通用水泥全尾砂充填體強(qiáng)度的試驗(yàn)研究*

張競(jìng)，李駿

(福州理工學(xué)院 應(yīng)用科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350506)

0 引言

隨著礦產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，選礦廠產(chǎn)生的尾砂數(shù)量逐年遞增，為解決尾砂堆積造成的環(huán)境污染和維護(hù)費(fèi)用等問題，將尾砂用作充填體骨料回填至地下采空區(qū)，是一種行之有效的地壓控制手段[1?2]。充填體強(qiáng)度對(duì)于采場(chǎng)穩(wěn)定性具有直接的影響，是充填采礦法設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。為提高礦石的回采率，在增加磨礦機(jī)械化程度的同時(shí)，磨礦的粒度也越來越細(xì)，這種級(jí)配相對(duì)單一的尾砂用作充填骨料對(duì)充填體的強(qiáng)度造成了負(fù)面影響[3]。充填體強(qiáng)度和充填采場(chǎng)的實(shí)際工況是否匹配，是充填采礦法需要研究的重點(diǎn)內(nèi)容。充填體強(qiáng)度過高，雖保證了采場(chǎng)穩(wěn)定性，但增加了經(jīng)濟(jì)成本。充填體強(qiáng)度不足，不能滿足安全生產(chǎn)的需求，且會(huì)造成礦石的損失與貧化[4]。我國礦業(yè)工程規(guī)模巨大，各礦區(qū)工況各異，部分礦山的采充循環(huán)較快，需要在較短時(shí)間內(nèi)形成自立，并具有一定的抗壓強(qiáng)度的充填體；部分礦山由于各種條件的限制，采充循環(huán)間隔長(zhǎng)，對(duì)于早強(qiáng)型的充填體沒有過多的要求。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)尾砂膠結(jié)充填做了大量的研究。

李一帆等[5]研究了添加石膏、氯化鈣等早強(qiáng)劑的充填體強(qiáng)度變化規(guī)律。黃璐[6]在尾砂膠結(jié)充填體試塊中添加采礦爆破所產(chǎn)生的塊石材料，研究了試塊的力學(xué)性質(zhì)的變化情況。吳煒等[7]在充填體試塊中加入了硅粉、MF525等外加劑，研究了外加劑對(duì)充填體強(qiáng)度的影響，最終得到了最佳配比。王楚涵等[8]研究了細(xì)顆粒尾砂含量對(duì)于充填體強(qiáng)度的影響。羅芳等[9]進(jìn)行了基于磷石膏和重選尾砂的多骨料配比試驗(yàn),探究了不同養(yǎng)護(hù)齡期下充填體的強(qiáng)度演化規(guī)律。侯運(yùn)炳等[10]在充填體中摻入了石灰、硫鋁水泥、石膏等材料，研究了該種新型膠凝材料充填體的凝結(jié)硬化規(guī)律。

以上研究均是在普通硅酸鹽水泥-全尾砂的充填材料基礎(chǔ)上摻入添加料或者使用其他的膠凝材料代替普通硅酸鹽水泥。本文采用某礦尾砂作為充填骨料，采用普通水泥、礦渣水泥、粉煤灰水泥和火山灰水泥4種通用水泥作為膠凝材料，測(cè)定不同質(zhì)量濃度、灰砂比、齡期下的充填試塊強(qiáng)度。研究通用水泥作為膠凝材料充填體試塊強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律，為礦山充填施工提供一定的參考。

1 試驗(yàn)材料

1.1 尾砂

本次試驗(yàn)采用的是福建某礦尾砂，通過CILAS1064型激光粒度儀測(cè)定其粒度成分，結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)所用全尾砂顆粒級(jí)配

由表1可知，本次試驗(yàn)所用尾砂平均粒經(jīng)約為77 μm，尾砂的粒徑變化差值約為5 μm，而粒徑在75 μm以下的尾砂累計(jì)為62.19%，屬于級(jí)配不良。

1.2 水泥

本次試驗(yàn)采用福建某廠生產(chǎn)的P·O32.5普通硅酸鹽水泥、P·S·A32.5礦渣硅酸鹽水泥、P·P32.5火山灰硅酸鹽水泥以及P·F32.5粉煤灰硅酸鹽水泥。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水泥種類和齡期對(duì)充填體強(qiáng)度的影響

