不同含水率膏體充填材料的單軸壓縮試驗(yàn)研究

王永巖，于卓群，崔立樁

(1.青島科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，山東 青島 266061；2.青島科技大學(xué) 力學(xué)中心，山東 青島 266061)

0 引 言

尾砂是一種選礦廢物，幾十年來大量的尾砂被堆放在尾礦庫，對(duì)生態(tài)環(huán)境和居民安全造成了嚴(yán)重的威脅[1]，而隨著我國采礦量的急劇上升，如何安全經(jīng)濟(jì)地處置尾砂成為了亟待解決的重要問題。另一方面，地下采空區(qū)使該地區(qū)地下應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，增加了該地區(qū)地面沉降、下陷的危險(xiǎn)。而大規(guī)模的應(yīng)用膏體充填可能是這2個(gè)問題的良好解決方案。典型的膏體充填材料由尾砂，低含量水泥和水組成，其較高的固體質(zhì)量濃度可以減少水泥用量從而節(jié)約充填成本[2]。膏體充填體可以在井下作為工作平臺(tái)使用，也可以改善采空區(qū)地應(yīng)力分布，擁有廣闊的應(yīng)用前景，吸引了大量的學(xué)者參與研究[3-6]。其中，KESIMAL等[7]研究了尾砂和水泥的性質(zhì)對(duì)充填體單軸壓縮強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)充填體的單軸壓縮強(qiáng)度與水灰比密切相關(guān)。BAVRAM等[8]研究了水泥類型和含量對(duì)含硫尾砂充填體的單軸壓縮強(qiáng)度影響。WU等[9]通過一系列試驗(yàn)研究了水泥類型和水質(zhì)量對(duì)充填體性能的影響，發(fā)現(xiàn)水泥對(duì)充填材料的單軸壓縮強(qiáng)度影響明顯而水質(zhì)量對(duì)充填體力學(xué)性能影響甚微。MANGANE等[10]發(fā)現(xiàn)添加高效減水劑可以增強(qiáng)充填材料的單軸壓縮強(qiáng)度。

上述學(xué)者研究了充填材料在養(yǎng)護(hù)后自然狀態(tài)下的力學(xué)性能，取得了珍貴的成果。然而，隨著近年來礦井開采的范圍和規(guī)模逐漸擴(kuò)大，施工環(huán)境復(fù)雜多變，其中濕度的變化可能引起充填材料含水率的變化。對(duì)此，聶亞林等[11]研究了灰砂比為1∶4的4種含水率下充填材料的單軸壓縮強(qiáng)度和損傷模型。然而，學(xué)界對(duì)較低水泥含量下的含水率變化引起的不同水泥含量充填材料的單軸壓縮行為改變的研究較少。隨著我國綠色礦山建設(shè)的提速，膏體充填技術(shù)將以其高可靠度和高經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)得到更大規(guī)模的應(yīng)用，并不斷向提高尾砂利用率與降低水泥用量的方向發(fā)展。因此，為了順應(yīng)礦業(yè)行業(yè)的綠色發(fā)展新模式，促進(jìn)膏體充填在我國的發(fā)展與應(yīng)用，有必要進(jìn)一步研究不同含水狀態(tài)下低水泥含量水平的膏體充填材料的單軸壓縮力學(xué)行為。筆者對(duì)3%和5%兩種水泥含量，0、13%、25%和36%四種含水率的8組膏體充填材料試件展開單軸壓縮試驗(yàn)，分析了不同含水率下2種水泥含量膏體充填材料的單軸壓縮強(qiáng)度、彈性模量和峰值應(yīng)變點(diǎn)等試驗(yàn)結(jié)果，提出了改進(jìn)的充填體非線性指數(shù)，為深入認(rèn)識(shí)膏體充填材料的單軸壓縮力學(xué)行為和充填區(qū)安全問題提供一定的參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 膏體充填體試件制備

