基于正交試驗(yàn)的充填體力學(xué)及微觀特性研究

許 茜，王彥明，張雯超

(1.南通職業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226007；2.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061；3.蘇州大學(xué) 軌道交通學(xué)院，江蘇蘇州 215006)

充填采礦法具有綠色、安全及環(huán)保等多方面的優(yōu)勢，已逐漸成為國內(nèi)外廣受關(guān)注的采礦方法[1-2]之一。膠結(jié)充填體主要是由骨料、水泥及水按照一定的比例混合而成，具有客觀的流動性能[3]。充填料漿由礦山輸送管道輸送至采空區(qū)，經(jīng)一段時(shí)間固化后形成一定強(qiáng)度，從而達(dá)到支撐采場圍巖的目的[4]。膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度與其水泥含量有直接關(guān)系，高抗壓強(qiáng)度的充填體一般含有較多水泥，易造成充填成本的增加[5]。因此，如何在膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度滿足礦山要求的同時(shí)降低充填成本并提高礦山固體廢棄物的利用率，是當(dāng)下礦山企業(yè)最為關(guān)注的問題。

在實(shí)踐中，膠結(jié)充填體通常由廢石、尾砂等固體廢棄物作為骨料，由水泥作為膠凝材料制備而成。這導(dǎo)致膠結(jié)充填體的力學(xué)性能與水泥含量、顆粒級配、膠凝材料類別及質(zhì)量濃度等因素有關(guān)。侯永強(qiáng)[6]等研究了分級尾砂與全尾砂充填體的強(qiáng)度特性，發(fā)現(xiàn)各個(gè)因素對充填體強(qiáng)度影響并不相同，其中養(yǎng)護(hù)齡期的影響最大；程坤[7]等開展了不同石灰配比下膠結(jié)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，同時(shí)考慮了充填體與頂、底板的接觸作用，并對實(shí)際工程中充填體受力全過程進(jìn)行了詳細(xì)分析；沈圳[8]等開展了考慮膠結(jié)物含量的充填體蠕變特性研究，指出膠結(jié)充填體存在減速蠕變、穩(wěn)定蠕變和加速蠕變階段，然而伴隨膠結(jié)物含量的增加，其瞬時(shí)蠕變速率以及蠕變量將減小，進(jìn)而造成進(jìn)入加速蠕變階段的時(shí)間推延。此外，粉煤灰作為燃煤熱電廠的固體廢棄物，由于其價(jià)格便宜及膠凝活性，在礦山充填領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。瞿亮[9]等開展了粉煤灰摻量對膠結(jié)充填體強(qiáng)度影響規(guī)律的研究，指出粉煤灰的摻入能夠在一定程度上改善充填體的力學(xué)性能；李茂輝[10]等分析了粉煤灰膠結(jié)充填體的水化機(jī)理和強(qiáng)度特性，指出C-S-H凝膠、斜方鈣沸石晶體和鈣礬石晶體是其水化主要產(chǎn)物，并且粉煤灰含量是28 d強(qiáng)度的主要影響因素；任昂[11]等研究了不同粉煤灰摻量下充填體抗壓強(qiáng)度、流變性等特性，發(fā)現(xiàn)充填膏體的流變性隨著粉煤灰含量的增加而減小，并分析了其抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量變化的規(guī)律；王文杰[12]等探討了粉煤灰摻量對充填材料早齡期單軸抗壓強(qiáng)度、孔隙度和彈性模量的影響，得出隨著粉煤灰摻量的增加，彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢，而孔隙度則表現(xiàn)為先減小后增加的趨勢；吳立波[13]等開展了基于正交試驗(yàn)的赤泥粉煤灰膏體充填材料配比優(yōu)化的試驗(yàn)研究，得出對試件早期強(qiáng)度的影響從大到小排列為：水泥摻量、料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)和赤泥粉煤灰比。

