尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)及其影響因素研究

唐國星，郭利杰，劉光生，楊小聰

(1.北京礦冶研究總院，北京 100160；2.金屬礦綠色開采國家國際聯(lián)合研究中心，北京 102628；3.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628)

0 引 言

充填采礦是一種隨著回采工作面的推進(jìn)，逐步用充填材料充填采空區(qū)的采礦方法，能夠在處理采空區(qū)的同時減少尾砂堆存，已成為金屬礦綠色開采的重要技術(shù)載體[1-5]。充填材料以料漿的形式被輸送至采空區(qū)后，經(jīng)過一段時間的養(yǎng)護(hù)形成膠結(jié)充填體。膠結(jié)充填體能夠支撐圍巖、控制采場地壓，亦可作為下一步回采的頂板或工作平臺[6]，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性對于礦山的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

劉同友[7]指出無論是膠結(jié)充填體的壓縮破壞還是彎曲破壞均是由于拉應(yīng)力或剪應(yīng)力、拉應(yīng)變或剪應(yīng)變超過其承載極限引起的。當(dāng)尾砂膠結(jié)充填體大面積揭露時，可能發(fā)生拉伸斷裂性質(zhì)的滑動破壞[8]。而在使用下向充填法的礦山中，回采后暴露的充填體頂板需要承受拉伸應(yīng)力，抗拉強(qiáng)度不足會直接導(dǎo)致頂板破壞[9]，進(jìn)而引發(fā)安全事故。因此，準(zhǔn)確評估膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度是進(jìn)行安全充填設(shè)計(jì)的重要前提。同時，尾砂膠結(jié)充填體的抗拉強(qiáng)度與灰砂比、質(zhì)量濃度、齡期等因素密切相關(guān)，研究灰砂比、質(zhì)量濃度與齡期對尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度的影響，分析充填體抗拉強(qiáng)度與這三種影響因素的敏感性關(guān)系將有助于礦山提高充填質(zhì)量、節(jié)約充填成本。

國內(nèi)外已有一些關(guān)于尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度的研究。姚志全等[10]、鄧代強(qiáng)等[11]采用巴西劈裂試驗(yàn)測得了不同配比的尾砂膠結(jié)充填體的抗拉強(qiáng)度，并分析了灰砂比與劈裂抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系。然而有學(xué)者指出，劈裂時試樣處于拉-壓混合應(yīng)力狀態(tài)，不能得到試樣的真實(shí)抗拉強(qiáng)度[12-13]；或試樣不能從中心起裂，不滿足巴西劈裂試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式的使用條件[14-16]。因此，PAN等[17]使用將壓縮轉(zhuǎn)換成拉伸的方法進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)，測得水泥含量為6.9%和9.7%的膏體充填體7 d、14 d和28 d時的抗拉強(qiáng)度，并進(jìn)一步得到了抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律。

從以上研究來看，對于尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度及敏感性分析的研究或受制于試驗(yàn)方法，或沒有足夠的數(shù)據(jù)證明規(guī)律的普遍性。為填補(bǔ)尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度領(lǐng)域的研究空白，本文設(shè)計(jì)了一種適用于尾砂膠結(jié)充填體的壓-拉轉(zhuǎn)換直接拉伸試驗(yàn)，以金廠河金礦全尾砂為原料，對多種配比齡期的尾砂膠結(jié)充填體的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測試，分析尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度隨灰砂比、質(zhì)量濃度、齡期的變化關(guān)系，并研究了三種因素對尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度影響的強(qiáng)弱。

1 尾砂物理化學(xué)性質(zhì)

本文使用的尾砂來自云南黃金金廠河金礦，化學(xué)元素定量分析測試結(jié)果見表1。尾礦中Ca、Si等元素含量較多，說明尾礦活性物質(zhì)多，S元素含量為0.2%，K、Na等堿性元素含量少，從化學(xué)性質(zhì)上分析，尾砂屬于較好的充填骨料。圖1為尾砂粒徑分布情況。由圖1可知，200目以下(尾砂粒徑d≤0.074 mm)尾砂顆粒占比75.51%，400目以下(d≤0.038 mm)尾砂顆粒占比57.75%。本文使用的膠凝材料為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，試驗(yàn)用水為北京市自來水。

表1 尾砂化學(xué)元素定量分析測試結(jié)果Table 1 The results of chemical element quantitative analysis of tailings