膏體充填材料試件所用材料為：自來水，普通硅酸鹽水泥(42.5號(hào))和取自山東省某金屬礦山的全尾砂(圖1)。制作了2種水泥含量的膏體充填體試件，根據(jù)膏體充填材料低水泥含量高質(zhì)量濃度的特點(diǎn)，本研究選取了國內(nèi)外常用的較低水平的2種水泥含量，水泥含量分別為3%和5%(3%、5%為水泥質(zhì)量占尾砂質(zhì)量的百分比)，試件固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為75%。制備時(shí)首先將尾砂和水泥在干燥狀態(tài)下按照配合比稱量并取出，放入桶中攪拌均勻后加入稱取的自來水使混合物固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到75%，然后充分?jǐn)嚢璐蠹s10 min，并澆筑進(jìn)內(nèi)直徑為50 mm，高為100 mm的圓柱模具中，24 h后將試件脫模，放置在潮濕的密封箱中在室溫下養(yǎng)護(hù)28 d，期間定期灑水保持高濕度。

圖1 尾砂樣品和放大15倍后的尾砂Fig.1 Sample of tailings and tailings after 15 times magnification

1.2 膏體充填體試件含水率設(shè)計(jì)

通過烘干與浸泡的方式改變膏體充填體試件的含水率。試件的含水率可以通過如下公式計(jì)算得出：

(1)

式中：ωc為此試件當(dāng)前含水率，%;mc為此試件當(dāng)前質(zhì)量，g;md為與此試件水泥含量相同的含水率為0的試件的質(zhì)量，g;所有計(jì)算結(jié)果精確到1%。試件養(yǎng)護(hù)28 d后分組備用，A組試件放入RPH-80型恒溫恒濕試驗(yàn)箱(圖2)，在60 ℃下烘干24 h，至試件質(zhì)量不再變化，定義為含水率為0的試件；B組試件放入RPH-80型恒溫恒濕試驗(yàn)箱在60 ℃下烘干12 h，期間定期取出稱重，由式(1)計(jì)算得含水率約為13%時(shí)停止烘干；C組試件從養(yǎng)護(hù)箱中取出后擦干表面水分直接稱重，計(jì)算得含水率約為25%；D組試件放入水中在室溫下浸泡24 h后擦干表面水分稱重，計(jì)算得含水率約為36%。而0、13%、25%和36%的含水率可以較好的分別反映膏體充填體的干燥狀態(tài)、半干燥狀態(tài)、自然養(yǎng)護(hù)狀態(tài)和飽和狀態(tài)。由此，本試驗(yàn)共制備了2種水泥含量和4種不同含水率的8種膏體充填試件，見表1。每種試件制作3個(gè)試件以進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。

表1 試件編號(hào)及其水泥含量和含水率Table 1 Specimen number and its cement content and moisture content

圖2 RPH-80型可控式恒溫恒濕試驗(yàn)箱Fig.2 RPH-80 controllable constant temperature-humidity test box

1.3 單軸壓縮試驗(yàn)

本研究中使用的單軸壓縮試驗(yàn)設(shè)備為青島科技大學(xué)與長春朝陽試驗(yàn)機(jī)廠聯(lián)合研制的TAW-200多功能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)(圖3)，其最大軸向壓力為200 kN，可進(jìn)行位移加載或力加載模式下的單軸壓縮試驗(yàn)。達(dá)到目標(biāo)含水率的試件需要立即測量尺寸并進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。參考對(duì)水泥基材料試件的試驗(yàn)方法[12-14]，試件被放置在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的鋼制平臺(tái)上，采用位移加載模式以0.2 mm/min的速度開始加載，直至試件破壞。試驗(yàn)過程中電腦自動(dòng)采集軸向位移，軸向力，時(shí)間等數(shù)據(jù)。

圖3 TAW-200多功能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)Fig.3 TAW-200 multifunctional mechanical testing machine system

