黄原胶及瓜尔胶改良尾矿砂强度特性及微观机制_张胜杰.pdf

书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0441-08张胜杰，王鸥，王天亮，等 2023 黄原胶及瓜尔胶改良尾矿砂强度特性及微观机制J 工程地质学报，31(2):441448 doi:1013544/jcnkijeg20220333Zhang Shengjie，Wang Ou，Wang Tianliang，et al 2023 Strength improvement and microscopic mechanisms of tailings sands using xanthan gum and guargumJ Journal of Engineering Geology，31(2):441448 doi:1013544/jcnkijeg20220333黄原胶及瓜尔胶改良尾矿砂强度特性及微观机制*张胜杰王鸥王天亮王林刘松松(石家庄铁道大学，省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，石家庄 050043，中国)(石家庄铁道大学，道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，石家庄 050043，中国)摘要为探究黄原胶及瓜尔胶对尾矿砂的改良效果及加固机理，通过无侧限抗压强度、扫描电镜及工业 CT 扫描试验研究不同含量的水溶性植物胶对尾矿砂的强度提升及其作用机理。试验结果表明:与未处理的尾矿砂相比，黄原胶与瓜尔胶的最优配比均为 1%，抗压强度随养护龄期的增长而增长，28 d 时黄原胶及瓜尔胶改良土的强度分别提升了 266.84%和 262.33%。微观试验表明:随着养护龄期的增长，土体中胶体演变发展形态为“小粒状胶结状包裹状”，内部裂缝及孔隙逐渐减少，尾矿砂的孔隙率为 14.55%，而 28 d 黄原胶及瓜尔胶孔隙率分别为 3.08%和 3.26%。分析得到胶体聚合物的最优配合比、养护龄期对土体抗压强度、微观表面结构及内部裂缝孔隙的影响关系。关键词黄原胶;瓜尔胶;尾矿砂;无侧限抗压强度;微观机制中图分类号:TU43文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20220333*收稿日期:20220614;修回日期:20221017基金项目:国家自然科学基金面上项目(资助号:51978426)，河北省自然科学基金面上项目(资助号:E2021210007)This research is supported by the General Program of National Natural Science Foundation of China(Grant No51978426)and General Program ofNatural Science Foundation of Hebei Province(Grant NoE2021210007)第一作者简介:张胜杰(1998)，男，硕士生，从事特殊土路基的变形与控制研究 E-mail:zsj981019 163com通讯作者简介:王天亮(1981)，男，博士，教授，主要从事特殊土路基与轨道交通灾变控制方面的教学和科研 E-mail:wangtl stdueducnSTENGTH IMPOVEMENTANDMICOSCOPICMECHANISMSOFTAILINGS SANDS USING XANTHAN GUM AND GUA GUMZHANG ShengjieWANG OuWANG TianliangWANG LinLIU Songsong(State Key Laboratory of Mechanical Behavior and System Safety of Traffic Engineering Structures，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)(Key Laboratory of oads and ailway Engineering Safety Control of Ministry of Education，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)AbstractThis paper explores the improving effect and strengthening mechanism of xanthan gum and guar gum ontailing sand It examines the interaction between different water-soluble plant gums and tailing sand by unconfinedcompressive strength，scanning electron microscopy and industrial CT scanning tests The test results show that theoptimal ratio of xanthan gum and guar gum to soil is 1%，and the compressive strength increased with the increaseof the curing age After 28 days and compared to untreated tailing sand，the strengths of xanthan gum and guargum-improved soils increased by 266.84%and 262.33%，respectively The microscopic tests show that as the cu-ring age