通过X射线微计算机断层扫描技术研究了冻融循环作用下铁尾矿砂孔隙度的介观结构变化

《Micron》：Mesostructural alteration in porosity of iron tailings sand under freeze-thaw cycle studied by X-ray microcomputed tomography

微观结构演化规律及力学劣化机制研究。采用X射线微CT技术分析铁尾矿砂冻融循环下的孔隙结构演变规律，揭示水分含量与循环次数对摩擦角、颗粒取向及孔隙连通性的影响，建立颗粒形态非均质模型预测力学响应。研究发现：冻融导致颗粒摩擦角降低19.7%，45°取向颗粒占比增加32%；高含水率（18%）下喉道直径扩大27%，协调数下降15%；形成动态平衡的微孔隙结构。该成果为寒区尾矿库稳定性评估提供微观机理支撑。

　　在季节性冻土地区，尾矿库的运行安全受到冻融循环的显著影响。尾矿砂在经历周期性的冻融作用后，其介观结构会发生变化，这种变化直接威胁到尾矿库的安全和稳定。为了揭示铁尾矿砂在冻融循环作用下的介观结构变化规律，研究者利用工业X射线微断层扫描技术对铁尾矿砂的孔隙结构进行了表征。通过分析尾矿砂孔隙结构对含水量和冻融循环次数的响应与变化趋势，建立了一个考虑颗粒不规则特性的数值模型，以探讨尾矿砂颗粒在冻融循环作用下的力学响应动态过程。研究结果表明，冻融作用导致尾矿砂颗粒之间的摩擦角降低，同时45°方向的颗粒数量增加。含水量对喉部直径和孔隙协调数的影响大于冻融循环次数。在不同冻融循环次数下，小孔隙的连接与大孔隙的分裂和破碎之间存在动态平衡。在尾矿砂孔隙水的冻结过程中，试样中的颗粒会从中心向外围膨胀，导致模型中心区域出现力链断裂区。此外，力链断裂区的面积受到含水量和冻融循环次数的影响。较高的含水量会导致更大的孔隙膨胀率，减少颗粒间接触，同时引起更大的体积膨胀。这些研究结果可以为季节性冻土地区尾矿坝的安全运行提供参考，同时支持建立冻融作用下尾矿砂介观尺度强度劣化机制及其影响因素的分析。

尾矿库作为储存金属和非金属矿山尾矿的设施，对于矿石分离和尾矿或工业废料的处理至关重要。由于尾矿坝具有巨大的潜在能量，一旦发生溃坝，可能会造成严重的灾难性后果，给下游的人口、经济和生态环境带来难以估量的损失。因此，研究尾矿砂在冻融循环作用下的力学行为具有重要的现实意义。尾矿库在季节性冻土地区的运行受到冻融循环的显著影响，尤其是在水库区域，冰相结构向液相的转变会导致宏观参数的变化，进而影响坝体的稳定性与变形情况。许多学者已经深入研究了尾矿在冻融循环下的力学特性，但大多数研究集中在土壤材料上，针对尾矿砂的微观特性研究相对较少。尾矿砂是由矿物加工后产生的细颗粒组成，其在成分、颗粒形状和粒径方面与其它砂体和土壤存在显著差异。因此，为了确保季节性冻土地区尾矿库的安全运行，有必要对尾矿砂在冻融循环作用下的微观结构特征进行系统研究。这些研究结果不仅可以为尾矿坝的安全运行提供参考，还可以为建立冻融作用下尾矿砂介观尺度强度劣化机制及其影响因素的分析提供支持。

X射线计算机断层扫描技术已被广泛应用于砂和土壤研究中，作为一种非破坏性的方法，用于检测地质材料的内部孔隙结构。通过X射线断层扫描，可以观察到尾矿砂在冻融循环过程中的孔隙变化，包括孔隙的坍塌、破碎以及连接等现象。这种技术为研究尾矿砂在不同环境条件下的结构演化提供了直观的图像数据。研究表明，冻融循环过程中，孔隙水与颗粒之间的相互作用会导致尾矿砂中的孤立孔隙因体积膨胀而坍塌和破碎，并与其他孔隙连接。这种变化不仅影响尾矿砂的物理特性，还对其力学性能产生深远影响。

在尾矿砂的孔隙结构研究中，研究人员发现，随着含水量的增加，试样的累积孔隙率逐渐上升。同时，随着冻融循环次数的增加，试样的孔隙率呈现出先上升后下降的趋势。这表明，冻融循环对尾矿砂孔隙结构的影响并非线性关系，而是存在复杂的相互作用机制。通过对每个试样的孔隙尺寸分布进行分析，可以发现，在相同的冻融循环次数下，不同含水量的试样表现出不同的孔隙结构特征。这些特征包括孔隙的大小、形状以及分布模式，它们共同决定了尾矿砂的物理和力学行为。