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 充填體單軸抗壓強(qiáng)度

單軸抗壓強(qiáng)度是充填體設(shè)計(jì)過程中最常用的重要參數(shù)，因其簡易方便的特點(diǎn)在世界范圍內(nèi)得到廣泛使用[15]。根據(jù)單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果整理的不同含水率和2種水泥含量的充填體單軸抗壓強(qiáng)度如圖4所示。由于試件3D在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度過低，甚至無法承受預(yù)壓力，這可能是由于尾砂充填材料之間的膠合力已經(jīng)弱于侵入水的破壞力[16]，可以認(rèn)為已經(jīng)天然失效，強(qiáng)度定義為0，不記錄并分析其應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖4可知，含水率相同時(shí)，水泥含量5%的膏體充填體試件單軸抗壓強(qiáng)度大于水泥含量3%的充填體試件抗壓強(qiáng)度，這可能是由于水泥的膠結(jié)作用在水泥含量較高時(shí)也較強(qiáng)。由圖4還可知，隨著充填體含水率的升高，水泥含量3%和水泥含量5%的充填體試件單軸抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)下降，且下降速度呈加快趨勢(shì)。為了更好地描述這種趨勢(shì)，采用二次多項(xiàng)式擬合含水率和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。擬合結(jié)果如圖4所示，水泥含量3%和水泥含量5%的多項(xiàng)式擬合復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.968 4和0.989 9，較好地反映了抗壓強(qiáng)度與含水率的定量關(guān)系。水泥含量3%充填體和水泥含量5%充填體的單軸抗壓強(qiáng)度σ3、σ5表達(dá)式分別為

圖4 2種水泥含量充填體在不同含水率狀態(tài)下的單 軸抗壓強(qiáng)度Fig.4 Uniaxial compressive strength of two cement content fillers at different moisture content states

σ3=-0.000 501ω-2+0.002 83ω+0.558

(2)

σ5=-0.000 442ω-2+0.000 549ω+0.854

(3)

結(jié)合相關(guān)研究[17-19]，分析出抗壓強(qiáng)度隨含水率的升高而降低的原因可能是：① 水會(huì)降低充填體內(nèi)部尾砂、水泥、膠結(jié)產(chǎn)物之間的摩擦力，造成顆粒間的滑移所需的力降低，進(jìn)而導(dǎo)致充填體在較低壓力下失效；② 充填體內(nèi)部存在微裂隙，水進(jìn)入物體內(nèi)的微裂隙會(huì)導(dǎo)致其在受壓時(shí)，微裂隙加速擴(kuò)張發(fā)展為裂縫，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降；③ 較高含量的水與充填體內(nèi)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致充填體內(nèi)部分物質(zhì)的溶解與破壞，進(jìn)而降低充填體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.2 充填體壓縮行為

充填體試件的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。通過觀察圖5中的曲線，可以發(fā)現(xiàn)水泥含量3%充填體試件與水泥含量5%充填體試件均因?yàn)楹首兓a(chǎn)生了壓縮力學(xué)行為的改變，并反映在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中?？梢钥闯?，2種水泥含量下的充填體的壓縮力學(xué)行為均因含水率的增加而發(fā)生了由脆性行為到延性行為的轉(zhuǎn)變。含水率較高的試件與含水率較低的試件相比，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的增長較為緩慢，應(yīng)力峰值出現(xiàn)得更晚，應(yīng)力達(dá)到峰值后的峰后下降更為平緩，曲線終點(diǎn)處應(yīng)變更大，殘余強(qiáng)度也通常大于完全干燥的試件。下文將從彈性模量，峰值應(yīng)變，非線性的角度對(duì)充填體壓縮行為展開詳細(xì)分析。

圖5 充填體試件單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Uniaxial compressive stress-strain curve of test specimen of filling body

2.2.1彈性模量

充填體試件的彈性模量如圖6所示。可以看出相同含水率下，水泥含量5%的充填體試件比水泥含量3%的充填體試件彈性模量高。這可能是由于水泥的膠結(jié)作用在任意含水率狀態(tài)下都能擁有良好的膠結(jié)效果，從而提高了材料的彈性模量。然而隨著含水率的增大，充填體試件的彈性模量隨之顯著下降。這可能是由于充填體含水率的升高使充填體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了軟化，降低了剛度從而導(dǎo)致了充填體彈性模量的降低。這說明對(duì)于含水率較高的充填體，在同樣大小的力下會(huì)發(fā)生較大變形，對(duì)此現(xiàn)象在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)引起重視。