綜合上述分析，可知相關(guān)充填體力學(xué)性能的研究比較充分，而且相關(guān)成果也推動了充填采礦法的應(yīng)用。然而，目前關(guān)于粉煤灰對充填體力學(xué)性能的影響還存在許多不同的結(jié)論，有待進(jìn)一步開展研究工作。筆者以國內(nèi)某礦山為工程背景，該礦區(qū)存有大量的粉煤灰、廢石等固體廢棄物，急需消化處理以減輕對礦山周邊環(huán)境的污染。因此，通過設(shè)計(jì)3因素的正交試驗(yàn)，進(jìn)行粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體的力學(xué)性能研究，分析各影響因素對充填體抗壓、抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，并借助掃描電鏡顯微鏡(SEM)對充填體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析。研究結(jié)果可為推廣粉煤灰、廢石等作為井下充填材料提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

采用P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，以石灰?guī)r質(zhì)廢石作為粗骨料。利用Talbol粒級級配理論確定骨料粒徑小于指標(biāo)x的粒徑顆粒質(zhì)量，其表達(dá)式為

式中，Mx為粒徑小于x的顆粒的質(zhì)量；Mt為試樣的總質(zhì)量；n為Talbol粒級級配指數(shù)；xmax為試樣樣本中的最大粒徑。

通過式(1)對粗骨料粒徑進(jìn)行擬合處理，廢石骨料的Talbol粒級級配指數(shù)為0.687，大于理想富勒級配指數(shù)0.5，如圖1(a)所示，表明廢石骨料粗顆粒的含量較多，而細(xì)骨料缺失，這將導(dǎo)致料漿出現(xiàn)離析現(xiàn)象。因此，筆者采用粉煤灰作為細(xì)顆粒替代部分廢石進(jìn)行復(fù)合充填，粉煤灰的粒徑分布如圖1(b)所示。粉煤灰、廢石及水泥的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。

圖1 廢石和粉煤灰的顆粒粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of mullock and fly ash

表1 廢石、水泥和粉煤灰的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass percentage of chemical composition of waste rock，cement and fly ash %

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)礦山的配比經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)選取的水泥添加量為270～310 kg/m3；根據(jù)文獻(xiàn)[14]，確定料漿的質(zhì)量濃度為75%～79%，粉煤灰摻量為10%～30%。其中，粉煤灰添加的形式為等質(zhì)量替代廢石。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為3因素3水平的正交試驗(yàn)(表2)，3因素分別為粉煤灰摻量(A)、水泥摻量(B)、料漿質(zhì)量濃度(C)。

表2 正交試驗(yàn)因素與水平Table 2 Orthogonal experimental factors and levels

根據(jù)表2的方案，將粉煤灰、廢石及水泥按照所設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行混合后，添加一定質(zhì)量的水配制成充填料漿。將料漿充填入直徑50 mm、高100，50 mm的圓柱形塑料模具，待其初凝后慢慢地刮平表面，24 h后進(jìn)行脫模處理，制作成充填體試樣。脫模后，將試樣放進(jìn)養(yǎng)護(hù)箱，設(shè)定濕度93%、溫度20 ℃。將養(yǎng)護(hù)齡期為3，7，28 d的試樣分別進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉試驗(yàn)。

由于方差和極差可以定量地描述各因素對充填體性質(zhì)的影響，選用其來分析正交試驗(yàn)結(jié)果。

2 討 論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)制備的粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體達(dá)到設(shè)計(jì)齡期后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度(UCS)、抗拉強(qiáng)度(TS)測試，測試結(jié)果見表3。

表3 粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體的力學(xué)性能測試結(jié)果Table 3 Test results of mechanical properties of fly ash-waste rock cemented backfill

由表3可知，7號試樣不同齡期的抗壓強(qiáng)度分別為：1.75(3 d)，2.98(7 d)，5.43(28 d)MPa，能夠滿足該金屬礦山對不同齡期的充填體的強(qiáng)度要求(3 d齡期強(qiáng)度大于1.5 MPa，7 d齡期強(qiáng)度大于2.5 MPa，28 d齡期強(qiáng)度大于5 MPa)。因此，可以作為充填體的復(fù)合配比，對應(yīng)的復(fù)合外加劑組合為A3B1C3。另外，為了研究粉煤灰摻量(A)、水泥摻量(B)、料漿質(zhì)量濃度(C)對粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體力學(xué)性能的影響程度，并分析其顯著性影響因素，采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS進(jìn)行極差和方差分析，極差分析結(jié)果見表4，方差分析結(jié)果見表5。

