不同加載速率下全尾砂固結(jié)體抗拉力學(xué)特性研究

程愛平 周成頌 王 平 陳國舉 周亞峰

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430081;2.鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室,甘肅 金昌 737100)

我國礦產(chǎn)資源種類繁多,性質(zhì)各異用途廣泛,經(jīng)過一系列復(fù)雜的采礦作業(yè)和選礦工藝后,在產(chǎn)出有用礦物的同時,也產(chǎn)生了大量的礦山固體廢棄物,也就是尾礦。尾礦庫的存在不僅造成了土地資源的浪費,而且隨著地下深部礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā),地表沉陷形成塌陷坑,嚴(yán)重破壞和影響地表環(huán)境?，F(xiàn)階段,針對采礦作業(yè)活動引起的地表塌陷,常用的方法是直接利用礦山固體廢棄物對塌陷坑進行回填[1],但是容易造成回填體大規(guī)模塌陷、井下泥石流等次生災(zāi)害,基于此,利用全尾砂固結(jié)回填[2]對礦山塌陷坑進行治理,可以實現(xiàn)真正意義上的“一廢治兩害”。

塌陷坑全尾砂固結(jié)體在井下開采過程中主要受到拉破壞,固結(jié)體抗拉強度的大小除了與材料本身的濃度、配比、養(yǎng)護齡期、溫度等因素[3-6]有關(guān)以外,還與加載速率直接相關(guān),井下爆破擾動、回采速度等都會影響固結(jié)體的受載速率,如何保證開采過程中塌陷坑全尾砂固結(jié)體的穩(wěn)定性至關(guān)重要。目前,許多學(xué)者對加載速率影響下的巖石及類巖石材料的抗壓強度特性開展了廣泛研究,李福林等[7]對泥巖的單軸抗壓強度特性及蠕變變形進行了加載速率效應(yīng)研究,得出加載速率與蠕變變形量關(guān)系呈正相關(guān);侯永強等[8]開展了5 種不同加載速率下的充填體單軸壓縮實驗,探討了不同加載速率下充填體的能耗演化過程,發(fā)現(xiàn)充填體的強度存在臨界加載速率現(xiàn)象;Cao 等[9]研究了固化180 d 的充填體抗壓強度和聲發(fā)射特性,結(jié)果表明加載速率對充填體的長期強度具有強化效應(yīng);Fischer 等[10]研究得出了在應(yīng)力速率為0.01～100 MPa/s 的準(zhǔn)靜態(tài)狀態(tài)下,2 d 養(yǎng)護齡期的水泥漿體抗壓強度隨加載速率的增加而增加的規(guī)律;唐一舉等[11]對煤巖材料單軸壓縮條件下的破壞特征進行了加載速率效應(yīng)研究,試驗結(jié)果顯示試樣破壞形態(tài)與能量演化均與加載速率密切相關(guān);王云飛等[12]分別對干燥和飽水狀態(tài)下的砂巖進行了不同加載速率下的單軸壓縮試驗,研究發(fā)現(xiàn)隨加載速率的增加,拉伸破壞裂隙所占百分比增加;Ma Qing 等[13]對煤巖復(fù)合材料進行了加載速率效應(yīng)研究,研究結(jié)果表明煤巖復(fù)合材料的強度、變形、聲發(fā)射(AE)和能量演化均具有一定的加載速率效應(yīng)。

上述研究表明加載速率對巖石及類巖石材料的抗壓強度特性影響較大。也有少量的學(xué)者對巖石及類巖石材料抗拉強度的加載速率效應(yīng)開展了相關(guān)研究[14-18],但對處于開采活動過程中的塌陷坑全尾砂固結(jié)體,這一特殊工況下低強度材料抗拉強度特性的加載速率效應(yīng)研究較少。

基于此,本文制作不同濃度及配比的全尾砂固結(jié)體試樣,開展不同加載速率下的抗拉試驗,探討不同加載速率下固結(jié)體抗拉強度、變形、破壞模式及能量演化特征,揭示加載速率對固結(jié)體抗拉破壞的影響機理,為保障礦山安全開采提供指導(dǎo)意見。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗原料

