廢石尾砂膠結充填體斷裂特性試驗研究

仝文慧 朱萬成 牛雷雷1

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學巖石破裂與失穩研究所，遼寧 沈陽 110819）

下向充填采礦法安全回采的一個關鍵因素是確保人工充填假頂的安全，假頂的穩定性直接關系著假頂下工作的人員和設備的安全，因此，研究人工假頂的斷裂特性具有重要的意義。隨著廢石與尾砂聯合作為充填料在技術和經濟上的可行性不斷得到論證[1-3]，礦山在假頂構筑時也會考慮加入適量廢石，一方面處置了開采過程中產生的固體廢料，減少了地表尾礦堆存，加強了礦山的綠色環保；另一方面能夠在一定程度上提高假頂的穩定性。廢石尾砂膠結充填體作為一種水泥基材料其力學性能與混凝土十分相似，存在脆性高、抗拉強度低以及突變失效等特點[4-5]，為了防止充填假頂的斷裂，對廢石尾砂膠結充填體的斷裂性能展開系統研究十分必要。

水泥基材料的斷裂性能受到膠結劑含量、粒徑級配以及是否加入強度強化物質（纖維、骨料等）等影響，其中加入強度強化物質成為提高充填強度有效的方法之一。SADIQ等[6]開展了不同黃麻纖維含量對水泥砂漿韌性增強作用的三點彎曲實驗，結果顯示黃麻纖維的加入使試件表現出撓度硬化行為，表明黃麻纖維的加入有利于提高水泥基材料的韌性。Wong等[7]對粉煤灰改性后水泥砂漿制作的單邊切口梁開展抗彎試驗，結果表明粉煤灰的加入有助于提高界面斷裂能。Golewski[8]探究了粉煤灰含量為0、20%、30%時對混凝土I型斷裂韌度的影響，發現在粉煤灰摻量為20%時斷裂韌度最高。Cao等[9]對添加不同類型纖維的尾砂膠結充填體開展三點彎曲實驗，結果表明水灰比和固體含量是制約充填體抗彎性能的關鍵因素。Libos等[10]通過實驗分析了齡期和膠結劑含量對于膏體充填三點彎曲試件斷裂韌度的影響，認為斷裂韌度隨齡期變化有很強的時效性和非線性，同時還發現斷裂韌度對于膠結劑含量改變表現敏感。綜上所述，加入強度強化物質對充填體的斷裂性能具有重要影響，但是目前充填體領域的相關研究主要集中于加入纖維、粉煤灰等添加物，針對加入廢石充填體的人工假頂斷裂性能尚不清楚，因此，本研究通過開展廢石尾砂膠結充填體的三點彎曲試驗，探討膠結劑含量、廢石摻量和廢石粒徑對廢石尾砂膠結充填體斷裂性能影響的作用機理。

1 試驗原理及方法

適量廢石的摻入不僅能幫助解決廢石不出坑的問題，還能有效提高充填體的強度[11-12]，但是膠結劑含量、廢石的摻量及廢石的粒徑尺寸對充填體斷裂性能的影響研究還有待進一步挖掘，本研究以膠結劑含量、廢石摻量和廢石粒徑為影響因素，探究廢石尾砂膠結充填體試件的斷裂特性。

1.1 試件制備

充填體試樣固體物料由尾砂、膠結劑和廢石三部分組成，其中，尾砂選用粒徑-0.074 mm的人工硅尾砂，膠結劑為325普通硅酸鹽水泥，廢石為不同粒徑的石灰石。每組充填體試件的固體含量均為73%，膠結劑含量分別為5%、7%和10%，廢石摻量分別為0、10%和30%（占尾砂的百分比），廢石粒徑分別為0～3.35 mm、3.35～10 mm和0～10 mm，試件的詳細配比如表1所示。試件預制裂縫高為20 mm，寬為1 mm，試件的養護齡期分別為14 d、21 d和28 d。

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1.2 廢石粒徑級配

充填體試件中的廢石由不同的粒徑尺寸組成，而不同的粒徑級配將會影響充填體的性能，因此，根據級配曲線設計不同粒徑廢石的含量。不均勻系數Cu和曲率系數Cc是描述級配曲線坡度和形狀的2個重要指標，可用于描述級配曲線平滑度、反映不同顆粒大小粒組的分布情況和判斷級配是否良好[13]。根據粒徑累計曲線可計算某一確定級配下的顆粒不均勻系數和曲率系數值。當不均系數大于等于5和曲率系數在1～3之間時為良好級配，不同時滿足上述2個條件為不良級配。本研究中充填體試樣采用的3種不同廢石粒徑級配的參數如表2所示，通過表2所列數據可以看出本實驗使用的0～3.35 mm和0～10 mm的粒徑級配均為良好級配。