質(zhì)量濃度分別為62%，68%，灰砂比分別為1∶4，1∶6，1∶8，4種充填試塊7d、28d抗壓強(qiáng)度的變化曲線見圖1～圖4。

由圖1、圖2可知，隨著灰砂比的增大，試塊的強(qiáng)度增加。62%質(zhì)量濃度下，4種水泥試塊的7d抗壓強(qiáng)度以普通充填試塊最高，礦渣充填試塊和粉煤灰充填試塊的強(qiáng)度次之，3種灰砂比的平均強(qiáng)度約為普通充填試塊強(qiáng)度的89.45%和83.36%，火山灰充填試塊的強(qiáng)度最低，平均強(qiáng)度只有普通充填試塊強(qiáng)度的57.29%。在68%的質(zhì)量濃度下，普通充填試塊的7d抗壓強(qiáng)度仍為最高，礦渣充填試塊、粉煤灰充填試塊和火山灰充填試塊的強(qiáng)度約為其99.73%、87.23%以及62.78%。

由此可見，普通充填試塊的強(qiáng)度具有快硬、早強(qiáng)的特點(diǎn)，礦渣充填試塊和粉煤灰充填試塊的強(qiáng)度和普通充填試塊約有10%～20%的差距，火山灰充填試塊的強(qiáng)度最低，只有普通充填試塊的60%左右。

圖1 質(zhì)量濃度62%齡期7d抗壓強(qiáng)度

圖2 質(zhì)量濃度68%齡期7d抗壓強(qiáng)度

圖3 質(zhì)量濃度62%齡期28d抗壓強(qiáng)度

圖4 質(zhì)量濃度68%齡期28d抗壓強(qiáng)度

由圖3、圖 4可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)到28d，各組充填試塊強(qiáng)度有了不同程度的增長(zhǎng)。當(dāng)灰砂比為1∶4時(shí)，62%和68%質(zhì)量濃度的普通充填試塊強(qiáng)度為2.34 MPa、3.04 MPa。礦渣充填試塊的強(qiáng)度為2.01 MPa、2.45 MPa，分別為普通充填試塊強(qiáng)度的85.9%和80.59%。粉煤灰充填試塊的強(qiáng)度為1.26 MPa、2.01 MPa，分別為普通充填試塊強(qiáng)度的53.85%和66.12%。火山灰充填試塊的強(qiáng)度為0.49 MPa、0.71 MPa，分別為普通充填試塊強(qiáng)度的20.94%和23.36%。灰砂比為1∶6時(shí)，62%和68%質(zhì)量濃度普通充填試塊的強(qiáng)度為1.53 MPa、1.82 MPa。礦渣充填試塊的強(qiáng)度為1.26 MPa、1.66 MPa，分別為普通充填試塊強(qiáng)度的82.35%和91.21%。粉煤灰充填試塊的強(qiáng)度為0.75 MPa、0.95 MPa，分別為普通充填試塊強(qiáng)度的49.02%和52.2%。火山灰充填試塊的強(qiáng)度為0.39 MPa、0.52 MPa，分別為普通充填試塊強(qiáng)度的25.49%和28.57%。灰砂比為1∶8時(shí)，62%和68%質(zhì)量濃度普通充填試塊的強(qiáng)度為1.03 MPa、1.52 MPa。礦渣充填試塊的強(qiáng)度為0.8 MPa、1.09 MPa，分別為普通充填試塊強(qiáng)度的77.67%和71.72%。粉煤灰充填試塊的強(qiáng)度為0.61 MPa、0.76 MPa，分別為普通充填試塊強(qiáng)度的59.22%和50%。火山灰充填試塊的強(qiáng)度為0.3 MPa、0.36 MPa，分別為普通充填試塊強(qiáng)度的29.13%和23.68%。由此可見，4種水泥充填試塊以普通鹽充填試塊的早期、后期抗壓強(qiáng)度高，呈現(xiàn)出快硬早強(qiáng)的特點(diǎn)。礦渣充填試塊、粉煤灰充填試塊強(qiáng)度相對(duì)普通充填試塊有一定的減弱。火山灰充填試塊的強(qiáng)度相比普通充填試塊出現(xiàn)了顯著的降低。

