基于正交試驗的充填材料改性最優配合比及其機理研究

南秋彩

（1.黃河交通學院 交通工程學院，河南 焦作454950；2.武漢大學 巖土與結構工程安全湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430000）

在礦山采礦工程中，充填采礦法已取得了廣泛應用[1-2]。充填體材料的物理和力學性能對礦山采礦工程的安全性有直接影響[3]。充填體漿料一般由水、骨料、膠凝材料和外摻料按一定比例配制拌和，在一定養護時間內固結硬化形成具有一定強度的充填體[4]。外摻料的加入可以通過各物料之間的物理化學反應提高充填體材料在充填采礦工程中的適用性，經過改性的材料不僅對于采礦的安全性有實際應用意義，對于新型生態環保材料的研發也有一定貢獻，是實現礦山的無廢開采和減小安全隱患的理想途徑[5-7]。李茂輝等[5]人為了提高充填采礦的經濟效益和粉煤灰的資源利用率，采用粉煤灰作為膠凝材料進行充填體水化機理的研究和強度試驗；徐文彬[8]通過不同水泥和膠結劑配比的充填漿料的強度試驗結果，分析了不同全尾砂充填體膠凝成巖的微觀規律；Swift 等[9]采用粉煤灰和石灰材料組成聚合劑以改良巖石裂縫的充填體的力學性能；Nabassé[10]通過對一定配合比的充填體試樣的直剪試驗，給出了膠結充填體和巖壁界面的剪切強度（摩擦強度）的試驗結果。

總的來說，在漿料材料中配合外加劑和外摻料是有效提高充填體材料在采礦工程中的適用性的重要手段，但其改良效果與骨料性質和外加劑的種類與摻合量均有重要聯系，需要根據具體材料情況開展研究[11]。正交試驗是對多因素和多水平的試驗進行方案設計的1 種方法，其最突出的優點就是可以大大減少試驗組數[11-13]。為此以金川礦的全尾砂為充填骨料材料的主要來源，采用正交試驗的方法，系統研究了脫硫石膏、消石灰、粉煤灰和水泥對材料性能進行改良的最佳配合比，希望通過試驗改善充填體材料在抗折強度、收縮性和耐水性能方面的不良物理力學性能從而更好為充填采礦工程提供性能優良、綠色環保的材料。

1 材料及其試驗方法

1.1 試驗材料

試驗的原料為金川礦的全尾砂、水泥、粉煤灰、石灰、脫硫石膏和水，粉煤灰和石膏材料由金川礦當地的發電廠提供，石灰為生石灰粉，所用水泥為標號32.5#普通硅酸鹽水泥。金川尾礦砂屬于酸性尾礦，其質量系數為 0.93，活性系數為 0.46，屬于二類品質尾礦。尾礦砂XRD 衍射圖譜如圖1，對尾礦進行XRD 衍射圖譜分析，可以看出尾礦砂的礦物組成主要為石英、方解石、透輝石和綠泥石，也含有少量的硫礦、絹云母和黃鐵礦等。尾礦砂的顆粒粒級分布情況見表1，可以看出尾礦砂的顆粒粒徑主要分布在 0.5～10.0 mm 范圍內，占到總體成分的 80%以上，而低于 0.5 mm 和高于 10.0 mm 直徑的尾砂顆粒的含量均較少。

1.2 試驗方法

1.2.1 充填體試樣

圖1 尾礦砂XRD 衍射圖譜Fig.1 XRD diffraction pattern of tailing sand

表1 尾礦顆粒粒徑分布Table 1 Physical properties of tailing sand

將尾砂骨料、粉煤灰、石灰、脫硫石膏和硅酸鹽水泥、水和少量減水劑按一定比例在常溫下充分攪拌均勻后制成充填漿料。控制固體和水的比為1∶0.2，使漿料在盡量不損失強度的條件下得到較好的流動性，采用攪拌機充分拌合漿料后注入相應的模具中，在相對濕度為90%和溫度為（20±2）℃的條件下養護28 d。

1.2.2 強度試驗

強度試驗所采用的儀器是液壓伺服式萬能試驗機。強度試驗所用樣品規格為40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體，參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO）》國家標準進行[15]。在進行強度測試時，先測定抗折強度，然后取折斷棱柱體的兩半分別進行抗壓強度試驗。每組抗折強度試驗使用3 個試件，結果以平均值為準，當某一試件強度與均值強度差值大于10%，將其剔除再取均值。同樣的，每組抗壓強度試驗測定6 個抗壓強度值，結果以6 個測定值的平均值為準，若有1 個測定值與平均值相差大于10%，將此測定值剔除，取剩下的5 個值的平均值。當5 個測定值中繼續存在與均值相差大于10%的數據時，此組結果作廢，重新進行試驗。

