不同形狀尺寸充填試樣強度研究

葉光祥，解聯庫，郭利杰，劉光生，王 賀

(1.贛州有色冶金研究所，江西 贛州 241000；2.北京礦冶研究總院，北京 100160)

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不同形狀尺寸充填試樣強度研究

葉光祥1，解聯庫2，郭利杰2，劉光生2，王 賀2

(1.贛州有色冶金研究所，江西 贛州 241000；2.北京礦冶研究總院，北京 100160)

通過開展不同形狀、尺寸充填試樣單軸抗壓試驗，進行全尾砂膠結充填體強度尺寸效應研究，探究全尾砂膠結充填體尺寸效應現象及不同形狀與尺度充填試樣間的強度換算。研究表明：在料漿砂灰比和濃度相同條件下，大尺寸充填試樣抗壓強度高于小尺寸充填試樣；各形狀及尺寸充填試樣強度呈冪函數關系，強度間換算關系與砂灰比及料漿濃度無關，可由同一函數表達。

全尾砂膠結充填體；單軸抗壓強度；尺寸效應；強度換算

尺寸效應指的是在材料的性能測試中，一些性能參數隨著材料結構尺寸的變化而發生變化的現象[1-2]。充填體試樣的強度不僅與充填體料漿濃度、料漿砂灰比、充填體養護齡期等因素有關，還與充填體尺寸和形狀有關，這一現象就叫做充填體的強度尺寸效應。早在1925年，Gonnerman就注意到了水泥混凝土材料的強度尺寸效應現象，由此諸多學者開始了關于材料強度尺寸效應的研究[3]。研究的重點主要集中在兩個方面：材料強度尺寸效應規律及材料強度尺寸效應影響因素。在混凝土的抗壓強度、抗拉強度以及抗剪強度的尺寸效應研究中，抗壓強度尺寸效應的研究成為大家最為關注的一項指標，因此此次試驗重點研究充填體抗壓強度尺寸效應研究。

關于充填體強度尺寸效應的研究，郭利杰[4]研究了尾砂膠結充填體強度與試樣尺寸和幾何形狀之間的關系，研究指出，充填體強度隨著試樣尺寸的增加而減小，呈非線性變化。成祖國[5]通過對試驗室充填體試樣制備與礦山現場充填過程的不同，研究了實驗室充填體試樣與現場充填體強度差別，試驗證明，礦山現場充填體強度明顯低于實驗室充填測試結果。

現階段，礦山充填體強度性能指標主要來源于實驗室條件下小尺寸試樣的充填配比實驗。但由于行業還未形成關于該實驗的任何規范和標準，各實驗室所用充填試模形狀、大小不一。各試驗室所用充填試模主要分為立方體試模和圓柱體試模，常用立方體試模規格有7.07cm×7.07cm×7.07cm、10.0cm×10.0cm×10.0cm和15.0cm×15.0cm×15.0cm，圓柱試模直徑大小不等，高徑比為2∶1。試模形狀及尺寸的不同造成各試樣性能指標也不一樣，如何讓實驗室小尺寸試樣結果對真實的采空區充填體結構有更好的指導意義和實用性，開展尺寸效應對充填材料強度的影響實驗及不同形態充填試樣強度換算具有重要意義。

1 試驗方案設計

1.1 充填配比材料

尾砂：試驗所用尾砂為某銅礦一期尾礦庫中全尾砂，密度2.88g/cm3，容重1.91 g/cm3，孔隙率33.68%。

水泥：水泥為礦山當地產32.5級普通硅酸鹽水泥，容重為3.0 g/cm3。

水：水為實驗室用水，密度1.0g/cm3。

1.2 充填試模設計

本文主要針對充填體強度尺寸效應進行研究，并試圖建立不同形狀和尺寸充填試樣強度間聯系，根據國內現階段實驗室常用試模形狀和尺寸，本研究采用3種形狀及尺寸試模進行試驗，如圖1所示。圖1(a)為混凝土標準立方體試模，7.07cm×7.07cm×7.07cm立方體。圖1(b)和(c)為自制圓柱體試模，φ5.13cm×10cm圓柱試模由PVC管加工而成，φ7.08cm×14.2cm圓柱試模由PV管加工而成。加工流程為：用車床進行切割制成設計長度短管，采用與其配套使用的水頭作為模底，并用螺旋鉆打孔，采用水管專用膠(硬聚氯乙烯膠粘劑)進行粘合，上部采用配套使用的水管接頭作為浮模。

