礦山充填新型膠凝材料添加量與充填體抗壓強度關系研究

高志榮 藍國龍 張 亭

（1.西北礦冶研究院；2.甘肅省深井高效開采與災變控制工程實驗室；3.內蒙古東升廟礦業有限責任公司）

礦產資源被譽為工業的糧食和血液［1］，礦業的發展，雖然為現代工業提供原材料，但是對生態環境產生了嚴重破壞。如何平衡礦山開采與環境保護之間的關系，成為本領域急需攻克的技術難題。

充填采礦法的成熟、規模和集成化應用無疑為礦業可持續發展指明了方向。據不完全統計，充填采礦法在有色金屬地下礦山采出礦石比重從90年代的17%逐漸上升至45%［2］。充填采礦法固有無廢、少廢、安全、資源回收率高等優點，但由于充填成本較高，特別是膠結充填法中膠凝材料的價格，使許多礦山企業承擔不起，導致未能采用。

尋求一種適合礦山充填要求且低成本的新型膠凝材料成為膠結充填采礦的關鍵。由于粉煤灰具有比表面積大、吸附性能良好等特點，在水泥、混凝土和建材生產有著廣泛的應用。粉煤灰硅酸鹽水泥因具有早期強度低、后期強度增進率大、和易性好、干縮性小、抗淡水和抗硫酸鹽的腐蝕能力強和水化熱低等獨特性能而得到廣泛應用。因此，粉煤灰的獨特性亦能適合于礦山井下充填，在采空區膠結充填處理中，正好可以利用粉煤灰后期強度增進率大、強度高的特性，在確保滿足充填體強度要求的前提下，適當地減少膠凝材料的添加量，從而降低充填成本。

該研究將以粉煤灰為主要對象，研發一種用于礦山井下充填的新型膠凝材料，并對利用新材料澆筑成的試塊抗壓強度及其添加量之間的數量關系進行探索，開辟粉煤灰在礦山膠結充填領域的利用途徑。

1 試驗原料

1.1 尾 砂

試驗采用全尾砂，即選礦工藝流程處理完之后的擬排至尾礦庫含所有粒徑的尾砂。取樣過程中為了保證取到全尾砂，避免礦漿中粗顆粒尾砂過早沉降、細顆粒尾砂漂流從而導致出現分級，采用桶接取尾礦濃密機底流礦漿。接取礦漿經沉淀去除水分、再經晾曬后用于試驗。配制澆筑試塊時需對尾砂所含水分進行檢測，以確保所配漿體濃度的準確性。

尾砂的粒徑分布不僅影響料漿的和易性，而且影響管道輸送，充填體密實性、強度等，是充填設計中一項重要參數。試驗中采用光譜粒度分析儀對尾砂粒徑進行測定，檢測結果見表1。

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1.2 膠凝材料

試驗所用的膠凝材料是一種主要成分為粉煤灰的新型材料。此新型膠凝材料是在粉煤灰中加入一定量的活化劑和石膏，活化劑主要作用是激發粉煤灰的膠結性，石膏主要是改善流動性。

粉煤灰是由煤炭燃燒后從爐膛煙道氣體中收集的一種粉末，是以硅、鋁、鈣等一種或多種氧化物為主要成分，具有一定細度、膠凝性能的粉體材料［3］。大量存在于煤電廠、冶煉廠和城市集中供熱鍋爐等用煤大戶企業。據我國用煤情況，燃用1 t 煤約產生250～300 kg粉煤灰［4］。

隨著我國工業的發展，粉煤灰排放量逐年增加，成為當前我國排量較大的工業廢渣。大量的粉煤灰不加處理，會產生揚塵污染大氣，排入水系造成河流淤塞，而其中的有毒化學物質還會對人體和生物造成危害［5-8］。

2 配比試驗

2.1 試驗內容及試塊制作

2.1.1 試驗內容

在經過數次探索試驗后，最終確定的試驗方案是尾砂與膠凝材料的質量比為1∶4，1∶6，1∶8，1∶12，1∶16 共5 種，配制砂漿中固體質量濃度為64%，68%，72%3種，共計15組配比試驗。

根據探索試驗中試塊前期強度增長較慢的特性，試塊強度測試齡期按照7，14，28 d 設計。為保證每組不同齡期的試塊至少有3 個能進行有效強度檢測，開始澆筑時統一澆筑4 個，留有1 個備用。本次配比試驗澆筑試塊共計180個。

2.1.2 試塊制作

按照試驗方案確定的配比和濃度，采用精度為0.01 g的電子天平秤分別稱取膠凝材料、尾砂和水。

將精確稱量的3 種原料加入JJ-5 型水泥膠砂攪拌機進行充分攪拌，攪拌均勻后倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 砂漿試模。澆筑試塊終凝脫模后，放入恒溫恒濕養護箱養護到設計期齡取出后進行強度的檢測［9］。試塊砂漿攪拌及澆筑過程如圖1 所示。

2.2 試塊強度檢測

試塊強度檢測采用RMT-301 力學實驗系統，由計算機控制的多功能電液伺服試驗機，主要用于混凝土和巖石一類材料的力學性能試驗［9］。該系統試驗過程中自動繪制試驗參數曲線、計算試驗數據，全程由計算機操作控制。