grows，colloids in the soil change into“small cemented and wrapped granular particles”，and the internalcracks and pores gradually decrease The porosity of tailing sand is 14.55%while the porosities of 28 d xanthangum and guar gum soils are 3.08%and 3.26%，respectively Moreover，the influence of the colloid-polymer opti-mal mixture ratio and curing age on the compressive strength，microstructures，and internal fracture pores of soil areobtained and presentedKey wordsXanthan gum;Guar gum;Tailings sands;Unconventional compressive strength;Microscopic mecha-nism0引言作为典型的工业固废弃物，尾矿砂易污染水质、土地资源;除此之外，尾矿砂也具有强度低、易失稳等特点(姜伟强，2018;Kiventer et al，2019)。由于其利用方法较少和回收手段单一，2019 年我国尾矿砂生产总量达 10.3 亿吨，年综合利用量仅 2.8 亿吨，尾矿砂的利用率不足 30%(冯安生等，2018;郭学益等，2019)。因此，考虑对环境的保护及尾矿砂填料的可持续发展，利用新型材料改良尾矿砂是十分必要的。黄原胶是由野油菜黄单胞菌从葡萄糖或蔗糖发酵而成的多糖。黄原胶具有抗氧化、抗酶解及较大的温度范围内高稳定性的优点;即使在低浓度下，黄原胶也有假塑性和高黏结剪切稳定性的重要特性(Carignatto et al，2011)。Chang et al(2015)通过研究不同类别的土壤中黄原胶对土体固结的影响，发现了黄原胶在有黏粒存在时优先通过氢键形成生物聚合物基质。后来 Ayeldeen et al(2017)经研究发现，砂土与粉土经黄原胶处理后其剪切强度得到显著提升;在残余土壤中添加适量的黄原胶，土壤的强度也会得以提升(ashid et al，2017)。瓜尔胶主要 是 由 豆 科 植 物 瓜 尔 豆 制 成，Sujatha et al(2020)经试验研究发现瓜尔胶通过氢键形成高度结构化的黏性凝胶，不断相互作用累积连接土壤颗粒，从而改善了土壤的基本物理性质。探究生物聚合物对高岭土强度特性，发现了瓜尔胶可以有效增加土体中孔隙水黏度，并对土体的最大干密度及最优含水率造成影响(Ganal El-Awad El-Daw，1998)。经过不断发展，Moghal et al(2021)对瓜尔胶对不同土壤改良影响进行综述，表明了瓜尔胶含量在1%2%时对大多数土壤的物性具有显著改善。此外，黄原胶和瓜尔胶作为食品添加剂的一种，相比于水泥等改良剂，对尾矿砂改良后的土性及生态环保等具有一定的优势;结合市场调研及对尾矿砂物理特性和强度改良研究，同等改良效果下，黄原胶和瓜尔胶改良成本较水泥改良成本增加约 1.4 倍，通过结合工程实际与可持续发展考虑，黄原胶和瓜尔胶改良尾矿砂具有一定的应用前景。考虑尾矿砂剪切性能较差，且主要针对尾矿库在原有坝体的基础上进行增高扩容建设，主要承受竖向荷载作用，实际工程中无侧限抗压强度试验相比三轴试验可以更加快速便捷地评价土体改良效果。对土体进行无侧限抗压强度试验从而研究其强度提升效果(张涛等，2017)。借助扫描电镜(SEM)观察土壤表面的结构变化情况，对胶结物的分布及形状进行扫描;张丙树等(2020)，张艳美等(2021)并利用高精度工业 CT 对抗压试验后的试样进行扫描，建立三维模型研究效果最优改良土与尾矿砂的破裂方式及内部孔隙的差异。分析不同配合比、养护龄期的生物聚合物对抗压强度及微观结构变化的影响，利用三维可视化软件分析改良前后土体内部破裂方式，对比改良前后试样孔隙变化情况，为现场处理尾矿砂提供科学的理论基础和参数支持。1试验材料1.1尾矿砂选取内蒙古包头某尾矿库的尾矿砂作为试验材料，经对现场调研勘察分析得到尾矿砂主要矿物成分由石英、磁铁矿及部分碳酸盐产物组成;主要化学成分为 TFe、SiO2及 CaCO3等。根据室内试验得出其基本物性参数，如表 1 所示，图 1 为尾矿砂的级配曲线。表 1尾矿砂物理性质指标Table 1Physical properties of tailings sands最大干密度/g cm3最优含水量/%塑性指数塑限/%液限/%相对密度2125128591321912871.2黄原胶与瓜尔胶由于黄原胶的主要成分为多糖，则说明其为环保型可再生材料。黄原胶的固体形式为白色粉末，具有良好的亲水性、伪塑性及高剪切稳定性(Carig-natto et al，2011)。黄原胶(C35H49O29)的基本化学244Journal of Engineering Geology工程地质学报2023图 1尾矿砂级配曲线Fig 1Gradation curve of tailings sands结构是一个线性连接的 bD 葡萄糖主链，在其他葡萄糖上有一个三糖侧，主链与三糖侧链相连，通过氢键提供稳定性和整体性(Weng et al，2021)。瓜尔胶为半乳甘露聚糖，通过半乳甘露聚糖的 NM(核磁共振)研究表明，水溶性多糖由约 36.6%的 D-半乳糖和 63.1%的 D-甘露糖酸酐组成(Ganal El-AwadEl-Daw，1998);瓜尔胶的半乳糖和甘露糖会吸收水分形成一种高黏度水溶胶，具有非离子和水胶体性质;同时瓜尔胶含有羟基，在与土壤混合时会形成氢键。两种胶体的化学结构(李召峰等，2020)如图 2 所示。图 2两种胶体的化学结构Fig 2Chemical structure of tw