廢石摻量對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度及變形破壞的影響

于恩毅 黃旭東 王珍岐 黃晢航 龔甲桂

（1.北京科技大學(xué)高等工程師學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)冶金地質(zhì)總局山東正元地質(zhì)勘察院，山東 濟(jì)南，250014）

綠色采礦是當(dāng)今礦山開(kāi)采的發(fā)展方向，尾砂的地表堆存以及尾礦壩的穩(wěn)定性是當(dāng)今各個(gè)礦山重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。尾砂膠結(jié)充填不僅能夠保證井下安全開(kāi)采，還能解決礦山尾砂的堆存問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采［1-4］。目前，采用全尾砂膠結(jié)充填已經(jīng)不能滿足部分礦山的充填要求和經(jīng)濟(jì)要求，從而提出用一定量的粗骨料替代部分全尾砂進(jìn)行膠結(jié)充填。粗骨料的剛性骨架作用，能夠提高充填體的強(qiáng)度，并且能夠提高充填體的彈性模量，減小在載荷作用下的變形。此外，粗骨料由于內(nèi)部存在裂紋而具有一定的吸水率，吸附的水在一定程度上能夠改善充填體的后期養(yǎng)護(hù)［1］。在混凝土及混凝土集料相關(guān)術(shù)語(yǔ)的定義中，ASTM將粗骨料定義為集料中粒徑大于4.750 mm的顆粒，但全尾砂顆粒較細(xì)，與定義粒徑相比差距較大，會(huì)造成粒徑效應(yīng)，從而影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，基于此，本次研究擬訂粗細(xì)骨料界限為1.000 mm，即礦山廢石作粗骨料的最小摻入粒徑為1.000 mm。

本研究采用控制變量的實(shí)驗(yàn)思路，結(jié)合SEM電鏡掃描與XRD試驗(yàn)手段，探究在廢石—全尾砂混合骨料下膠結(jié)充填體強(qiáng)度特性，探明廢石摻量對(duì)全尾砂—廢石膠結(jié)充填體強(qiáng)度及變形特性的影響規(guī)律以及機(jī)理。通過(guò)研究，可以揭示廢石最優(yōu)摻入量或摻入范圍，對(duì)實(shí)現(xiàn)礦山的經(jīng)濟(jì)開(kāi)采具有十分重要的理論價(jià)值與突出的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 混合骨料

全尾砂是指沒(méi)有經(jīng)過(guò)分級(jí)脫泥的尾砂。全尾砂含有較多細(xì)粒級(jí)顆粒，細(xì)顆粒有較大的比表面積和較好的吸水性，與水吸附之后均勻填充在粗顆粒之間，保證了充填料漿的和易性、塑性和結(jié)構(gòu)面上固體顆粒間的穩(wěn)定性［5］。

廢石集料主要來(lái)源于井下開(kāi)拓與生產(chǎn)所產(chǎn)生的廢石。本實(shí)驗(yàn)所用廢石的最大粒徑為10 mm，不超過(guò)管道直徑的1/5，能夠滿足管道輸送要求，并且其級(jí)配能構(gòu)成良好的骨架結(jié)構(gòu)，可以作為充填料漿。

通過(guò)試驗(yàn)與分析，表1列舉了全尾砂與廢石的有關(guān)物理參數(shù)。使用LMS-30型激光粒度分析儀測(cè)定全尾砂與廢石的粒級(jí)分布，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。表2為XRD礦物組分分析結(jié)果。

分析圖1，表2可知，尾砂的主要成分為SiO2、MgO，其中含有部分 Fe2O3、CaO、Al2O3、SO3、K2O、TiO2等成分。尾砂主要為粒徑小于100 μm的顆粒，其中10～80 μm的占多數(shù)，有利于料漿制備與采場(chǎng)充填脫水。

1.2 膠凝材料

膠凝材料選用水泥標(biāo)號(hào)為R32.5級(jí)增強(qiáng)復(fù)合水泥，比重為3.1 t/m3，密度為1.1 t/m3，比表面積為3 100～3 300 cm2/g，化學(xué)成分如表2所示，主要成分為CaO和SiO2。

2 充填料漿配比實(shí)驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

充填體的強(qiáng)度主要取決于充填料漿的配比，即骨料、膠凝材料、水的配比。本實(shí)驗(yàn)采用控制變量的實(shí)驗(yàn)思路，控制灰砂比1∶5、料漿濃度75%、廢石摻量分別為40%～80%（梯度為5%），探究廢石摻量對(duì)3 d、7 d、28 d齡期充填體的抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，并作28 d齡期的應(yīng)力—應(yīng)變曲線探究其變形特性。

根據(jù)試驗(yàn)方案，將稱(chēng)量好的充填物料（全尾砂、廢石、水泥、水）倒入混合容器內(nèi)，強(qiáng)力攪拌形成均勻充填料漿。將攪拌好的料漿注入?50 cm×100 cm標(biāo)準(zhǔn)圓柱形模具，采用人工振搗的方法裝模，將制作好的試塊放至養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為22℃，養(yǎng)護(hù)濕度為95%。每種配比條件下制作試塊9個(gè)，使用壓力試驗(yàn)機(jī)分別在規(guī)定齡期測(cè)試充填體單軸抗壓強(qiáng)度，加荷速度為0.2 kN/s。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

廢石—全尾砂膠結(jié)充填體試樣在恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中分別養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d后，使用抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)儀測(cè)定其單軸抗壓強(qiáng)度，用Y1、Y2、Y3分別表示3個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