全尾砂固結(jié)體抗拉試驗所用尾砂均取自程潮鐵礦尾礦庫,尾砂的選取采用以尾礦庫尾礦流出口向庫內(nèi)中心的延伸線為軸線,沿途每隔相同距離共選取6個點,并從所選點獲取試驗所需全尾砂的方法[19]。尾砂顆粒粒徑組成如圖1 所示,不均勻系數(shù)5.62,曲率系數(shù)1.25。采用32.5#普通硅酸鹽水泥作為膠結(jié)材料,試驗用水為試驗室內(nèi)自來水。

圖1 全尾砂顆粒粒徑組成Fig.1 Particle size composition of full tailings

1.2 試驗原理

為了研究不同加載速率下全尾砂固結(jié)體的抗拉強度特性,試驗參照《GBT 50081—2019 混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》,制作出抗拉試驗所需的2 塊橫截面半徑為75 mm、長100 mm、寬100 mm、厚20 mm 的鋼制弧形墊塊,以及長度為100 mm,寬度為20 mm,厚度為3 mm 的木質(zhì)墊條,結(jié)合WDW-100kN型微機電子萬能試驗機對固結(jié)體進行抗拉試驗,間接測得其抗拉強度。抗拉試驗原理見圖2。

圖2 抗拉試驗原理圖Fig.2 Schematic diagram of tensile test

如圖2 所示,利用弧形鋼制墊塊給方形試樣沿中軸線施加徑向的線荷載,試樣在壓縮線荷載作用下沿著垂直于徑向加載方向的水平方向產(chǎn)生拉應(yīng)力,直至試樣發(fā)生破壞。由于全尾砂固結(jié)體的強度較低,墊條的存在是為了避免提供線荷載的墊塊與試樣直接接觸,產(chǎn)生局部破壞,進而影響試驗結(jié)果。根據(jù)《GBT 50081—2019 混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》,全尾砂固結(jié)體抗拉強度按下式進行計算:

式中,fts為固結(jié)體劈裂抗拉強度,MPa(對于試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的方形試樣,算得抗拉強度值應(yīng)乘以尺寸換算系數(shù)0.85);F為試樣破壞荷載,N;A為試樣劈裂面面積,mm2。

1.3 試驗方案

本次試驗設(shè)計制作3 種不同配比(1 ∶4、1 ∶6、1 ∶8)和不同濃度(68%、72%、76%)的全尾砂固結(jié)體試樣,設(shè)計采用5 種不同的加載速率(0.01、0.02、0.05、0.1、0.2 kN/s)進行加載。為了減少試驗誤差,同一加載速率、濃度、灰砂比制作3 個試樣,總計54 個試樣。試樣命名方式為L(M、H)-4(6、8)-1(2、3、4、5),L、M、H 分別代表濃度68%、72%、76%,4、6、8 分別代表灰砂比1 ∶4、1 ∶6、1 ∶8,1、2、3、4、5 分別代表加載速率0.01、0.02、0.05、0.1、0.2 kN/s。例如H-6-2,即為濃度為76%,灰砂比為1 ∶6,加載速率為0.02 kN/s 的試樣。

根據(jù)《GBT 50081—2019 混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》,配置9 種全尾砂固結(jié)體料漿,料漿通過漏斗澆筑到方形鋼制模具中,充分振蕩,最終制作成尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的方形試樣。試樣放置于養(yǎng)護環(huán)境為溫度20±0.5 ℃,相對濕度為96%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護,養(yǎng)護齡期為28 d。在試驗開始前,對試樣表面進行處理,用502 膠水將墊條粘貼固定在試樣的上下面中心處,然后將試樣放在試驗機下承壓板的中心位置,在試樣與上下壓板之間放置弧形鋼制墊塊各1 塊,墊塊應(yīng)與試樣上下面的中心線對準(zhǔn);啟動試驗機,使試樣與加載臺接觸,采用應(yīng)力控制模式加載,試驗流程見圖3。

