混合骨料粒徑級配對充填體早期強度的影響*

巴 蕾 周 堯 卓慶奉 王 晶 岑 旺

（1.鄂爾多斯職業(yè)學院；2.內蒙古伊泰集團有限公司）

充填采礦法具有提高資源回收率、防止地表及建筑物沉陷、控制采場地壓和保護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境等諸多優(yōu)點，越來越受到國內外礦山的青睞［1-4］。目前金川公司棒磨砂的供應量無法滿足超大充填的需求，急需既廉價又充足的材料來補充［5］。礦區(qū)周邊有豐富的采掘廢石、選礦尾砂，因此，開展廢石-棒磨砂混合骨料級配分析及其對充填體早期強度影響的研究，對指導礦山充填采礦具有重要理論意義和工程實踐價值。

目前，專家學者關于混合骨料級配與其對充填料漿或充填體性能強度影響開展了大量研究。如王國強等［6］進行了喀拉通克銅鎳礦戈壁-冶煉渣膠結充填試驗研究；WU D等［7］研究了粉煤灰-尾砂煤矸石膠結充填體吸能特性；董培鑫等［8］研究了全尾砂、戈壁砂與棒磨砂組成的混合充填集料的級配特征與料漿流動性變化規(guī)律；楊曉炳等［9］研究了早強劑對固結粉膠凝材料混合骨料充填體強度的影響規(guī)律；張修香等［10］研究了戈壁砂-尾砂混合骨料的充填料漿管輸特性及流變特性?，F(xiàn)有研究均表明，改變充填骨料粒徑對料漿性能及凝結后的充填體強度有所影響。因此，本文以金川集團龍首礦為工程背景，采用廢石-棒磨砂組成的混合骨料，通過篩分試驗和早強試驗，研究不同配比混合骨料的粒徑特征值變化規(guī)律，分析了質量濃度、膠砂比和廢石摻量對充填體早期強度的影響，基于充填體試塊剖面結構進行粒徑級配與早期強度的相關分析，為廢石-棒磨砂混合骨料充填采礦技術的推廣應用奠定基礎。

1 試驗原料

試驗材料由充填骨料、水泥和水組成。充填骨料有棒磨砂、廢石，棒磨砂為戈壁集料經棒磨工藝所生產，廢石為礦山生產掘進時及采礦過程中產生的廢石，棒磨砂、廢石的物化特性分析見表1，粒徑級配如圖1 所示。水泥為42.5R 普通硅酸鹽水泥，水為室內自來水。

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2 混合骨料粒徑級配分析

針對棒磨砂和廢石2種粗骨料，設計不同質量比（廢石∶棒磨砂=1∶9、2∶8、3∶7、4∶6）組成的混合骨料進行篩分試驗方案，混料后進行粒度篩分，并進行級配分析。其中，篩分試驗選取試樣1 000 g，利用振篩機震動3 min 后手動篩分直到每一層篩上顆粒質量無變化為止，每種方案試驗3 次，取平均值作為最終試驗結果。

4 種試驗方案進行相應混合骨料粒徑篩分試驗，結果如表2所示。

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根據(jù)混合骨料粒徑測試結果，計算粒徑分布特征值，曲率系數(shù)CC、不均勻系數(shù)CU、加權平均粒徑dav和級配指數(shù)n的計算方法［11］為

式中，d10、d30、d60為累計含量為10%、30%、60%顆粒能通過的篩孔直徑，mm；di為每一個篩分粒徑的上限粒徑和下限粒徑的平均值，mm；Gi為該粒徑在總試樣中所占的質量百分比，%；m為篩分時的粒級數(shù)；P為混合骨料中通過某篩孔的粒徑di占總量的百分率，%；Dmax為混合骨料的最大粒徑，mm。

圖2 為混合骨料中廢石摻量與曲率系數(shù)及不均勻系數(shù)的關系。從圖2 可以看出，隨廢石摻量增加，混合骨料的不均勻系數(shù)呈先減小后增大的趨勢，不均勻系數(shù)變化范圍為10.29～10.63，表明混合骨料大小分布范圍大，級配良好；混合骨料的曲率系數(shù)隨廢石摻量提高，表現(xiàn)出波動式折線變化規(guī)律，在廢石摻量20%時，曲率系數(shù)達到最大，為0.89，而在廢石摻量30%時，曲率系數(shù)達到最小，為0.59，不同廢石摻量的混合骨料曲率系數(shù)均未超過1，因此混合骨料缺失中間粒徑。

圖3 為混合骨料中廢石摻量與加權平均粒徑及級配指數(shù)的關系。加權平均粒徑反映了混合骨料整體粒徑分布情況，尤其是粗顆粒的分布，而級配指數(shù)則表征了骨料密實度，通常取n=0.3～0.7 時，有良好的密實度。從圖3 可見，加權平均粒徑與級配指數(shù)隨廢石摻量增加的變化規(guī)律一致，均為整體上增大及局部（廢石摻量30%）緩慢減??；廢石摻量由10%增至40%，加權平均粒徑由1.83 增加到2.23，摻入廢石后混合骨料中的粗顆粒含量增多，混合骨料粒徑分布范圍變廣。級配指數(shù)的變化范圍為0.50～0.59，不同廢石摻量的混合骨料密實度良好，級配分布滿足工業(yè)生產標準，有利于保證充填體早期強度。