1.2.3 測定收縮率

養護成型后測量棱柱體試樣澆筑完成時的干燥收縮值，每組試驗測定3 個試件的收縮率，結果以3個試件的平均值為準，若有1 個測定值與平均值之差大于10%，將其剔除；若有2 個測定值超過20%，則該組試驗無效，重新制模測定。收縮率εst應按（1）式進行計算。

式中：L0為初始長度；Lt試件成型后t 時間的長度；L 試件的標準長度；Ld為2 個收縮頭埋入砂漿中的長度之和；εst為養護t 時間的自然干燥收縮值；t為養護時間，取28 d。

1.2.4 耐水試驗

在測試材料抗沖刷性能的試驗中采用70.7 mm×70.7 mm× 70.7 mm 的立方體試件，每組試驗準備3 個試樣，養護28 d 后分別稱重。試驗采用自制模擬降雨沖刷裝置，控制沖水水壓為 0.04 MPa，噴頭距離試件 50 cm，控制沖刷時間為 30 min，每次試驗相當于1 次特大暴雨的降水量。對2 個試件同時進行沖刷試驗，待沖刷結束后對2 個試件稱量質量。由于沖刷進行過程中試樣會吸水增加含水量，因此必須對沖刷試驗的質量損失進行標定。標定方法是在1#、2#試樣沖刷進行的同時，將3#試件浸泡于水中，試驗結束后稱重。采用沖刷的質量損失獲取生土材料的沖刷系數。

式中：αst為養護t 時間的沖刷系數，試驗中t 取28 d，αst的值越大代表材料抗沖刷的能力越弱；ms為試樣的標定質量，g；ma為試件沖刷試驗后的平均質量，g。

2 充填體材料的最優配合比

2.1 正交試驗

正交試驗是根據試驗中的條件、因素和水平制定正交試驗表和試驗計劃，從而進行試驗的方法，其優勢是可以在較少的試驗次數的情況下獲取最優的試驗結果。本試驗根據材料的具體情況設計了4因素4 水平的正交試驗以獲取，正交試驗因素和水平見表2。

通過正交試驗的四水平四因素的分析可以得到12 組試樣的配合比，正交試驗結果見表3。

經過分析由表3 可以看出：

1）各外摻料的含量對生土材料的抗折強度影響的大小排序為：水泥＞脫硫石膏＞粉煤灰＞石灰。

表2 正交試驗的因素和水平Table 2 Factors and levels of the orthogonal experiment

表3 正交試驗結果Table 3 Orthogonal experiment results

2）對抗壓強度影響的大小排序為：脫硫石膏＞水泥＞粉煤灰＞石灰。

3）對收縮系數影響的大小排序為：粉煤灰＞石灰＞脫硫石膏＞水泥。

4）對沖刷損失系數影響的大小排序為：脫硫石膏＞粉煤灰＞石灰＞水泥。

2.2 最優方案確定

在正交試驗中的設計因素和水平與強度、收縮和抗沖刷的性能指標有關，應選擇最有利于重點關注指標提高的水平。對于充填體材料，主要應解決其抗折強度、收縮性能和抗沖刷性能不足的問題，從表3 的正交試驗結果可知，抗折強度的最優方案為A4B2C3D3，即水泥摻量20%、石灰摻量6%、粉煤灰摻量10%和脫硫石膏摻量10%；收縮強度的最優方案為A0B4C4D4，即水泥摻量10%、石灰摻量8%、粉煤灰摻量15%和脫硫石膏摻量15%。抗沖刷性能的最優方案為 A2B3C4D3，即水泥摻量15%、石灰摻量6%、粉煤灰摻量15%和脫硫石膏摻量10%。綜合考慮各因素，結合實際的改性作用，本試驗最優配比確定為：A4B2C3D3，即水泥摻量20%、石灰摻量4%、粉煤灰摻量10%和脫硫石膏摻量10%。

對最優配合比下的澆筑成型的改性充填體材料分別進行強度、收縮和抗沖刷試驗，試驗結果與改性前的各性能指標同時繪制在直方圖內進行對比研究，改性前后性能指標的直方圖如圖2。可以看出，經過最優配合比下的外摻料改性的材料在各項指標均有明顯改良，其中抗折強度和抗壓強度分別提高了1.8 和2.4 倍；收縮率和沖刷損失率分別減小了3.7 和 2.3 倍。說明經過最優配合比外摻量改良的生土材料，解決了傳統充填體材料在抗折，收縮和耐沖刷型性能方面的不足。