圖3 試驗流程Fig.3 Test flow chart

2 試驗結(jié)果

圖4 為5 種不同加載速率下不同配比不同濃度全尾砂固結(jié)體試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。由圖4 可知,隨著配比及濃度的提升,全尾砂固結(jié)體試樣抗拉強度逐漸增大,抗拉強度最低的為濃度68%、灰砂比1 ∶8的6 個試樣,均低于0.1 MPa,抗拉強度最高的為濃度76%、灰砂比1 ∶4 的6 個試樣,在0.33～0.4MPa之間;灰砂比為1 ∶8 和1 ∶6 的全尾砂固結(jié)體整體強度都很小,濃度的變化對其抗拉強度影響并不大,隨著加載速率的增大,其抗拉強度整體有增大的趨勢,灰砂比為1 ∶4 的固結(jié)體抗拉強度明顯受濃度影響較大;不同的加載速率下固結(jié)體試樣抗拉強度不同,低濃度低配比的固結(jié)體試樣抗拉強度受加載速率影響波動 較大。

圖4 不同加載速率下全尾砂固結(jié)體抗拉強度壓應(yīng)力應(yīng)變曲線 Fig.4 The compressive stress-strain curves of the tensile strength of full tailings consolidation under different loading rates

3 討論

3.1 不同加載速率下固結(jié)體試樣抗拉強度與變形特征

圖5 為5 種不同加載速率下不同配比不同濃度全尾砂固結(jié)體試樣的強度變化曲線圖,本文以灰砂比為1 ∶4,濃度為76%的固結(jié)體試樣為例進行分析。當(dāng)加載速率為0.01 kN/s 時,固結(jié)體抗拉強度較高,這是由于固結(jié)體為人工制作的含不同粒徑的骨料、膠凝材料以及水混合而成的非均質(zhì)材料,固結(jié)體內(nèi)部含有大量孔隙和裂隙,低速率加載對固結(jié)體內(nèi)部的原始孔隙存在壓密效應(yīng),減少了試樣內(nèi)部的孔隙裂隙數(shù)量,略微提高了固結(jié)體的抗拉強度。當(dāng)加載速率為0.02 kN/s 時,固結(jié)體抗拉強度降低,此時壓密效應(yīng)減弱,部分孔隙和裂隙得到了充分的發(fā)育。當(dāng)加載速率為0.05 kN/s 時,固結(jié)體抗拉強度降為最低,此時壓密效應(yīng)完全消失,固結(jié)體內(nèi)部的裂隙得到了充分的發(fā)育。當(dāng)加載速率為0.1 kN/s 時,固結(jié)體抗拉強度值大幅增加,此時固結(jié)體破裂演化時間大幅度減少,對孔隙發(fā)育存在抑制效應(yīng)。當(dāng)加載速率為0.2 kN/s時,固結(jié)體抗拉強度略微降低,孔隙發(fā)育抑制效應(yīng)趨于穩(wěn)定。

圖5 固結(jié)體抗拉強度與加載速率的關(guān)系Fig.5 The relationship between tensile strength and loading rate of consolidation

綜上可以看出,隨加載速率的不斷提高,固結(jié)體抗拉強度整體呈現(xiàn)先減小后增加最后趨于穩(wěn)定的規(guī)律性。將強度轉(zhuǎn)折點定為臨界加載速率[20],因此,本次試驗存在雙臨界加載速率,分別是第一臨界加載速率0.05 kN/s,第二臨界加載速率0.1 kN/s。

通常情況下,應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率接近穩(wěn)定的階段即為彈性變形階段,材料抵抗彈性變形能力的大小稱為彈性模量,單位為MPa;將峰值應(yīng)力點與原點間的割線斜率定義為變形模量,單位為MPa。圖6 給出的是不同加載速率下彈性模量與變形模量變化圖。由圖6 可知,固結(jié)體彈性模量和變形模量隨加載速率的變化規(guī)律與固結(jié)體的抗拉強度基本保持一致。在0.05 kN/s 的第一臨界加載速率下,固結(jié)體的彈性模量與變形模量達到最小值,說明此時固結(jié)體抵抗變形的能力最弱。在0.1 kN/s 的第二臨界加載速率下,固結(jié)體的彈性模量與變形模量達到最大值,說明此時固結(jié)體抵抗變形的能力最強。

圖6 不同加載速率下固結(jié)體彈性模量與變形模量變化Fig.6 Changes of elastic modulus and deformation modulus of consolidation under different loading rates