3 混合骨料充填體早期強度試驗

3.1 試驗方案

利用42.5R 普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料與混合骨料進行充填體早期強度試驗，以廢石棒磨砂按質量比組成的混合骨料作為充填體骨料，其中廢石摻量為10%，20%，30%和40%?？紤]到料漿實際制備中的系統(tǒng)波動，同時選取不同膠砂比（1∶4，1∶5，1∶6）及不同質量濃度（78%，80%，82%），利用全面試驗法進行充填體早期（3 d）強度試驗，標準養(yǎng)護至相應期齡后測定單軸抗壓強度。

3.2 質量濃度及膠砂比對早期強度的影響

充填體早期強度與質量濃度關系如圖4 所示?？梢钥闯觯谙嗤瑮l件下，充填體早期強度隨料漿質量濃度增加而增加，如在膠砂比1∶4 和廢石摻量10%時，早期強度由2.14 MPa 增至2.79 MPa 后繼續(xù)增加到3 MPa。這是由于當質量濃度達到一定程度時，只要早期水化反應所需水分充足，充填體中單位體積內所含膠凝材料與骨料質量更大，尤其是骨料的含量更大，這更有利于充填體形成更為密實的骨架結構，也有利于膠凝材料更快形成緊密膠結體，這大大提高了充填體的早期抗壓強度。

充填體早期強度與膠砂比關系如圖5 所示?？梢钥闯?，在相同條件下，充填體早期強度隨膠砂比的減小而減小，如在質量濃度78%和廢石摻量10%時，早期強度由2.14 MPa 減至1.4 MPa 后繼續(xù)減小到1.38 MPa。這是由于膠砂比越小，單位充填體中膠凝材料含量越少，參與水化反應的膠凝材料含量過少，影響充填骨料與水泥的正常膠結，導致充填體早期 強度降低。

3.3 廢石摻量對早期強度的影響

充填體早期強度與廢石摻量關系如圖6 所示?？梢钥闯?，在相同條件下，充填體早期強度隨廢石摻量的增大呈先減小后增大又減小的趨勢，如在質量濃度82%和膠砂比1∶4 時，早期強度由3 MPa 先減至2.09 MPa 后增大到3.6 MPa 又減小到1.47 MPa。這可能是由于曲率系數(shù)、不均勻系數(shù)、加權平均粒徑和級配指數(shù)等特征值變化規(guī)律不一致，綜合作用下所造成的。綜合可知，混合骨料中，在廢石摻量為30%充填體早期強度最優(yōu)。

3.4 粒徑級配與早期強度的相關分析

充填體早期強度與廢石摻量間的變化規(guī)律復雜，利用內部剖面結構進行粒徑級配與早期強度的相關分析。由圖7 可見，摻入廢石后，充填體形成廢石-棒磨砂混合結構骨架，骨料結構中出現(xiàn)廢石顆粒，隨著廢石摻量的不斷增加，充填體試塊剖面以細顆粒為主，并且其中粗顆粒數(shù)量不斷增多，主要有4 個變化階段。在廢石摻量10%時，粗顆粒較少，基本由棒磨砂顆粒均勻分布，保證了充填體的早期強度。增加廢石摻量至20%，粗顆粒不均勻的布置于內部剖面上，粗顆粒相對離散分布導致了充填體早期強度下降。繼續(xù)增大廢石摻量，粗、細顆粒均勻分布，結構緊湊且相對密實，是廢石摻量為30%充填體早期強度最優(yōu)的原因。但當廢石摻量增至40%時，粗顆粒幾乎全部沉降到底部，粗、細顆粒在內部剖面的中間位置出現(xiàn)了明顯的分界，即發(fā)生了嚴重的離析現(xiàn)象，最終導致了充填體早期強度突然大幅下降。

4 結 論

（1）隨廢石摻量增加，混合骨料的不均勻系數(shù)呈先減小后增大的趨勢，而曲率系數(shù)呈現(xiàn)波動式折線變化規(guī)律，加權平均粒徑與級配指數(shù)隨廢石摻量增加，均表現(xiàn)為整體上增大及局部（廢石摻量30%）緩慢減小的變化趨勢。不同廢石摻量的混合骨料粒徑分布范圍大，密實度良好，滿足工業(yè)生產標準，有利于保證充填體早期強度。

（2）在其他條件不變的情況下，充填體早期強度隨料漿質量濃度或膠砂比的增大而增大，隨廢石摻量的增大呈先減小后增大又減小的趨勢，充填體早期強度達到最優(yōu)的廢石摻量為30%。

（3）廢石摻量由10%增至40%時，混合骨料充填體試塊剖面經歷了4個階段變化，分別為以棒磨砂為主的細顆粒均勻分布階段，粗顆粒相對離散不均勻分布階段，結構相對密實的粗、細顆粒均勻分布階段，離析分界線上下間隔粗、細顆粒分布階段，是充填體早期強度先減小后增大又減小的主要原因。