在62%質(zhì)量濃度下，3種灰砂比的普通充填試塊、礦渣充填試塊和粉煤灰充填試塊的平均強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了179.46%、155.18%以及78.66%，而火山灰充填試塊的強(qiáng)度增長(zhǎng)最低，為20.23%。相應(yīng)地，在68%質(zhì)量濃度下，3種灰砂比的普通充填試塊、礦渣充填試塊和粉煤灰充填試塊的平均強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了196.69%、142.05%以及90.64%，火山灰充填試塊的強(qiáng)度增長(zhǎng)仍很低，為18.75%。由此可見，普通水泥充填試塊不僅早期強(qiáng)度較高，后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)率相較礦渣充填試塊、粉煤灰充填試塊以及火山灰充填試塊也更高。

2.2 灰砂比對(duì)充填體強(qiáng)度的影響

不同充填試塊強(qiáng)度與灰砂比的關(guān)系曲線見圖5～圖8。

如圖5所示，質(zhì)量濃度為62%，灰砂比為1∶4的普通充填試塊7d抗壓強(qiáng)度是灰砂比1∶6、1∶8試塊強(qiáng)度的1.37倍和1.48倍；28d抗壓強(qiáng)度是1.53倍和2.27倍。質(zhì)量濃度為68%時(shí)，灰砂比從1∶8增加到1∶6和1∶4時(shí)，7d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了23.07%，86.54%，28d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了19.38%，100%。針對(duì)質(zhì)量濃度62%礦渣充填試塊，如圖6所示，灰砂比為1∶4的時(shí)候，其7d抗壓強(qiáng)度是灰砂比為1∶6，1∶8時(shí)的1.38倍和1.92倍；28d抗壓強(qiáng)度分別為1.6倍和2.51倍。質(zhì)量濃度為68%時(shí)，灰砂比為1∶4的充填體7d抗壓強(qiáng)度是灰砂比為1∶6、1∶8的1.27倍和1.74倍；28d抗壓強(qiáng)度分別是1.48倍和2.25倍。對(duì)于粉煤灰充填試塊（見圖7），質(zhì)量濃度為62%，灰砂比為1∶4時(shí)，其7d抗壓強(qiáng)度是灰砂比為1∶6，1∶8時(shí)的1.52倍和1.68倍；28d抗壓強(qiáng)度分別為1.68倍和2.07倍。質(zhì)量濃度為68%時(shí)，灰砂比為1∶4的充填體7d抗壓強(qiáng)度是灰砂比為1∶6，1∶8的1.71倍和2.29倍；28d抗壓強(qiáng)度分別是2.12倍和2.64倍。對(duì)于火山灰充填試塊，如圖8所示，質(zhì)量濃度為62%時(shí)，灰砂比從1∶4減小到1∶6和1∶8，7d抗壓強(qiáng)度減小了17.5%和37.5%。28d抗壓強(qiáng)度減小了20.41%和38.78%。質(zhì)量濃度為68%時(shí)，灰砂比從1∶4減小到1∶6和1∶8，7d抗壓強(qiáng)度減小了30.51%和44.07%。28d抗壓強(qiáng)度減小了26.76%和49.3%。

圖5 普通充填試塊強(qiáng)度與灰砂比的關(guān)系

圖6 礦渣充填試塊強(qiáng)度與灰砂比的關(guān)系

圖7 粉煤灰充填試塊強(qiáng)度與灰砂比的關(guān)系

圖8 火山灰充填試塊強(qiáng)度與灰砂比的關(guān)系

由此可以發(fā)現(xiàn)，灰砂比從1∶8增加到1∶6，充填試塊強(qiáng)度增加效果不是很明顯，灰砂比從1∶6增加到1∶4，試塊強(qiáng)度增加明顯。相對(duì)來說，增加灰砂比，4種通用水泥充填試塊的強(qiáng)度增加比例相差不大，沒有明顯的變化。