3.2 不同加載速率下固結(jié)體破壞模式

不同加載速率下的固結(jié)體最終破壞模式如圖7所示,固結(jié)體試樣整體主要破壞模式為拉伸破壞。

圖7 不同加載速率下固結(jié)體破壞模式Fig.7 Failure modes of consolidated body under different loading rates

進一步對圖7 進行分析可以得出:當(dāng)加載速率為0.01 kN/s 時,固結(jié)體試樣沿著加載方向形成1 條上下貫通的主裂縫,并在上端部產(chǎn)生了1 條較短的次生裂縫,裂紋總條數(shù)為2 條。由于低速率的壓密效應(yīng),使固結(jié)體內(nèi)部的大量微孔隙閉合,在一定程度上抑制了裂紋數(shù)量的產(chǎn)生。當(dāng)加載速率為0.02 kN/s 時,固結(jié)體中心產(chǎn)生上下貫通的主裂紋的同時,在右下方產(chǎn)生了1 條較長的次生裂縫,總裂紋條數(shù)為2 條,表明隨著加載速率的提高,壓密效應(yīng)減弱,固結(jié)體內(nèi)部微裂隙更易擴展成裂紋。當(dāng)加載速率增加到第一臨界加載速率0.05 kN/s 時,在試樣中心沿著加載方向產(chǎn)生了2 條相互交錯的主裂紋,同時在這2 條裂紋的左上方和右下方各產(chǎn)生了1 條較短的次生裂縫,裂紋總條數(shù)為4 條,表明低速率的壓密效應(yīng)完全消失,固結(jié)體內(nèi)部裂隙得到了充分發(fā)育。當(dāng)加載速率增加到第二臨界加載速率0.1 kN/s 時,固結(jié)體試樣沿著加載方向產(chǎn)生1 條上下貫通的主裂紋,同時在試樣中部位置沿水平方向產(chǎn)生了次生裂縫,裂紋總條數(shù)最少,為2 條。0.2 kN/s 的高加載速率左右兩邊各產(chǎn)生1 條次生裂縫,總裂紋條數(shù)為3 條,表明高加載速率對固結(jié)體內(nèi)部孔隙發(fā)育存在抑制效應(yīng)。

3.3 不同加載速率下固結(jié)體能量演化特征

對應(yīng)力應(yīng)變曲線進行積分,即可得出外部荷載輸入的總應(yīng)變能。能量演化方程[21]如下:

式中,W表示外部的荷載所輸入的總應(yīng)變能;We和Wd分別表示應(yīng)變過程中儲存在巖石內(nèi)的彈性應(yīng)變能和巖石破碎時的耗散能。W、We和Wd的單位均為kJ/m3,彈性應(yīng)變能的計算公式可簡化為

其中E為初始彈性模量。定義耗散能與彈性應(yīng)變能在某一時刻的比值為耗彈比λ,計算公式為

式中,Wid和Wie分別表示應(yīng)變過程中第i時刻巖石破碎時的耗散能和儲存在巖石內(nèi)的彈性應(yīng)變能。

本文以濃度為76%、灰砂比為1 ∶4 的全尾砂固結(jié)體試樣為例,探討不同加載速率下的全尾砂固結(jié)體能量演化規(guī)律。由圖8 可知,在0.01 kN/s 低速率加載下(圖8(a)),固結(jié)體的彈性應(yīng)變能增加緩慢,耗散能增長迅速,這是由于低速率作用下,試驗機對固結(jié)體做的功中很大一部分用于固結(jié)體內(nèi)部孔隙的壓密與發(fā)育,導(dǎo)致用于抵抗固結(jié)體整體變形的彈性應(yīng)變能較小,試樣破壞緩慢。在0.05 kN/s 的第一臨界加載速率下(圖8(c)),當(dāng)彈性應(yīng)變能達到峰值點后近乎垂直下降,與此同時耗散能垂直上升,表明此刻試樣發(fā)生了劇烈破壞,彈性應(yīng)變能迅速被釋放,這與圖7中固結(jié)體試樣在0.05 kN/s 加載速率下的破壞模式相一致。在0.1 kN/s 的第二臨界加載速率下(圖8(d)),固結(jié)體彈性應(yīng)變能增長較快,耗散能的增長明顯被削弱,這是由于在較高速率的作用下,固結(jié)體內(nèi)部孔隙來不及發(fā)育就迅速被破壞,彈性應(yīng)變能的作用發(fā)揮到了最大化,此時固結(jié)體強度達到最大。