表4 極差分析結(jié)果Table 4 Results of range analysis

表5 方差分析結(jié)果Table 5 Results of variance analysis

2.2 充填體抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

由表4可知，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為3 d，料漿質(zhì)量濃度對抗壓強(qiáng)度影響最大，水泥摻量次之，粉煤灰摻量影響最小，3個(gè)因素對應(yīng)的極差分別為：0.48，0.27，0.17 MPa；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，3個(gè)因素對抗壓強(qiáng)度的影響排序?yàn)椋悍勖夯覔搅浚玖蠞{質(zhì)量濃度＞水泥摻量，對應(yīng)的極差分別為0.76，0.57，0.27 MPa；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，3個(gè)因素對抗壓強(qiáng)度的影響排序?yàn)椋核鄵搅浚玖蠞{質(zhì)量濃度＞粉煤灰摻量，對應(yīng)的極差分別為1.94，1.45，1.33 MPa。

結(jié)合表5的方差分析結(jié)果可知：在養(yǎng)護(hù)齡期為3，7 d時(shí)，A，B，C的顯著性水平p值均小于0.05，因此，3個(gè)因素均為充填體早期抗壓強(qiáng)度的顯著性影響因素；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，B的顯著性水平p值小于0.05，因此，僅有水泥摻量為充填體后期抗壓強(qiáng)度的顯著性影響因素。

2.3 充填體抗拉強(qiáng)度結(jié)果分析

由表4可知，水泥摻量對充填體28 d抗拉強(qiáng)度的影響最大，極差為0.18 MPa；粉煤灰摻量影響程度低于水泥摻量，極差為0.17 MPa；料漿質(zhì)量濃度的影響程度最低，極差為0.11 MPa。根據(jù)表5的方差分析結(jié)果可知，粉煤灰和水泥摻量的顯著性水平p值均小于0.05，因此，粉煤灰和水泥摻量是粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度的顯著性影響因素，而料漿質(zhì)量濃度不是粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度的顯著性影響因素。

2.4 充填體力學(xué)性能的機(jī)理分析

2.4.1 料漿質(zhì)量濃度

料漿質(zhì)量濃度對粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體影響程度較大，特別是當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為3 d時(shí)，其對充填體抗壓強(qiáng)度影響最大，究其原因?yàn)椋嘿|(zhì)量濃度的提高減少了因水泥水化反應(yīng)后剩余水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的微孔隙、裂隙，從微觀上來看，充填體結(jié)構(gòu)變得更加致密，從而提高了充填體的強(qiáng)度[13]；料漿質(zhì)量濃度的增大能夠減小因廢石粗顆粒大小不均而產(chǎn)生的離析現(xiàn)象，從而有利于減少水泥含量的流失，改善了充填體的力學(xué)性能[15]；質(zhì)量濃度越大的料漿具有越高的塑性黏度，對廢石粗骨料的沉降產(chǎn)生了較大的阻力，這將導(dǎo)致料漿中粗細(xì)顆粒之間的間距變小，顆粒分布得更加均勻，從而改善了充填體的力學(xué)性能[16]。

2.4.2 水泥摻量

由表4可知，在養(yǎng)護(hù)齡期為3，7 d時(shí)，水泥摻量的影響程度要低于料漿質(zhì)量濃度，其原因是在養(yǎng)護(hù)早期水泥未完全水化反應(yīng)，僅有較少的膠凝物質(zhì)生成，所以當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)，粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度主要來自于骨架的支撐作用，而料漿質(zhì)量濃度的增加將加強(qiáng)骨架的穩(wěn)固程度。因此，在養(yǎng)護(hù)早期，相較于料漿質(zhì)量濃度的作用，水泥摻量對抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)并不大。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥水化反應(yīng)較為充分，產(chǎn)生了較多的膠凝物質(zhì)，在養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，水泥摻量的影響程度最大[15]，是粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體抗壓、抗拉強(qiáng)度的顯著性影響因素。