2.3 質(zhì)量濃度對(duì)充填體強(qiáng)度的影響

不同充填試塊強(qiáng)度與質(zhì)量濃度的關(guān)系曲線見圖9～圖12。

由圖9可知，對(duì)于普通充填試塊，灰砂比為1∶4，質(zhì)量濃度從62%增加到68%，試塊7d抗壓強(qiáng)度從0.71 MPa增加到0.97 MPa，增長(zhǎng)了36.62%，28d抗壓強(qiáng)度從2.34 MPa增加到3.04 MPa，增長(zhǎng)了29.91%。當(dāng)灰砂比減小到1∶6時(shí)，質(zhì)量濃度從62%增加到68%，試塊7d抗壓強(qiáng)度從0.52 MPa增加到0.64 MPa，增長(zhǎng)了23.08%，28d抗壓強(qiáng)度從1.53 MPa增加到1.82 MPa，增長(zhǎng)了18.95%。灰砂比為1∶8時(shí)，7d抗壓強(qiáng)度質(zhì)量濃度68%試塊是質(zhì)量濃度62%試塊的1.08倍，28d抗壓強(qiáng)度質(zhì)量濃度68%試塊是質(zhì)量濃度62%試塊的1.48倍。由圖10可知，對(duì)于灰砂比為1∶4的礦渣充填試塊，質(zhì)量濃度從62%增加到68%，7d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了28.99%，28d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了21.89%。礦渣充填試塊灰砂比為1∶6，質(zhì)量濃度68%的試塊的7d抗壓強(qiáng)度是質(zhì)量濃度62%的試塊的1.4倍，28d抗壓強(qiáng)度是1.32倍。灰砂比為1∶8時(shí)，62%增加到68%質(zhì)量濃度，7d和28d抗壓強(qiáng)度分別增加了41.67%，36.25%。由圖11可知，針對(duì)灰砂比1∶4，1∶6，1∶8粉煤灰充填試塊，質(zhì)量濃度從62%增加到68%，7d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了46.88%、30.95%、7.89%，28d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了59.52%、26.67%、24.59%。圖12是火山灰充填試塊的強(qiáng)度變化情況，質(zhì)量濃度為62%，灰砂比為1∶4，1∶6，1∶8的試塊7d抗壓強(qiáng)度分別為0.4 MPa、0.33 MPa、0.25 MPa，其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度68%的試塊7d抗壓強(qiáng)度為0.59 MPa、0.41 MPa、0.33 MPa，分別增長(zhǎng)了47.5%、24.24%和32%。同樣情況下，28d抗壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了44.9%、33.3%和20%。

圖9 普通充填試塊強(qiáng)度與質(zhì)量濃度的關(guān)系

圖10 礦渣充填試塊強(qiáng)度與質(zhì)量濃度的關(guān)系

因此，隨著質(zhì)量濃度的增加，4種通用水泥充填試塊的強(qiáng)度都相應(yīng)有了一定程度的增加，且對(duì)于不同種類水泥充填試塊而言，強(qiáng)度增加的比例相差不大。對(duì)于礦渣充填試塊、粉煤灰充填試塊和火山灰充填試塊，在灰砂比為1∶4的情況下增加質(zhì)量濃度，強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度有了一個(gè)明顯的提高，增長(zhǎng)幅度從20%～30%提高到了40%。

圖11 粉煤灰充填試塊強(qiáng)度與質(zhì)量濃度的關(guān)系

圖12 火山灰充填試塊強(qiáng)度與質(zhì)量濃度的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）對(duì)于全尾砂充填試塊而言，在灰砂比一定的情況下，普通水泥充填體強(qiáng)度最高，礦渣水泥充填體和粉煤灰水泥充填體的強(qiáng)度約為普通水泥充填體的80%~90%，火山灰水泥充填試塊的強(qiáng)度最低，只有普通硅酸鹽水泥充填體強(qiáng)度的50%～60%。齡期對(duì)于充填體強(qiáng)度的影響最為明顯，在灰砂比為1∶4時(shí)，普通水泥充填體和礦渣水泥充填體的強(qiáng)度隨著齡期增長(zhǎng)幅度最快。

（2）在確定的質(zhì)量濃度下，增加灰砂比，充填體抗壓強(qiáng)度會(huì)有明顯增加，但是4種通用水泥充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)的速率相差不大。

（3）增加質(zhì)量濃度，在灰砂比為1∶4時(shí)，礦渣水泥充填體、粉煤灰水泥充填體和火山灰水泥充填體的強(qiáng)度增加比例最大，約為40%。其他灰砂比下，增大質(zhì)量濃度，這3種充填體強(qiáng)度增加比例為25%～30%。對(duì)于普通水泥充填體，增加質(zhì)量濃度，強(qiáng)度增加的比例最小，約為20%。