣而言，通常是經(jīng)過高溫高壓或者萃取提煉等一系列化學(xué)反應(yīng)，其力學(xué)性質(zhì)有一定的變化。因?yàn)橛绊懲列再|(zhì)的最主要因素就是土中的水，經(jīng)過高溫高壓后土粒礦物內(nèi)部的結(jié)晶水很有可能析出，從而很有可能影響土的各種性質(zhì)。從對(duì)浸出渣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中就不難看出兩個(gè)明顯不符合常規(guī)的認(rèn)識(shí)。一是浸出渣濾餅的天然含水量大于液限卻呈固態(tài)狀，如果單從樣品表面判斷，渣樣應(yīng)該處于硬塑狀態(tài)，經(jīng)過一段時(shí)間的揉搓，表面有滲水析出。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其含水率卻高達(dá)60%～70%，接近或高于液限卻仍然呈塊狀固體，可以通過汽車運(yùn)輸至渣場(chǎng)堆存。另一個(gè)不符合天然土的特點(diǎn)就是這種高液限、高粘粒含量、高孔隙比、高壓縮性的物料其力學(xué)性質(zhì)應(yīng)該接近淤泥，但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，其力學(xué)指標(biāo)還相對(duì)較好，不但內(nèi)摩擦角接近粉砂而且還有很大的粘聚力(見表3)。至于造成這種不符合常規(guī)性質(zhì)的原因究竟是由于試驗(yàn)操作方法、人為因素造成的，還是該冶煉渣內(nèi)確實(shí)含有某些化學(xué)膠凝成分有待于做進(jìn)一步研究。

6 冶煉渣筑壩實(shí)例

從上述分析中不難看出，該冶煉渣既有類似高液限土的諸多性質(zhì)，也有不符合天然土料的特有性質(zhì)?？傮w上講，天然含水量高、孔隙比大、液限和塑限高，壓縮性大，力學(xué)指標(biāo)相對(duì)較好，膨脹壓力小、膨脹性不顯著，收縮性大。至于固態(tài)含水量高于液限這種不符合常規(guī)的性質(zhì)也是需要充分考慮的，需要在實(shí)踐中摸索，慢慢積累經(jīng)驗(yàn)。

設(shè)計(jì)考慮初期壩采用當(dāng)?shù)靥烊煌潦隙阎|(zhì)土壩，壩頂寬5m，最大壩高23m，壩頂長320m，上游坡度1∶2.5，下游坡度1∶2，上下游均設(shè)置一個(gè)2m寬的馬道，下游坡腳采用堆石棱體排水。后期考慮用冶煉渣堆積子壩，子壩壩高3m，共分3層堆筑總高9m，內(nèi)、外坡坡度均為1∶3，子壩壩頂寬5m，最終總壩高32m。

考慮到冶煉渣收縮性大的特點(diǎn)，還需要采用相應(yīng)措施盡量降低其影響，子壩壩坡需要用50cm厚當(dāng)?shù)赝潦细采w，子壩壩頂還需要鋪設(shè)干砌塊石。在實(shí)際運(yùn)行過程中還可以試驗(yàn)采用摻入石灰等方法來改良該冶煉渣的性質(zhì)。在冶煉渣堆存過程中也要時(shí)刻關(guān)注其物理性質(zhì)的變化，隨時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以做到萬無一失。

7 結(jié)語

通過對(duì)冶煉渣物理力學(xué)性質(zhì)的分析，特別是其水理特性的研究，將該冶煉渣看做是一種特殊性質(zhì)的“土”作為筑壩材料，并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。本文給出了具體的筑壩方案以及相應(yīng)的工程措施，雖然隨冶煉工藝以及礦石性質(zhì)的不同冶煉渣的筑壩特性不可一概而論，但是文中采用的分析方法還是具有普遍的借鑒意義。

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Study on the damming characteristics of a smelting slag

Based on a slag of smelting plant in Guangxi province, the physical and mechanical property of the slag was analyzed. The damming practicability by using this slag was studied, and the detailed damming scheme and engineering measures were proposed, which has general significance.

smelting slag; damming scheme; mechanical property

TD926.4+1

A

鄭 偉(1981-)，男，山西大同人，高級(jí)工程師、主要從事金屬礦山配套小型水利工程、尾礦庫、垃圾填埋場(chǎng)、冶煉渣場(chǎng)以及漿體管道輸送等工程的咨詢及設(shè)計(jì)工作。