1434 工程科学学报，第41卷，第11期 (UPV)testing techniques was proposed.The results indicate that the uniaxial compressive strength(UCS)decreases with increase in freeze-thaw cycles.The greatest decline is for the UCS of cemented mass subjected to 0-5 freeze-thaw cycles.The damage of the cemented mass in the freeze-thaw cycle is a gradual accumulation process.The development process of the apparent degradation characteristics of the cemented mass of unclassified tailings is as follows:micro-fracture initiation-fracture extension development outer layer failure-internal structure failure;the higher the initial strength of the cemented mass,the fewer the number of surface cracks.The internal microstructure changes from dense to loose.The UCS of the cemented mass is positively correlated with the ER and the UPV,following the logarithmic function relationship,and the nondestructive testing models of UCS-ER and UCS-UPV are established.It is shown that the ER and UPV can accurately and comprehensively evaluate the damage state in cemented mass of unclassified tailings. KEY WORDS freeze-thaw cycles;cemented mass of unclassified tailings;uniaxial compressive strength;scanning electron microscopy;nondestructive testing 尾砂是矿山固体废弃物的重要组成部分，矿 反应形成的具有一定强度的人工介质体，其力学 山尾砂颗粒较细，脱水性差.随着选矿技术的发 特性、导电性和孔隙率与纯土类或岩石介质相比 展，细颗粒组成含量占比越来越大，大量尾砂排放 有本质区别0，因此有必要对冻融循环作用下全 在尾矿库中，极易导致尾矿库坝体不稳定，甚至引 尾砂固结体的力学特性及声电规律进行研究 发溃坝等灾害-为了克服尾砂传统排放引起的 笔者通过对不同养护龄期、冻融循环次数的 环境问题及安全问题，国内开始采用尾砂固结排 全尾砂固结体力学及声电参数进行室内试验研 放技术，即在尾砂干式排放的基础上，通过加入少 究，揭示不同冻融循环次数下固结体的强度、超声 量的胶凝材料对尾砂进行固结，经固结后形成具 波波速、电阻率的变化特性：研究不同冻融循环次 有一定强度的固结体，从根本上改变了尾砂堆体 数下固结体表面及内部微观结构发育特征，从微 的结构特点与力学性质，在很大程度上提高了尾 观角度探究固结体强度冻融弱化机理；对比不同 砂堆体的稳定性)在尾砂固结处置中，固结体作 冻融循环次数下固结体的强度发展规律并分析强 为一种人工胶结复合材料，其力学性能关乎整体 度与超声波波速、电阻率间的关联性，建立了在冻 结构的稳定性，露天堆存的固结体受到外部环境 融环境下无损、高效地测量全尾砂固结体强度的 的影响，内部结构及力学性能发生改变，给固结体 理论依据 的稳定性及安全性带来极大的隐患 1 材料与试验过程 我国北方寒冷地区广泛存在冻融循环现象， 这些地区的尾砂固结体处于冻融循环环境中.冻 1.1材料特性 融作用作为一种强烈的风化方式，对固结体的结 试验所用原材料选取李楼铁矿全尾砂和标号 构及物理力学性质会产生很大的影响目前针对 42.5#的普通硅酸盐水泥.全尾砂化学成分见表1， 冻融循环对尾砂固结堆体稳定性影响的研究较 从表中可知，铁矿全尾砂中SO2质量分数较大， 少，故进行冻融循环引起的全尾砂固结体力学性 占82.052%，其余成分的质量分数远小于Si02,属 能变化的规律及无损检测研究，对全尾砂固结堆 酸性尾砂.使用珠海欧美克粒度测试仪LS- 体的长期稳定性控制及监测具有重要的指导作用. C(ⅡA)激光粒度仪测试全尾砂颗粒级配组成，全 目前，国内外学者对纯岩石、混凝土和土体受 尾砂的粒径分布见图1，基本物理参数见表2，其 冻融循环作用的力学性质及其劣化机理等方面做 中d1o表示颗粒累积分布为10%的粒径，do、ds0 了大量的研究，取得了很多成果.Fener和Incels得 和do以此类推.由表2和图1可知，全尾砂的颗 出混凝土破坏的主要原因是气候改变混凝土结 粒组成特征值为：d1o=14.55m、d30=26.6m、d6o= 构，并研究了冻融循环后混凝土的物理力学特性 54.27m、中值粒径d0=38.3um;全尾砂颗粒粒径 与冻融循环次数的关系；徐光苗和刘泉声分析 主要集中在20~200um之间，全尾砂不均匀系数 发现岩石有两种基本破坏模式，分别呈片状破坏 C=3.73<5、曲率系数C。=0.896<1,该全尾砂不均匀 模式和裂纹破坏模式；付伟等利用电阻率检测 系数较小，级配不良 方法得出了冻土强度与电阻率的关系.全尾砂固 1.2试样的制备 结体是由全尾砂、水以及少量胶凝材料通过水化 将水泥和全尾砂按质量配比1：4、1：8、1：10(UPV) testing techniques was proposed. The results indicate that the uniaxial compressive strength (UCS) decreases with increase in freeze-thaw  cycles.  