2.4.3 粉煤灰摻量

在不同的養(yǎng)護(hù)齡期下，當(dāng)粉煤灰含量增加，粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體各因素水平下的抗壓、抗拉強(qiáng)度平均值均呈逐漸增大的趨勢。因此，適量的粉煤灰摻量(10%～30%)有利于提高充填體的力學(xué)性能，其機(jī)理為：相較于廢石的粗顆粒，粉煤灰顆粒較細(xì)，當(dāng)添加一定量的粉煤灰替代廢石顆粒后，粉煤灰顆?？梢蕴钛a(bǔ)空隙，發(fā)揮“填充效應(yīng)”，從而提高了粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體微觀結(jié)構(gòu)的致密性，宏觀上表現(xiàn)為提高了充填體的抗壓、抗拉強(qiáng)度[4]；水泥水化反應(yīng)提高了漿液的pH值，在堿性環(huán)境下，粉煤灰中的活性物質(zhì)被釋放出來，在養(yǎng)護(hù)過程中參與到水化反應(yīng)中，生成膠凝產(chǎn)物，從而提高了粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體的抗壓、抗拉強(qiáng)度[17]。

2.5 充填體抗壓、抗拉強(qiáng)度的多因素耦合回歸模型

由正交試驗(yàn)結(jié)果可知，粉煤灰摻量、水泥摻量和料漿質(zhì)量濃度均對粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體的抗壓、抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生不同程度的影響。為準(zhǔn)確地定量分析粉煤灰摻量、水泥摻量及料漿質(zhì)量濃度與充填體抗壓、抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，建立了考慮因素交互作用的多因素非線性回歸模型，模型的表達(dá)式為

式中，y為充填體的抗壓/抗拉強(qiáng)度，MPa；x1為粉煤灰摻量，%；x2為水泥摻量，kg/m3；x3為料漿質(zhì)量濃度，%；bk為模型的回歸系數(shù)，k=0，1，2，3，……。

根據(jù)粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體在3，7，28 d的抗壓、抗拉強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件自定義模型板塊功能，自主構(gòu)建多因素回歸模型，并依據(jù)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)求解出方程的回歸系數(shù)，從而建立粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體的抗壓、抗拉強(qiáng)度回歸模型。

(1)粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體3 d抗壓強(qiáng)度回歸模型

(2)粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體7 d抗壓強(qiáng)度回歸模型

(3)粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體28 d抗壓強(qiáng)度回歸模型

(4)粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體28 d抗拉強(qiáng)度回歸模型

將正交試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)代入回歸模型，得到粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體的抗壓、抗拉強(qiáng)度的實(shí)測值與預(yù)測值，如圖2所示。

圖2 充填體抗壓、抗拉強(qiáng)度的實(shí)測值與預(yù)測值曲線Fig.2 Curves of measured and predicted compressive and tensile strength of backfill

由圖2可知，粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體3，7，28 d抗壓強(qiáng)度的最大平均誤差分別為2.89%，2.02%，6.70%，而充填體28 d抗拉強(qiáng)度的最大平均誤差為3.80%。因此，預(yù)測模型具有較好的精度，可為現(xiàn)場工程實(shí)踐提供一定的指導(dǎo)。此外，結(jié)合正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該礦山充填體的最佳配比參數(shù)為A3B1C3，即水泥摻量為270 kg/m3、料漿質(zhì)量濃度為79%、粉煤灰摻量為30%，充填體的抗壓、抗拉強(qiáng)度滿足礦山工程實(shí)際需求。與原設(shè)計(jì)的水泥摻量310 kg/m3相比，水泥用量同比下降了12.9%，有效地減少了固體廢棄物的堆存問題，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

為確保配比參數(shù)為A3B1C3下充填料漿流動性能達(dá)到要求，對其進(jìn)行坍落度指標(biāo)測試，得出料漿的坍落度為25.7 cm，說明該配比參數(shù)下充填體強(qiáng)度及流動性能滿足礦山充填要求。

2.6 充填體抗壓強(qiáng)度的3因素交互作用分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，粉煤灰摻量、水泥摻量和料漿質(zhì)量濃度均為充填體早期抗壓強(qiáng)度的顯著性影響因素。因此，選取養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的試樣，進(jìn)一步探究3因素交互作用對充填體力學(xué)性質(zhì)的影響，如圖3所示。

圖3 3因素的交互作用對充填體抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of interaction of three factors on compressive strength of backfill