圖2 改性后性能指標變化幅度的直方圖Fig.2 Histogram of index after the test

2.3 充填體材料的改性機理

2.3.1 物理改性和化學改性

進行充填體材料改性的機理分為物理改性機理和化學改性機理，物理改性機理主要是指水泥和粉煤灰的細顆粒填充在全尾砂骨料中，改善了充填體的級配，使得充填體內部孔隙大大減小，從而對充填體強度起到一定的提升作用。本試驗采用的骨料為全尾砂，尾礦砂的顆粒粒徑主要分布在0.5～10.0 mm 范圍內，由于礦砂粒徑較大，使得顆粒之間的孔隙也相對較大。而普通粉煤灰的顆粒較細小，其粒徑一般在 0.1～0.5 mm 左右,普通水泥顆粒的粒徑一般小于1 mm。粉煤灰和水泥的細小顆粒進入骨料裂隙和粗顆粒間隙后，使得顆粒之間的黏聚力提升，顆粒間的摩擦力增大，骨料之間的聯結強度提高，導致充填體試樣的強度變大。但隨著水泥和粉煤灰比例增加，尾砂的含量相對減少，這樣會導致充填體不夠密實，對提高強度起到反作用。

化學改性主要是指尾砂中摻入石灰、粉煤灰和脫硫石膏后，在澆筑攪拌過程中發生一系列的化學反應，在材料內部對強度、收縮和抗沖刷性能進行了改良。且粉煤灰與水泥等物質的化學反應在充填體中形成了大量凝膠體，起到了骨架的作用，從而減少制品的收縮[15]；選擇石灰作為堿性激發劑，使得粉煤灰和水泥與水充分混合后獲得足夠的早期強度，由于粉煤灰中的硫酸鹽和熟石灰發生了化學反應，增強了生土骨架之間的黏聚力[16]；脫硫石膏是發電廠對排放的煙氣中所含的 SO2進行濕法脫硫后產生的工業副產物，其主要成分是二水硫酸鈣晶體，它的化學成分和晶體結構和天然石膏很相似。石膏摻入材料后可以作為一種膠凝材料，與水反應生成脫硫石膏的硬化體，從而提高生土材料的強度和抗沖刷性能[17]。

2.3.2 充填體材料的微觀結構

為了深入分析充填材料的改性機理，分別對普通材料和最優配合比改性的材料進行了內部微觀結構的觀測。采用掃描電子顯微鏡（SEM）對試樣進行掃描，得到的2 種樣本的微觀結構如圖3，放大倍數為800 倍。圖3（a）的材料呈現的團粒和多孔結構是影響充填體材料強度、收縮、抗沖刷性能的重要原因。發育的團粒和多孔結構不利于充填體在支撐采空區周圍巖體，減輕圍巖變形的功能。經過物理和化學改性的充填材料掃描電子顯微圖片如圖3（b），可以看出不規則的細顆粒緊密地交叉黏聚在一起，表面上附有絮凝狀的脫硫石膏晶體，形成了黏聚強度，使得材料整體性大大增加，從而增強了材料的強度和抗沖刷性能。由于尾礦砂顆粒的尺寸較大，顆粒的堆積形成了大量孔隙。而顆粒尺寸較小的球狀粉煤灰和水泥結合體填充在孔隙中也增強了材料的密實度，這是材料收縮性能提高的根本原因。由此可見，孔隙結構的改變是充填材料收縮性能改善的根本原因，粒間黏聚力增強是強度和抗沖刷性能提高的根本原因。

圖3 改性前的材料微觀結構Fig.3 The microstructure before and after tests

3 結 論

1）獲得充填材料的改性的最優配合比為：水泥20%、石灰4%、粉煤灰10%、脫硫石膏10%以及尾砂骨料56%，澆筑時的水固比為1∶0.2。材料經過改性后抗折強度和抗壓強度分別提高了1.8 和2.1倍；收縮率和沖刷損失系數分別減小了3.5 和2.4倍，經過正交試驗后，充填體的各項指標均有所改善。

2）分別討論了物理改性機理和化學改性機理。物理改性主要通過細顆粒在骨料中的填充作用；化學改性主要通過水泥、石灰、粉煤灰和脫硫石膏在澆筑攪拌時發生化學反應，產生大料凝膠體。物理和化學改性共同起到了改良材料的強度、收縮和抗沖刷性能的作用。

3）采用掃描電子顯微鏡從微觀結構變化的角度對充填材料改性的機理進行分析，發現孔隙結構的改變是生土材料收縮性能改善的根本原因，粒間黏聚力的增強是強度和抗沖刷性能提高的根本原因。