2.2.1 強(qiáng)度特性

以廢石摻量為x坐標(biāo)，28 d齡期單軸抗壓強(qiáng)度、破壞時(shí)總應(yīng)變量為y軸，繪制出散點(diǎn)圖并對(duì)其進(jìn)行線性擬合，結(jié)果分別如圖2、圖3所示。由圖可知：①隨著廢石摻量的提高，充填體的單軸抗壓強(qiáng)度呈逐漸減小的趨勢(shì)；②隨著廢石摻量的提高，充填體破壞時(shí)的最大應(yīng)變量變化不大。根據(jù)礦山充填開(kāi)采對(duì)充填體具體強(qiáng)度、減沉和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)等因素的要求，可以選擇不同廢石摻量的充填體。

由線性回歸方法可得，試件單軸抗壓強(qiáng)度y1和廢石摻量x的特征關(guān)系式：

試件破壞時(shí)的總應(yīng)變量y2和廢石摻量x的特征關(guān)系式：

2.2.2 變形特性

制備濃度為75%、灰砂比為1∶5、廢石摻量分別為40%、60%、80%的3組充填試件，對(duì)保養(yǎng)28 d的試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖4所示。

由圖4可知，試件壓縮過(guò)程中主要經(jīng)過(guò)了7個(gè)階段［6-8］：①微裂隙閉合階段，應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈明顯的下凹特征，由試樣內(nèi)部孔隙逐漸壓密導(dǎo)致；②短暫線彈性階段，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系近乎出現(xiàn)正相關(guān)；③端部裂隙擴(kuò)展破壞階段，應(yīng)力—應(yīng)變曲線出現(xiàn)應(yīng)力平臺(tái)，試件出現(xiàn)較大應(yīng)變，約占總應(yīng)變的15%～20%，由試件端部應(yīng)力集中及平整度不高導(dǎo)致應(yīng)力集中，致使端部部分優(yōu)先破壞導(dǎo)致；④端部裂隙閉合階段，應(yīng)力—應(yīng)變曲線再次出現(xiàn)下凹特征，主要由于端部破裂后產(chǎn)生的新裂隙被逐漸壓密導(dǎo)致；⑤線彈性階段，應(yīng)力—應(yīng)變近乎正相關(guān)；⑥微裂紋擴(kuò)展階段，應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈明顯的上凸特征，由試樣內(nèi)部軟弱部分應(yīng)力值已經(jīng)達(dá)到承載極限，逐漸產(chǎn)生裂隙導(dǎo)致；⑦裂紋貫通破壞階段，由于裂隙的產(chǎn)生，導(dǎo)致試樣內(nèi)部裂隙周?chē)鷳?yīng)力集中，裂紋快速擴(kuò)展，貫穿，直至充填體完全失穩(wěn)破壞。

從圖4中可以看出來(lái)，在較高濃度條件下，試件彈性較好，應(yīng)力—應(yīng)變曲線沒(méi)有很明顯的屈服過(guò)程；隨著廢石摻量的增加，其強(qiáng)度有所下降，其破壞時(shí)的總應(yīng)變量基本相同；其應(yīng)力—應(yīng)變曲線在初期基本重合，主要在端部裂隙閉合階段之后逐漸分開(kāi)。

3 影響機(jī)理

廢石摻量主要通過(guò)混合骨料堆積密實(shí)度影響充填體的強(qiáng)度［9-10］。粗骨料在充填體中主要起到骨架支撐的作用，水泥的水化產(chǎn)物充填在其孔隙之中，起到粘結(jié)加固的作用。在一定范圍內(nèi)，充填體中廢石摻量越大，在強(qiáng)度發(fā)展后期越容易形成完善的骨架支撐體系，使得強(qiáng)度越高［11-15］。為深入探究廢石摻量對(duì)充填體強(qiáng)度的影響機(jī)理，選取料漿配比為料漿濃度為75%，灰砂比為1∶5，廢石摻量分別為40%、50%、60%、70%、80%的28 d齡期充填體試塊進(jìn)行SEM電鏡掃描和XRD試驗(yàn)分析，電鏡掃描結(jié)果如圖5所示，XRD測(cè)試結(jié)果如圖6所示，可以看出隨著廢石摻量的增加，微觀結(jié)構(gòu)更加疏松，針狀物質(zhì)明顯增多，絮狀物與塊狀物明顯減少，孔隙比例也明顯增加，C-S-H和氫氧化鈣等水化產(chǎn)物的含量逐漸減少，水化反應(yīng)不充分，充填體強(qiáng)度也逐漸降低。由于粗骨料含量太多，所形成的骨架太大，水化產(chǎn)物相對(duì)較少未能充分填滿產(chǎn)生較多孔隙，對(duì)提高充填體強(qiáng)度產(chǎn)生了不利的影響。

4 結(jié)論

（1）隨著廢石摻量（≥40%）的增加，充填體試樣的單軸抗壓強(qiáng)度逐漸減小。

（2）隨著廢石摻量（≥40%）的增加，微觀結(jié)構(gòu)更加疏松，針狀物質(zhì)明顯增多，絮狀物與塊狀物明顯減少，孔隙比例也明顯增加，水化反應(yīng)不充分，充填體強(qiáng)度也逐漸降低。由于粗骨料含量太多，所形成的骨架太大，水化產(chǎn)物相對(duì)較少未能充分填滿產(chǎn)生較多孔隙，對(duì)提高充填體強(qiáng)度產(chǎn)生了不利的影響。

（3）試件壓縮過(guò)程中主要經(jīng)過(guò)了7個(gè)階段。在較高濃度條件下，試件彈性較好，應(yīng)力—應(yīng)變曲線沒(méi)有很明顯的屈服過(guò)程；隨著廢石摻量的增加，其強(qiáng)度有所下降，其破壞時(shí)的總應(yīng)變量基本相同；其應(yīng)力—應(yīng)變曲線在初期基本重合，主要在端部裂隙閉合階段之后逐漸分開(kāi)。