圖1 尾砂粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of tailings

2 試驗(yàn)方法

通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置使試驗(yàn)機(jī)對試驗(yàn)裝置的壓縮變?yōu)閷υ嚇拥睦焓侵苯永煸囼?yàn)的一種新思路[17-19]。本文使用壓-拉轉(zhuǎn)換的方式對尾砂膠結(jié)充填體進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)，原理如圖2所示。由圖2可知，固定試樣上部，在試樣下部施加壓力，測試段即處于拉伸狀態(tài)，據(jù)此設(shè)計(jì)加工了試驗(yàn)裝置與充填體養(yǎng)護(hù)模具，如圖3所示。養(yǎng)護(hù)模具由兩塊頭板、兩塊側(cè)板和一塊底板組成，板與板之間通過螺栓與螺母連接。模具形似“工字形”，端部向軸線兩側(cè)凸出，便于后續(xù)的固定和加載。試模組裝完成后將硅脂涂抹進(jìn)連接處的縫隙中，增加試模的密封性。試樣養(yǎng)護(hù)完成后拆下側(cè)板與底板，露出測試段即可進(jìn)行試驗(yàn)。如此設(shè)計(jì)是因?yàn)槲采澳z結(jié)充填體強(qiáng)度較低，礙于特殊的形狀難以從試模中取出，并且頭板與試樣成為一體，真正受拉的只有測試段。

圖2 “工字形”試樣及試驗(yàn)原理Fig.2 “I-shaped”test specimen and loading principle

圖3 “工字形”試模Fig.3 “I-shaped”curing mold

試驗(yàn)裝置由兩個相似的支架組成(圖4)，每個支架各有一個底盤和固定盤，兩盤通過螺柱連接并互相平行。固定盤是試驗(yàn)裝置的核心，由兩片相同的零件組成，其上有與試樣端部尺寸一致的T形槽。安裝固定盤時，兩片零件在“工字形”試樣兩端由外向內(nèi)拼接，T形槽與試樣端部緊密接觸，從而將試樣固定。試驗(yàn)時，位于上方的支架受壓，將荷載傳遞于試樣下端，而位于下方的支架固定試樣的上部，試樣處于拉伸狀態(tài)。為減少自身重力對試驗(yàn)過程與結(jié)果的影響，試驗(yàn)裝置采用鋁合金加工制作(圖5)。

圖4 試驗(yàn)裝置支架Fig.4 Loading brackets

圖5 試驗(yàn)裝置安裝過程Fig.5 Installation process

3 試驗(yàn)方案

為了使試驗(yàn)結(jié)果更具有普遍性與代表性，本文制備灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，質(zhì)量濃度為68%、70%、72%、75%的尾砂膠結(jié)充填料漿，分別養(yǎng)護(hù)7 d、14 d、28 d后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，共計(jì)48種工況，每種工況設(shè)置5個試樣。將按照要求制備、攪拌均勻的料漿分兩次倒入“工字形”試模中，每次各注入1/2，并用玻璃棒搗實(shí)。為防止料漿發(fā)生沉淀，在澆模過程中需要不斷攪拌料漿。試模澆筑后放入溫度(20±0.5)℃，濕度90%以上的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h，將試樣表面刮平繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至既定齡期。

本文使用美國漢堡Master Loader 5030試驗(yàn)機(jī)，采用位移加載的方式，加載速率為0.2 mm/min。抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：σDT為試件的抗拉強(qiáng)度，kPa；F為試件的峰值荷載，kN；ms和mz分別為試件與裝置的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；S為試件的斷面面積，cm2。

4 試驗(yàn)結(jié)果

拉伸斷裂后的“工字形”試樣如圖6所示。圖6中1號試樣和2號試樣未在測試段破壞，3號試樣～5號試樣在測試段斷裂。所有試樣斷面十分平整，幾乎與拉伸方向垂直，表明試樣是在拉伸應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞。試樣在測試段外破壞的原因是頭板與試樣局部分離，沒能起到限制軸向位移的作用。剔除不在測試段發(fā)生破壞的試樣后取平均值作為每組試樣的抗拉強(qiáng)度。

圖6 灰砂比1∶4、質(zhì)量濃度70%、養(yǎng)護(hù)齡期28 d條件下的充填體試樣Fig.6 Cemented tailings backfill specimens with cement-sand ratio of 1∶4,slurry solid content of 70% and curing ages of 28 d

由于灰砂比為1∶10、質(zhì)量濃度為68%、養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時的尾砂膠結(jié)充填體試樣強(qiáng)度過低，受試驗(yàn)裝置重力影響在很小的壓力下即會斷裂，或在安裝時發(fā)生破壞，所以無法獲得其強(qiáng)度值。其余47種工況的尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度見表2。由表2可知，尾砂膠結(jié)充填體的抗拉強(qiáng)度隨灰砂比、質(zhì)量濃度與齡期的變化均發(fā)生明顯變化，并呈現(xiàn)一定的規(guī)律。為單獨(dú)研究灰砂比、質(zhì)量濃度、齡期對尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度的影響并總結(jié)其規(guī)律，將待研究的因素設(shè)為變量，固定其他兩種影響因素，分析抗拉強(qiáng)度隨待研究因素的變化情況。