The  greatest  decline  is  for  the  UCS  of  cemented  mass  subjected  to  0 –5  freeze-thaw  cycles.  The  damage  of  the cemented  mass  in  the  freeze-thaw  cycle  is  a  gradual  accumulation  process.  The  development  process  of  the  apparent  degradation characteristics of the cemented mass of unclassified tailings is as follows: micro-fracture initiation → fracture extension development → outer layer failure → internal structure failure; the higher the initial strength of the cemented mass, the fewer the number of surface cracks. The internal microstructure changes from dense to loose. The UCS of the cemented mass is positively correlated with the ER and the  UPV,  following  the  logarithmic  function  relationship,  and  the  nondestructive  testing  models  of  UCS-ER  and  UCS-UPV  are established.  It  is  shown  that  the  ER  and  UPV  can  accurately  and  comprehensively  evaluate  the  damage  state  in  cemented  mass  of unclassified tailings. KEY  WORDS    freeze-thaw  cycles； cemented  mass  of  unclassified  tailings； uniaxial  compressive  strength； scanning  electron microscopy；nondestructive testing 尾砂是矿山固体废弃物的重要组成部分，矿 山尾砂颗粒较细，脱水性差. 随着选矿技术的发 展，细颗粒组成含量占比越来越大，大量尾砂排放 在尾矿库中，极易导致尾矿库坝体不稳定，甚至引 发溃坝等灾害[1−2] . 为了克服尾砂传统排放引起的 环境问题及安全问题，国内开始采用尾砂固结排 放技术，即在尾砂干式排放的基础上，通过加入少 量的胶凝材料对尾砂进行固结，经固结后形成具 有一定强度的固结体，从根本上改变了尾砂堆体 的结构特点与力学性质，在很大程度上提高了尾 砂堆体的稳定性[3] . 在尾砂固结处置中，固结体作 为一种人工胶结复合材料，其力学性能关乎整体 结构的稳定性. 露天堆存的固结体受到外部环境 的影响，内部结构及力学性能发生改变，给固结体 的稳定性及安全性带来极大的隐患. 我国北方寒冷地区广泛存在冻融循环现象， 这些地区的尾砂固结体处于冻融循环环境中. 冻 融作用作为一种强烈的风化方式，对固结体的结 构及物理力学性质会产生很大的影响[4] . 目前针对 冻融循环对尾砂固结堆体稳定性影响的研究较 少，故进行冻融循环引起的全尾砂固结体力学性 能变化的规律及无损检测研究，对全尾砂固结堆 体的长期稳定性控制及监测具有重要的指导作用. 目前，国内外学者对纯岩石、混凝土和土体受 冻融循环作用的力学性质及其劣化机理等方面做 了大量的研究，取得了很多成果. Fener 和 Ince[5] 得 出混凝土破坏的主要原因是气候改变混凝土结 构，并研究了冻融循环后混凝土的物理力学特性 与冻融循环次数的关系；徐光苗和刘泉声[6] 分析 发现岩石有两种基本破坏模式，分别呈片状破坏 模式和裂纹破坏模式；付伟等[7−8] 利用电阻率检测 方法得出了冻土强度与电阻率的关系. 全尾砂固 结体是由全尾砂、水以及少量胶凝材料通过水化 反应形成的具有一定强度的人工介质体，其力学 特性、导电性和孔隙率与纯土类或岩石介质相比 有本质区别[9−10] ，因此有必要对冻融循环作用下全 尾砂固结体的力学特性及声电规律进行研究. 笔者通过对不同养护龄期、冻融循环次数的 全尾砂固结体力学及声电参数进行室内试验研 究，揭示不同冻融循环次数下固结体的强度、超声 波波速、电阻率的变化特性；研究不同冻融循环次 数下固结体表面及内部微观结构发育特征，从微 观角度探究固结体强度冻融弱化机理；对比不同 冻融循环次数下固结体的强度发展规律并分析强 度与超声波波速、电阻率间的关联性，建立了在冻 融环境下无损、高效地测量全尾砂固结体强度的 理论依据. 1    材料与试验过程 1.1    材料特性 试验所用原材料选取李楼铁矿全尾砂和标号 42.5#的普通硅酸盐水泥. 全尾砂化学成分见表 1， 从表中可知，铁矿全尾砂中 SiO2 质量分数较大， 占 82.052%，其余成分的质量分数远小于 SiO2，属 酸 性 尾 砂 . 使 用 珠 海 欧 美 克 粒 度 测 试 仪 LS￾C(ⅡA) 激光粒度仪测试全尾砂颗粒级配组成，全 尾砂的粒径分布见图 1，基本物理参数见表 2，其 中 d10 表示颗粒累积分布为 10% 的粒径，d30、d50 和 d60 以此类推. 由表 2 和图 1 可知，全尾砂的颗 粒组成特征值为：d10=14.55 μm、d30=26.6 μm、d60= 54.27 μm、中值粒径 d50=38.3 μm；全尾砂颗粒粒径 主要集中在 20～200 μm 之间，全尾砂不均匀系数 Cu=3.73<5、曲率系数 Cc=0.896<1，该全尾砂不均匀 系数较小，级配不良. 1.2    试样的制备 将水泥和全尾砂按质量配比 1∶4、1∶8、1∶10 · 1434 · 工程科学学报，第 41 卷，第 11 期