为了更深入地理解尾矿砂在冻融循环作用下的力学响应，研究者建立了一个数值模型，该模型考虑了颗粒的不规则特性。铁尾矿砂是由矿物加工后产生的细颗粒组成，其颗粒形状、粒径和成分与其它地质材料存在显著差异。这种差异使得尾矿砂在冻融循环作用下的行为具有独特性。尾矿砂颗粒之间的摩擦强度主要由滑动摩擦和嵌锁摩擦组成，其中嵌锁摩擦会导致颗粒的膨胀和定向排列。因此，简单的颗粒模型无法准确描述尾矿砂在冻融循环下的复杂行为。通过建立考虑颗粒不规则特性的数值模型，研究者能够更精确地模拟尾矿砂在冻融循环过程中的力学响应动态过程。

在尾矿砂的孔隙结构分析中，研究人员还发现，含水量对孔隙结构的影响比冻融循环次数更为显著。这表明，在尾矿砂的冻融循环过程中，水分的存在是影响其结构变化的关键因素。此外，研究还揭示了冻融循环对尾矿砂孔隙结构的动态平衡机制。在不同的冻融循环次数下，小孔隙的连接和大孔隙的分裂与破碎之间存在一定的平衡关系。这种平衡关系可能与水分的迁移、颗粒的膨胀和收缩等过程有关。通过进一步研究这些过程，可以更全面地理解尾矿砂在冻融循环作用下的结构演化机制。

在实际应用中，尾矿库的运行安全受到多种因素的影响，包括含水量、冻融循环次数以及环境条件等。因此，有必要对尾矿砂的孔隙结构进行系统研究，以揭示其在冻融循环作用下的变化规律。通过分析这些变化，可以为尾矿库的设计、建设和维护提供科学依据，从而降低其在季节性冻土地区的运行风险。此外，这些研究结果还可以为建立尾矿砂的强度劣化机制提供支持，帮助工程师和研究人员更好地预测和评估尾矿库在冻融循环作用下的稳定性。

尾矿砂的孔隙结构不仅影响其物理特性，还对力学性能产生重要影响。例如，孔隙的大小和分布模式会影响尾矿砂的渗透性、抗剪强度以及体积变化等特性。在冻融循环过程中，这些特性可能会发生显著变化，从而影响尾矿库的整体稳定性。因此，研究尾矿砂在冻融循环作用下的孔隙结构变化，不仅有助于理解其物理和力学行为，还可以为尾矿库的安全运行提供理论支持。通过结合实验数据和数值模拟，研究人员可以更准确地预测尾矿砂在冻融循环作用下的结构变化趋势，为尾矿库的长期运行提供科学依据。

在实际应用中，尾矿库的运行环境复杂多变，受到多种因素的影响，包括气候条件、地质构造以及人为活动等。因此，研究尾矿砂在冻融循环作用下的结构变化，需要考虑多种变量的相互作用。例如，含水量的变化会影响尾矿砂的孔隙结构，进而影响其力学性能。同时，冻融循环次数也会对尾矿砂的结构产生显著影响，随着循环次数的增加，尾矿砂的孔隙结构可能会发生不可逆的变化。这些变化可能导致尾矿砂的强度降低，进而影响尾矿库的整体稳定性。因此，有必要对尾矿砂在不同冻融循环条件下的结构变化进行系统研究，以揭示其强度劣化机制。

此外，研究还发现，尾矿砂的孔隙结构变化不仅受到冻融循环作用的影响，还与颗粒的形状、大小和排列方式密切相关。在冻融循环过程中，颗粒的膨胀和收缩会导致孔隙结构的变化，这种变化可能表现为孔隙的坍塌、破碎以及连接等现象。通过分析这些现象，可以更深入地理解尾矿砂在冻融循环作用下的行为机制。例如，颗粒的膨胀可能导致力链的断裂，进而影响尾矿砂的整体强度。同时，颗粒的收缩可能导致孔隙的重新分布，进而改变尾矿砂的渗透性和稳定性。

综上所述，尾矿砂在冻融循环作用下的结构变化是一个复杂的过程，受到多种因素的共同影响。通过X射线微断层扫描技术对尾矿砂的孔隙结构进行表征，并结合数值模型对力学响应进行模拟，可以更全面地理解其结构变化规律。这些研究结果不仅有助于揭示尾矿砂在冻融循环作用下的强度劣化机制，还可以为尾矿库的安全运行提供科学依据。因此，未来的研究应进一步探讨尾矿砂在不同环境条件下的结构变化，以提高尾矿库的运行安全性和稳定性。