表2 不同配比齡期尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度Table 2 Tensile strength of cemented tailings backfill with different proportions and curing ages

4.1 灰砂比對尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度的影響

圖7為養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d、14 d、28 d時，質(zhì)量濃度為68%、70%、72%、75%的試樣抗拉強(qiáng)度與灰砂比的關(guān)系。從圖7可以看出，在質(zhì)量濃度和齡期相同時，尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度隨著灰砂比的增大而增大，這是因?yàn)榛疑氨仍酱螅蠞{中膠凝材料的含量越高，經(jīng)過水化反應(yīng)會產(chǎn)生更多的水化硅酸鈣凝膠(C—S—H凝膠)，尾砂顆粒的連接更牢固，而且水泥水化產(chǎn)物越多，尾砂膠結(jié)充填體中的孔隙越少，強(qiáng)度越高[20]。

圖7 抗拉強(qiáng)度隨灰砂比的變化關(guān)系Fig.7 The relationship between tensile strength and cement-sand ratio

對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果見表3。由表3可知，線性相關(guān)性系數(shù)R2全部在0.95以上，說明在一定質(zhì)量濃度與齡期條件下，灰砂比與尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度之間存在較強(qiáng)的線性關(guān)系，可用式(2)表示，與巴西劈裂試驗(yàn)得到的結(jié)果相似[10-11]。

表3 抗拉強(qiáng)度與灰砂比的擬合結(jié)果Table 3 The results of tensile strength and cement-sand ratio fitting

y=a1+b1x

(2)

式中：y為抗拉強(qiáng)度;x為水泥含量;a1、b1取決于質(zhì)量濃度、齡期等因素。

4.2 齡期對尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度的影響

圖8給出了質(zhì)量濃度分別為75%、72%、70%、68%時，灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10的試樣抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化情況。由圖8可知，當(dāng)質(zhì)量濃度與灰砂比一定時，7～14 d尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度的增長率高于14～28 d，這是因?yàn)榍捌谒嗨磻?yīng)并不充分，充填體內(nèi)仍持續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)生成C—S—H凝膠，強(qiáng)度提高較快；而后期隨著尾砂膠結(jié)充填體內(nèi)未反應(yīng)的水泥含量減少，水化反應(yīng)速率逐漸降低，強(qiáng)度增長放緩。

圖8 抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化關(guān)系Fig.8 The relationship between tensile strength and curing ages

根據(jù)強(qiáng)度變化規(guī)律對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對數(shù)擬合，結(jié)果見表4。由表4可知，尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度與質(zhì)量濃度之間呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，見式(3)。

表4 抗拉強(qiáng)度與齡期的擬合結(jié)果Table 4 The results of tensile strength and curing ages fitting

y=b2ln(t-a2)

(3)

式中：y為抗拉強(qiáng)度；t為齡期；a2、b2取決于質(zhì)量濃度、灰砂比等因素。

4.3 質(zhì)量濃度對尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度的影響

圖9給出了灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10時，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d、14 d、28 d時試樣抗拉強(qiáng)度隨質(zhì)量濃度變化情況。由圖9可知，尾砂膠結(jié)充填體的抗拉強(qiáng)度隨質(zhì)量濃度的提高而增加，并且大多數(shù)情況下抗拉強(qiáng)度的增長率也逐漸提高。由于缺少灰砂比1∶10、養(yǎng)護(hù)齡期7 d時的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此只對其余11種情況的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行指數(shù)擬合(表5)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有灰砂比1∶10、養(yǎng)護(hù)齡期28 d這一種情況擬合結(jié)果不符合式(4)。

表5 抗拉強(qiáng)度與質(zhì)量濃度擬合結(jié)果Table 5 The results of tensile strength and slurry solid content fitting

y=c+a3eb3r(a3>0)

(4)

式中：y為抗拉強(qiáng)度；r為質(zhì)量濃度；a3、b3、c取決于齡期、灰砂比等因素。

由圖9可知，質(zhì)量濃度為75%處的抗拉強(qiáng)度增長率明顯高于另外3種質(zhì)量濃度，并且根據(jù)擬合曲線的函數(shù)關(guān)系，在質(zhì)量濃度達(dá)到75%之后，較小的濃度提升都會顯著增加尾砂膠結(jié)充填體的抗拉強(qiáng)度。在對比相鄰灰砂比(如1∶4與1∶6、1∶6與1∶8)尾砂膠結(jié)充填體的抗拉強(qiáng)度時，低灰砂比質(zhì)量濃度75%尾砂膠結(jié)充填體的抗拉強(qiáng)度要大于高灰砂比質(zhì)量濃度70%、68%時的抗拉強(qiáng)度，說明在相同的抗拉強(qiáng)度需求下，將質(zhì)量濃度提高至75%以上可以降低水泥含量，減少充填成本。