1.3 充填配比試驗

此次充填配比試驗控制參數主要有料漿砂灰比和料漿濃度，依據國內充填試驗及礦山常用充填料漿濃度和砂灰比，選定充填配比參數值，料漿濃度為65%、68%、70%和72%，砂灰比為4∶1、6∶1、8∶1和10∶1，進行三種試模充填配比全面試驗。

圖1 充填試樣模型形狀與尺寸

1.4 試樣制作

按照充填配比試驗要求進行試樣的制作、脫模、養護，養護條件為濕度≥90%，溫度為20±1℃，養護齡期為28天。

2 充填體強度尺寸效應研究

試樣28天養護期結束，選用YAW-600微機控制電液伺服壓力試驗機對試樣進行單軸抗壓試驗，共得到4×4×3=48組試驗結果。試驗結果見表1。

表1 單軸抗壓試驗結果

2.1 料漿濃度對充填試樣強度尺寸效應影響分析

在相同料漿濃度條件下，各尺寸充填體料漿砂灰比—單軸抗壓強度關系曲線如圖2所示。

由圖2曲線可以看出：①同一料漿濃度下，各尺寸充填體強度均隨著砂灰比的增大而減小，兩者呈指數函數關系，隨著砂灰比的不斷增大，充填體強度趨于穩定，此時強度趨于穩定；②相同料漿濃度和砂灰比情況下，比較圓柱體試樣抗壓強度大小發現：φ7.08cm×14.2cm圓柱體>φ5.13cm×10cm圓柱體，這說明全尾砂膠結充填體單軸抗壓強度存在尺寸效應，實驗室條件下全尾砂膠結充填體試樣單軸抗壓強度隨著試樣尺寸的增加而增加；③對比φ7.08cm×14.2cm圓柱體試樣與7.07cm×7.07cm×7.07cm立方體試樣單軸抗壓強度，發現7.07cm×7.07cm×7.07cm立方體試樣強度更大。這是由于試件受端部效應影響引起的。當試樣由上、下兩個鐵板加壓時，鐵板與試件端部之間存在摩擦力，試件端部存在剪應力，阻止試件端部側向變形，試件端部應力是不均勻的，只有在離開端面一定距離的部位，才會出現均勻應力。圓柱體試樣高徑比為2∶1，比立方體試樣高徑比大，試樣中部出現均勻應力狀態，受端部效應影響較小，因而其單軸抗壓強度相比較小。

2.2 料漿濃度對充填試樣強度尺寸效應影響分析

在相同料漿砂灰比條件下，各尺寸充填體料漿濃度—單軸抗壓強度關系曲線如圖3所示。通過圖3可以看出：①隨著料漿濃度的增大，各尺寸充填體強度增大，兩者呈指數關系；②觀察充填體強度隨料漿濃度的變化曲線，可知，當料漿濃度小于69%時，充填體強度隨料漿濃度緩慢增長；當料漿濃度大于69%時，充填體強度隨料漿濃度急速增加。

圖2 不同尺寸充填體強度隨砂灰比變化對比圖

圖3 不同尺寸充填體強度隨料漿濃度的變化

初步分析認為：當料漿濃度較低時，料漿分層離析較為嚴重，不同粒徑顆粒分布不均，造成試樣孔隙增多、殘缺增大，因而試樣強度較低，增幅不大。當料漿濃度高于該濃度時，料漿分層離析大大減小，試樣強度也有了大幅提高。

2.3 圓柱體試樣與立方體試樣強度換算

分別以圓柱體試樣和立方體試樣單軸抗壓強度為x軸和y軸。以相同料漿濃度和砂灰比條件下，圓柱體與立方體抗壓強度為強度換算點坐標x值和y值，并擬合曲線，擬合曲線如圖4所示。