注：d10為過篩質量占10%的粒徑；d30為過篩質量占30%的粒徑；d60為過篩質量占60%的粒徑。

1.3 斷裂韌度的計算

充填體試件加載過程中的應力分布如圖2所示。

對于廢石尾砂膠結充填體試件來說，廢石作為骨料的混入直接影響著其斷裂特性[14-17]。由于三點彎曲試件中包含有作為骨料的廢石，因此，將胡曉智教授團隊提出的基于邊界影響的準脆性斷裂模型（BEM）[18-19]應用于含廢石充填體斷裂韌度的計算。

式中，W、S、L、B分別為試件的高度、跨度、長度、厚度；KIC為斷裂韌度；a0為初始裂縫長度；α為初始縫高比；Y（α）為幾何修正系數；ae為有效裂縫長度；G為廢石平均粒徑；Vn為第n種粒徑廢石占全部廢石的體積含量；dn-max為第n種廢石粒徑的最大值；ft為抗拉強度。

而不含廢石的試件則采用《水工混凝土斷裂試驗規程》（DL/T 5332—2005）[20]推薦的計算方法，并用Guinea等[21]提出的非標準尺寸試件系數f（α）進行修正。

2 試驗結果與討論

2.1 位移載荷曲線

如圖3為廢石尾砂膠結充填體抗彎破壞過程的跨中位移—載荷標志性曲線，該曲線大致分為4個階段：A點以前段為壓密階段，此階段充填體中的顆粒之間壓密、孔隙逐漸閉合，沒有明顯的裂紋產生；AB段為亞臨界階段，此階段斜率近似恒定，預制裂縫尖端在拉應力作用下產生微裂紋，微裂紋沿著預制裂縫方向擴展，充填體承受垂直方向載荷逐漸增大至峰值荷載（B點），此時充填體達到其抗拉強度并發生斷裂，此后充填體的承載能力降低；BC段為破壞后階段，達到峰值承載能力后的充填體試件預制裂縫沿著近似垂直向上方向擴展，裂縫的擴展過程如圖3中所示。裂縫起始擴展基本沿著預制裂縫方向，隨后受到廢石顆粒的影響其擴展方向被阻斷并發生偏轉，但是整體上呈現為1條近似豎向裂縫。在此過程中，充填體承受的載荷隨著裂縫的擴展而降低；C點以后段為動態平衡階段，宏觀裂縫隨著外部載荷的增加逐漸擴展，裂縫張開角逐漸增大，但仍未失穩，這是因為斷裂的兩部分充填體試件下部張開、上部相互擠壓，試件的兩部分受力在水平方向相互抵消，于是試件在載荷增大至完全失穩的過程中仍然可以保持一段時間，但是這段時間是非常脆弱的，外力發生微小的變化都有可能導致完全失穩。

2.2 膠結劑含量對廢石尾砂膠結充填體斷裂韌度的影響

由圖4可知，試件的斷裂韌度隨著膠結劑含量的增加而增大。膠結劑含量由5%增加至10%的過程中，3種不同齡期（14 d、21 d和28 d）下充填體的斷裂韌度在整體上變化趨勢相近，均表現為前期緩慢增長，增長率分別為102.7%、65.7%和10.6%，后期快速增長，增長率分別為125.3%、138.3%和93.3%。這說明膠結劑含量的增加，不僅可以提高試件的斷裂性能，還能加快試件的固結硬化速度，在采場充填過程中適當提高膠結劑含量不僅能實現充填假頂的快速固結而且可以提高其抗斷裂特性。

當廢石摻量和充填料漿的固體含量一定時，作為膠結劑的水泥水化會生成氫氧化鈣、鈣礬石和CS-H等產物[22-24]，其中氫氧化鈣有助于提高水泥的水化反應，鈣礬石為廢石與廢石、廢石與石英砂之間提供了更有利的化學鍵聯接，而且在硬化之后鈣礬石自身也有較高強度。呈纖維狀的C-S-H凝膠同樣為提高充填體性能起到積極作用，膠結劑含量的增加使水泥尾砂漿體中用于發生水化反應的反應物增多，相應的膠凝產物生成量也增多[25]，這些水化產物不僅為廢石骨架結構的形成提供更強的連接作用，而且充填在骨架孔隙和裂隙中、減少微裂隙和微孔洞的數量，進而改變微孔洞的結構和充填體的承載結構[26-28]，在宏觀上表現為廢石尾砂膠結充填體試件抵抗斷裂的能力隨膠結劑含量的增加而增強。