3 試驗數據統計及初步分析

3.1 抗壓強度統計

經RMT-301力學實驗系統對所有期齡試塊進行單軸抗壓強度檢測，按照現行國家標準《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2010），同組3 個試塊強度最大值和最小值與中間值之差不超過15%的取算數平均值，有一個超過15%的取中間值，否則該組試件的強度不應作為評定的依據，須重新進行澆筑和檢測［9］。

經統計，配比試驗方案試塊單軸抗壓強度見表2。

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3.2 機理及數據分析

3.2.1 凝結硬化機理

試驗中試塊凝結硬化的主要原因是膠凝材料中粉煤灰所含的硅酸鹽、鋁酸鹽和鈣的氧化物，其硬化機理與水泥基本相似，不同點在于前期水化反應的表現。高鈣粉煤灰通常加水后能有比較強烈的反應，而低鈣粉灰這種水化反應則比較弱［10］。硬化后期，新型膠凝材料才開始表現出粉煤灰優良的性能，隨著期齡的增長強度逐漸增大。試驗中將部分試塊養護至60 d 進行檢測，其抗壓強度較28 d 提高了69%～127%。

3.2.2 數據分析

從試驗數據可以看出，影響試塊強度的主要因素為濃度和配比。隨著料漿濃度的增大，總體上試塊各齡期的強度也逐漸增大；當料漿濃度一定時，膠凝材料在一定的范圍內添加量越多，試塊強度越大［9，11］。濃度對試塊強度的影響主要表現在早期，而決定最終強度的主要還是配比，即膠凝材料的添加量。

4 強度增長數量關系研究

4.1 線性回歸方程的建立

基于新型膠凝材料的凝結硬化機理研究和試塊單軸抗壓強度數據的初步分析，在一定范圍內，試塊抗壓強度與膠凝材料的添加量存在某種線性數量關系。假設抗壓強度（y）與主要影響因素膠凝材料的添加量（x）之間存在線性關系，則有

式中，e為估計y而產生的誤差，在實際估算中是無法預測的，因而忽略。

每組配比膠凝材料添加量（xi）與對應的抗壓強度（yi），即（xi，yi）為（x，y）樣本中的一組數據，因而有

式中，n為樣本組數，xi、yi為自變量x和因變量y的觀察值或實際值（對于任何一個觀察值都有一個擬合值或預測值［12］）；xˉ、yˉ為自變量x和因變量y的平均值。

將膠凝材料的添加量（xi）與對應的抗壓強度（yi）代入式（2）～式（6）中，計算得到不同期齡線性方程式的a、b值。

經計算，7 d 時，a= -0.11，b= 3.5，y=3.5x-0.11；14 d 時，a= -0.42，b= 9.81，y= 9.81x-0.42；28 d 時，a=-0.71，b=20.60，y=20.6x-0.71。

4.2 相關性檢驗

利用相關系數檢驗法對建立的一元線性方程進行檢驗。相關系數是描述2 個變量之間線性相關關系密切程度的數量指標，用R表示。R的絕對值越接近1，表明其線性關系越好［13-14］。

相關系數檢驗公式為

將對應樣本數據代入式（6）中，得到期齡7，14，28 d的相關系數：R7=0.72，R14=0.86，R28=0.93。

查閱相關系數檢驗表，R臨界值為0.8。大于臨界值，則變量x和y之間的線性關系成立；否則，不成立。

根據計算結果和臨界值，期齡為7 d 的線性回歸方程不成立，變量x（膠凝材料添加量）和y（單軸抗壓強度）之間不存在線性關系，主要原因在于新型膠凝材料中粉煤灰前期水化反應不穩定。方程中線性關系最密切的是期齡28 d，其次是期齡14 d，從線性關系的密切程度側面印證了粉煤灰凝結硬化時間較長、后期強度較高的特性。

5 結 論

（1）通過對試驗原料選取方法、試塊制作步驟及主要注意事項的介紹，讓礦業領域專業人員較為詳盡地了解試驗內容。試驗方案具有較強的可操作性和借鑒性，為同類型的試驗研究提供了較高的參考價值。

（2）通過對試塊凝結硬化機理的研究和抗壓強度的統計分析，利用一元線性回歸法擬合出新型膠凝材料添加量x和抗壓強度y之間增長變化的數量關系，7 d 時，y=3.5x-0.11；14 d 時，y= 9.81x-0.42；28 d時，y=20.6x-0.71，可快速計算不同抗壓強度要求下膠凝材料的添加量，為礦山膠結充填提供理論數據支撐。

（3）利用相關系數檢驗法得出新型膠凝材料添加量x和抗壓強度y方程中線性關系最密切的是期齡28 d，其次是期齡14 d，從線性關系的密切程度側面印證了粉煤灰凝結硬化時間較長、后期強度較高的特性。

（4）該探索研究在工程上大規模化的應用，既解決了粉煤灰大量堆放所引發的一系列環境問題，同時為采用膠結充填采礦法的礦山找到一種相對低成本的膠凝材料，降低了礦山井下充填成本，可以更廣泛推廣充填采礦法的應用。