圖8 不同加載速率下固結(jié)體能量演化過程Fig.8 Energy evolution and dissipation coefficient of consolidated samples under different loading rates

為表征不同加載速率下全尾砂固結(jié)體能量耗散規(guī)律,將總應(yīng)變能分為峰前應(yīng)變能和峰后應(yīng)變能(如圖9 所示),定義全尾砂固結(jié)體在破壞過程中某一時刻的耗散能與彈性應(yīng)變能的比值為耗彈比,分別獲得峰值耗彈比與最終耗彈比(如圖10 所示)。

圖9 應(yīng)變能隨加載速率變化Fig.9 Strain energy variation with loading rate

由圖9 可知,隨加載速率的增加,固結(jié)體的總應(yīng)變能及峰前應(yīng)變能都有整體提升的趨勢,0.01～0.2 kN/s 加載速率對應(yīng)總應(yīng)變能分別達到了3.74、4.04、3.96、4.59、4.39 kJ/m3,對應(yīng)的峰前應(yīng)變能分別占比為75.14%、68.33%、87.63%、79.30%、83.83%,即峰后應(yīng)變能對應(yīng)占比為24.86%、31.67%、12.37%、20.70%、16.17%;在0.05 kN/s 的第一臨界加載速率下,固結(jié)體的峰后應(yīng)變能占比最低,在0.1 kN/s 的第二臨界加載速率下,固結(jié)體的總應(yīng)變能最高。由圖10 可知,最終耗彈比先增大后減小,當(dāng)加載速率為0.05 kN/s 時,最終耗彈比達到最大;峰值耗彈比先減小后增大,當(dāng)加載速率為0.1 kN/s 時,峰值耗彈比達到最小。

圖10 耗彈比隨加載速率變化Fig.10 Ratio of dissipated energy to elastic strain energy changing with loading rate

4 結(jié)論

(1)低加載速率下,全尾砂固結(jié)體原始孔隙存在壓密效應(yīng),隨著加載速率的增加,壓密效應(yīng)逐漸消失。當(dāng)加載速率為0.05 kN/s 時,全尾砂固結(jié)體抗拉強度最低。高加載速率下,全尾砂固結(jié)體孔隙發(fā)育存在抑制效應(yīng),隨著加載速率的增加,抑制效應(yīng)先增大后減小,當(dāng)加載速率為0.1 kN/s 時,全尾砂固結(jié)體抗拉強度最高。全尾砂固結(jié)體彈性模量及變形模量的變化趨勢與抗拉強度一致。

(2)不同加載速率下,全尾砂固結(jié)體宏觀破壞模式均為拉伸破壞,裂紋數(shù)量隨加載速率變化顯著。當(dāng)加載速率低于0.05 kN/s 時,隨著加載速率的增加,固結(jié)體次生裂紋條數(shù)逐漸增加,破壞愈加明顯,在0.05 kN/s 時其裂紋條數(shù)達到峰值,同時破壞最為劇烈,說明此時固結(jié)體抵抗變形的能力最弱。0.1 kN/s加載速率下,固結(jié)體破壞較為迅速,破壞面完整,次生裂縫較少。

(3)當(dāng)加載速率低于0.05 kN/s 時,隨著加載速率的增加,固結(jié)體彈性應(yīng)變能增長緩慢,能量耗散較快。當(dāng)加載速率為0.05 kN/s 時,峰前應(yīng)變能占比最高,峰后應(yīng)變能占比最低,最終耗彈比最大。當(dāng)加載速率高于0.05 kN/s 時,固結(jié)體彈性應(yīng)變能增長較快,能量耗散較緩。當(dāng)加載速率為0.1 kN/s 時,固結(jié)體總應(yīng)變能最大,峰值耗彈比最小。

(4)全尾砂固結(jié)體抗拉強度特性存在明顯的加載速率效應(yīng),具有雙臨界加載速率:第一臨界加載速率(0.05 kN/s)作用下,固結(jié)體抵抗變形的能力較弱,整體抗拉特性較差;第二臨界加載速率(0.1 kN/s)作用下,固結(jié)體抵抗變形的能力較強,整體抗拉特性較好。