圖6 充填體試件彈性模量Fig.6 Elastic modulus of filling body specimen

2.2.2峰值應(yīng)變

圖7展示了各充填體的峰值應(yīng)變(又稱失效應(yīng)變)。可以看出，含水率的增加提高了充填體的失效應(yīng)變。失效應(yīng)變的提高使充填體在更高的應(yīng)變下失效，意味著充填體延性的提高。這可能是因?yàn)樗那秩肱c潤滑作用使充填體試件更容易產(chǎn)生裂縫，裂縫的均勻快速產(chǎn)生可以分散充填體內(nèi)的應(yīng)力從避免充填體在低應(yīng)變水平的過快失效。但也可以看出試件5D的峰值應(yīng)變低于試件5C的峰值應(yīng)變，這說明含水率過高所帶來的結(jié)構(gòu)弱化效果要大于分散應(yīng)力帶來的延性提高。

圖7 充填體試件峰值應(yīng)變Fig.7 Failure strain of filling body specimen

2.2.3非線性程度評(píng)估

此前，KHALOO等[20]提出使用非線性指數(shù)來評(píng)估水泥基混凝土材料壓縮行為的非線性程度[20]。在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的充填體非線性指數(shù)以評(píng)估不同含水率不同水泥含量下的充填體試件非線性程度大小，其定義如下：

(4)

其中：N為充填體非線性指數(shù)；E40為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上40%峰值應(yīng)力處的切線彈性模量；E100為原點(diǎn)到峰值點(diǎn)的變形模量。該指數(shù)可以量化應(yīng)力-應(yīng)變曲線的非線性程度，非線性指數(shù)越高，該充填體非線性程度越強(qiáng)。充填體試件的非線性指數(shù)如圖8所示?？梢钥闯觯?種水泥含量下充填體均在25%含水率下表現(xiàn)出最強(qiáng)的非線性程度。這可能是由于水的存在對(duì)膏體充填體同時(shí)起弱化和潤滑作用，使充填體內(nèi)部微裂紋均勻而快速產(chǎn)生，有效分散了應(yīng)力，避免了能量累積后的突然爆發(fā)從而直接失效。反映在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，即充填體在彈性階段結(jié)束后，仍然具有較長的塑性變形階段，因此表現(xiàn)出了隨含水率增加而增強(qiáng)的非線性與延性。而過高含水率嚴(yán)重可以嚴(yán)重破壞充填體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使充填體過早失效，因此出現(xiàn)了延性與非線性的下降。相比峰值應(yīng)變，非線性指數(shù)更進(jìn)一步反映了充填體的延性與韌性。充填體試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線的非線性程度越高，意味著其壓縮過程中在經(jīng)過彈性階段之后仍具有較長的應(yīng)變硬化階段，這種非線性的壓縮力學(xué)行為使充填體在受壓時(shí)具有一定剛度的同時(shí)不至于在彈性階段后就立即失效，而是在繼續(xù)經(jīng)歷較大變形后才到達(dá)應(yīng)力峰值，為采取加固措施或進(jìn)行人員疏散提供了寶貴的應(yīng)對(duì)時(shí)間，提高了充填區(qū)的安全性。

圖8 充填體試件非線性指數(shù)Fig.8 Nonlinearity index of filling body specimen

3 結(jié) 論

1)水泥含量較高的膏體充填材料在相同含水率下均具有較高的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。水泥含量3%的膏體充填體試件在含水率36%的狀態(tài)下強(qiáng)度過低不能滿足使用要求。

2)隨著含水率的升高，膏體充填體試件的單軸抗壓強(qiáng)度降低，且下降速度隨含水率升高逐漸加快。

3)隨著含水率的增加，膏體充填材料的彈性模量降低而峰值應(yīng)變?cè)谝欢ǚ秶鷥?nèi)升高，這表明含水率的增加降低了膏體充填材料的剛度，增加了延性。使用充填體非線性指數(shù)得出水泥含量3%和水泥含量5%的膏體充填體均在含水率25%時(shí)表現(xiàn)出了較高的非線性。實(shí)際工程中可以利用好非線性力學(xué)行為的特點(diǎn)進(jìn)行充填體破壞前預(yù)警。