圖9 抗拉強(qiáng)度隨質(zhì)量濃度的變化關(guān)系Fig.9 The relationship between tensile strength and slurry solid content

5 尾砂膠結(jié)充填體敏感性分析

通過上述分析得知，尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度隨灰砂比、質(zhì)量濃度與齡期的變化各不相同，說明抗拉強(qiáng)度對這三種影響因素的敏感性不同。首先對比灰砂比與質(zhì)量濃度的敏感性差異，比較灰砂比1∶4與質(zhì)量濃度68%、灰砂比1∶6與質(zhì)量濃度70%、灰砂比1∶8與質(zhì)量濃度72%、灰砂比1∶10與質(zhì)量濃度75%四種配比的抗拉強(qiáng)度。如此選擇的原因在于這四組配比是將四種灰砂比和質(zhì)量濃度按照一高一低的方式組合，對比這四種組合的抗拉強(qiáng)度可以定性分析灰砂比與質(zhì)量濃度影響程度的大小。

從圖10可以看出，大多數(shù)情況下隨著灰砂比的降低，尾砂膠結(jié)充填體的抗拉強(qiáng)度也隨之降低，抗拉強(qiáng)度降低的幅度隨著質(zhì)量濃度的提高而降低。當(dāng)齡期為7 d和14 d時，灰砂比1∶10、質(zhì)量濃度75%的尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度并不是四種配比里的最低值，說明尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度對灰砂比的敏感性高于質(zhì)量濃度，但當(dāng)質(zhì)量濃度≥75%，質(zhì)量濃度對尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度的影響程度逐漸向灰砂比靠近。

圖10 相同齡期，不同配比條件下尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度Fig.10 Tensile strength of cemented backfill with different cement-sand ratio and slurry solid content at the same curing ages

之前的研究表明，質(zhì)量濃度≥75%時尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度的敏感性有較大變化，因此在比較對質(zhì)量濃度與齡期的敏感性差異時選擇質(zhì)量濃度72%與齡期7 d、質(zhì)量濃度70%與齡期14 d、質(zhì)量濃度68%與齡期28 d三種工況下尾砂膠結(jié)充填體的抗拉強(qiáng)度。從圖11中可以看到，尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度的變化不盡相同，當(dāng)灰砂比為1∶6和1∶10時，三種組合的抗拉強(qiáng)度幾乎相等，表明尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度對這兩種因素的敏感性接近。因此，尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度對灰砂比的敏感程度最高，對齡期的變化相對不敏感。

圖11 相同灰砂比，不同質(zhì)量濃度和齡期條件下的尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度Fig.11 Tensile strength of cemented tailings backfill with different slurry solid content and curing ages at the same cement-sand ratio

6 結(jié) 論

針對尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度測試以及變化規(guī)律方面存在的空白，本文提出了一種利用壓-拉轉(zhuǎn)換裝置帶模加載的直接拉伸試驗(yàn)法，設(shè)計(jì)加工了相應(yīng)的試驗(yàn)裝置與養(yǎng)護(hù)模具，使用該方法獲得了47種工況尾砂膠結(jié)充填體的抗拉強(qiáng)度，并分析了抗拉強(qiáng)度分別隨灰砂比、質(zhì)量濃度、齡期的變化規(guī)律，得到了以下結(jié)論。

1)利用壓-拉轉(zhuǎn)換的方式對尾砂膠結(jié)充填體進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)是可行的，但不便對抗拉強(qiáng)度小于100 kPa的充填體進(jìn)行試驗(yàn)。

2)尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度隨灰砂比、質(zhì)量濃度和齡期的變化關(guān)系可以分別用線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和對數(shù)函數(shù)表示。

3)當(dāng)質(zhì)量濃度≥75%時，較小的濃度提升會顯著增加尾砂膠結(jié)充填體的抗拉強(qiáng)度，在相同的抗拉強(qiáng)度需求下，將質(zhì)量濃度提高至75%以上可以降低水泥用，降低充填成本。

4)灰砂比對于尾砂膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度的影響最大，其次是≥75%的質(zhì)量濃度，齡期與其他質(zhì)量濃度對抗拉強(qiáng)度的影響相差不大。