圖4(a)為φ5.13cm×10cm圓柱體試樣與7.07cm×7.07cm×7.07cm立方體試樣間的強度換算擬合曲線。圖4(b)為φ7.08cm×14.2cm圓柱體試樣與7.07立方體試樣單軸抗壓強度換算擬合曲線。結合圖4、表3，我們發現：各形狀及尺寸的全尾砂膠結充填體單軸抗壓強度呈冪函數關系。兩曲線擬合參數R2>0.95，曲線擬合效果較好；各濃度條件下強度換算點交錯分布于擬合曲線兩邊，所有點離散程度很低。

圖4 圓柱體試樣與立方體試樣單軸抗壓強度換算

通過以上分析，可以認為在實驗條件下(砂灰比4∶1～10∶1，料漿濃度65%～72%)，不同形狀或尺寸的充填體間強度換算與砂灰比和料漿濃度無關，可由同一函數表達。

3 結論

研究通過三種形狀和尺寸充填試樣配比試驗，進行試樣抗壓強度試驗，共得到48組試驗結果，通過對試驗數據的分析，主要得到以下結論。

1)相同料漿濃度和砂灰比情況下，不同形狀尺寸全尾砂膠結充填體單軸抗壓強度大小關系為：7.07cm×7.07cm×7.07cm立方體>φ7.08cm×14.2cm圓柱體>φ5.13cm×10cm圓柱體，全尾砂膠結充填體單軸抗壓強度存在尺寸效應。

2)各形狀及尺寸的全尾砂膠結充填體單軸抗壓強度呈冪函數關系，且在砂灰比為4∶1～10∶1及料漿濃度為65%～72%條件下，各形狀及尺寸的全尾砂膠結充填體單軸抗壓強度換算與砂灰比及料漿濃度無關，可由同一函數表達。

[1] 石建新.漿體膨脹充填材料性能研究與應用[M].徐州：中國礦業大學出版社，2013.

[2] 黃煜鑌.混凝土脆性與力學參數的尺寸效應及其相互關系的研究[D].重慶：重慶大學，2002.

[3] 冷發光，邢鋒，馮乃謙,等.粉煤灰高性能混凝土試件強度尺寸效應研究[J].混凝土，2000(12)：18-19，54.

[4] 郭利杰.尾砂膠結充填體抗壓強度的尺寸效應研究[J].鈾礦冶，2008，27(12)：61-63.

[5] 成祖國.礦山充填體強度與實驗室充填體試件強度對比研究[J].采礦技術，2012，12(5)：25-26，70.

國家自然資源和地理空間基礎信息庫建成

從國家發改委獲悉，我國第一個跨部門、軍民結合的大型國家級基礎性信息庫——國家自然資源和地理空間基礎信息庫建設項目通過驗收并正式投入運行。

國家自然資源和地理空間基礎信息庫是國家確定建設的國家電子政務四大基礎信息庫之一，由國家發展改革委牽頭，會同國土資源部等10個國務院有關部門、單位和軍隊有關方面共同建設，其運行服務對于促進我國國民經濟和社會信息化建設，進一步提高宏觀管理和決策水平，提升我國可持續發展的能力具有重要意義。

Study on the strength of packing specimens in different shape or size

YE Guang-xiang1，XIE Lian-ku2，GUO Li-jie2，LIU Guang-sheng2，WANG He2
(1.Ganzhou Research Institute of Non-Ferrous Metallurgy,Ganzhou 341000,China;2.Beijing General Research Institure of Mining & Metallurgy，Beijing 100160，China)

This paper focuses on the size effect for compress strength of cemented tailings backfill，which obtained by uniaxial compression test with packing specimens in different shape or size，aiming to explore the size effect for compress strength of cemented tailings backfill phenomenon and the strength conversion among the backfill with different shape or size.The test results show that the compress strength of a bigger size filling body is higher than that of a smaller one；The relationship of uniaxial compress strength among is a power function，the strength conversion of backfill between different shape or size can be expressed by a same function which is independent with tailing-cements ratio and slurry concentration.

cemented unclassified tailings backfill；compress strength；size effect；strength conversion

2014-09-09

國家科技支撐計劃項目資助(編號：2013BAB02B02)

葉光祥(1989-)，男，江西贛州人，研究生，主要從事礦山巖石力學和礦山充填開采研究。E-mail：ygx912441832@163.com。

TD853.343

A

1004-4051(2015)10-0128-04