2.3 廢石摻量對廢石尾砂膠結充填體強度的影響

如圖5所示，不同廢石摻量充填體試件的斷裂韌度隨著養護齡期的增加均表現為明顯的上升，并且都在廢石摻量為10%時達到最大值，而廢石摻量增加到30%反而呈現下降趨勢，但仍然高于不添加廢石的試件。隨著養護齡期的增加，未添加廢石試件的斷裂韌度增加幅度不大，養護齡期從14 d到21 d再到28 d試件的斷裂韌度分別增長了1.65 kPa·m0.5、0.57 kPa·m0.5，變化幅度小于摻入10%廢石的3.59 kPa·m0.5、6.65 kPa·m0.5和摻入 30% 廢石的 3.32 kPa·m0.5、3.38 kPa·m0.5。綜上可知，膠結充填體中適當混入廢石能夠起到強化充填體斷裂性能的作用，但過量的廢石加入會使這種強化作用受到抑制，達不到預期的增強效果。

適量廢石的加入有兩個主要作用[22，29]，其一可使固體物料的比表面積減小，單位面積上可供分配的水泥量增加；其二廢石作為骨架，水泥砂漿充填在骨架的孔隙和裂隙中能夠形成更加穩固的結構，從而達到提高試件抵抗斷裂破壞的效果。然而，當廢石摻入過量后，組成骨架的廢石顆粒較大，有限的水化產物不足以將廢石間隙填充完全，導致試件的孔隙、裂隙增多，進而抑制了斷裂性能的提高[30，31]。但是，從圖5可以觀察到，30%的廢石摻量相比未加廢石的充填體試件具有更高的斷裂韌度，這是因為廢石作為骨架，水化產物作為孔隙、裂隙充填物的結構體系要強于只有水化產物的結構體系，廢石與廢石之間、廢石與水化產物之間存在骨架體系下的咬合作用[32]，這種作用在一定程度上提高了充填體抵御外力破壞的能力。

2.4 廢石粒徑分布對充填體強度的影響

如圖6所示，不含廢石和含不同粒徑等級廢石充填體的斷裂韌度隨齡期增加逐漸增大。不摻廢石以及摻有廢石粒徑為0～3.35 mm、3.35～10 mm和0～10 mm的4種試件從養護第14 d到第28 d的斷裂韌度增量分別為2.21 kPa·m0.5、10.25 kPa·m0.5、8.79 kPa·m0.5和10.37 kPa·m0.5。從整體上看，加入粒徑范圍處于3.35～10 mm廢石的試件在各齡期下的斷裂韌度值較其他組更大，并且該組試件中的粗骨料粒徑（＞3.35 mm）的廢石占比最高；粒徑范圍處于0～3.35 mm和0～10 mm的2組試件中廢石級配均為良好級配，斷裂韌度也相對較大；斷裂韌度最小組為未添加廢石的試件。這表明廢石的混入的確對充填體的抗斷裂性能有強化作用，但是粒徑分布范圍過大可能會導致這種強化作用受到抑制，不利于充填體承載能力的提高。

在膠結劑含量為7%和廢石摻量為10%的條件下，含有良好級配粒徑分布的AD4和AD2兩組充填體試件并沒有表現出更高的抗斷裂能力，反而不良級配AD3組充填體試件的性質得到了更好的強化。在級配曲線中，AD2組細骨料（0～4.75 mm）占100%，AD3中細骨料占50%，AD4中細骨料占20%。較小粒徑的粗骨料（大于5 mm）自身具有更高的彈性模量和強度，可為充填體試件提供更穩定的支撐骨架；AD3試件中粗骨料組成的骨架，被細骨料和尾砂膠結充填，組成的結構體系更加穩定，因此斷裂韌度最大；AD4試件中粗骨料太多導致組成的骨架中孔隙和裂隙較多，反而不如AD2試件細骨料構成的骨架結構一樣穩固。

3 結論

充填體中加入適量廢石，不僅能夠提高充填假頂的斷裂韌度，還能減少礦山廢石處理問題。針對充填體存在的失穩斷裂問題，開展三點彎曲試驗，將基于邊界影響的準脆性斷裂模型應用于充填體斷裂力學特性研究中，研究了膠結劑含量、廢石摻量和廢石粒徑對廢石尾砂膠結充填體斷裂韌度的影響規律，得出以下結論：

（1）廢石尾砂膠結充填體斷裂韌度隨著膠結劑含量的增加近似線性增加；同時隨著養護齡期的增長，不同膠結劑含量的充填體斷裂韌度均增大。

（2）廢石的加入能夠增加充填體的斷裂韌度，但是存在一個合適的廢石混入率，使其增加效果最佳。

（3）廢石的粒徑和分布對充填體的斷裂韌性有重要影響，但是僅僅考慮優良級配可能達不到最佳的組成結構，還需考慮充填體的膠結劑含量和廢石摻入量。