由圖3(a)可知，當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，隨著水泥摻量由270 kg/m3增加至310 kg/m3，充填體的抗壓強(qiáng)度增加了30.3%；當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，隨著水泥摻量由270 kg/m3增加至310 kg/m3，充填體的抗壓強(qiáng)度增加了18.9%。由此可知，粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度對水泥摻量的敏感性隨著粉煤灰含量的增加而降低。因此，當(dāng)充填體抗壓強(qiáng)度滿足礦山要求時(shí)，為充分提高水泥對充填體抗壓強(qiáng)度的改善效果，粉煤灰含量不宜較高。

由圖3(b)可知，當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，隨著料漿質(zhì)量濃度由75%增加至79%，充填體的抗壓強(qiáng)度增加了118%；當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，隨著料漿質(zhì)量濃度由75%增加至79%，充填體的抗壓強(qiáng)度增加了13.8%。由此可知，粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度對料漿質(zhì)量濃度的敏感性隨著粉煤灰含量的增加而降低。因此，當(dāng)充填體抗壓強(qiáng)度滿足礦山要求時(shí)，為充分提高料漿質(zhì)量濃度對充填體抗壓強(qiáng)度的改善效果，粉煤灰含量也不宜較高。

由圖3(c)可知，當(dāng)料漿質(zhì)量濃度為75%時(shí)，隨著水泥摻量由270 kg/m3增加至310 kg/m3，充填體的抗壓強(qiáng)度增加了78.6%；當(dāng)質(zhì)量濃度為79%時(shí)，隨著水泥摻量由270 kg/m3增加至310 kg/m3，充填體的抗壓強(qiáng)度增加了27.5%。由此可知，粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度對水泥摻量的敏感性隨著料漿質(zhì)量濃度的增加而降低。因此，當(dāng)充填體抗壓強(qiáng)度滿足礦山要求時(shí)，為充分提高水泥對充填體抗壓強(qiáng)度的改善效果，料漿質(zhì)量濃度不宜較高。

2.7 充填體的微觀結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)充填體3，28 d的抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果，對粉煤灰-廢石充填體抗壓強(qiáng)度影響最大的2個(gè)因素分別為水泥摻量和料漿質(zhì)量濃度，而粉煤灰摻量對充填體抗壓強(qiáng)度的影響程度最小。因此，筆者主要研究水泥摻量、料漿質(zhì)量濃度對粉煤灰-廢石微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。圖4為在不同水泥摻量下，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d、料漿質(zhì)量濃度為77%、粉煤灰摻量為20%的粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體微觀結(jié)構(gòu)特征。

由圖4可知，水泥摻量為310 kg/m3的充填體表面覆蓋了大量顆粒狀C-S-H凝膠，片狀Ca(OH)2晶體結(jié)構(gòu)也比較明顯，充填體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)非常致密；水泥摻量為270 kg/m3的充填體結(jié)構(gòu)面之間沒有足夠的顆粒狀C-S-H凝膠填充，空隙比較明顯，結(jié)構(gòu)比較疏松。因此，水泥摻量的差異能夠?qū)Ψ勖夯?廢石膠結(jié)充填體微觀結(jié)構(gòu)的致密性產(chǎn)生影響，即粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的致密性隨著水泥摻量的增加而提高，進(jìn)而在宏觀上表現(xiàn)為水泥摻量的增加提高了粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體的抗壓、抗拉強(qiáng)度。

圖4 不同水泥摻量下充填體的微觀結(jié)構(gòu)特征Fig.4 Microstructure characteristics of backfill with different cement content

圖5為不同料漿質(zhì)量濃度時(shí)，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d、水泥摻量為290 kg/m3、粉煤灰摻量為20%的粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體微觀結(jié)構(gòu)特征。由圖5可知，料漿質(zhì)量濃度為79%時(shí)，充填體中顆粒狀C-S-H凝膠量越多，結(jié)構(gòu)越密實(shí)，顆粒間隙也被C-S-H凝膠填充，粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體微觀結(jié)構(gòu)同樣也非常致密；而濃度低的粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體內(nèi)部存在明顯的間隙和孔隙，充填體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的致密性較差，這也是影響充填體強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)。因此，料漿質(zhì)量濃度的差異對粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體微觀結(jié)構(gòu)的致密性產(chǎn)生影響，即粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的致密性隨著料漿質(zhì)量濃度的增加而提高，進(jìn)而在宏觀上表現(xiàn)為料漿質(zhì)量濃度的增加提高了粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體的抗壓、抗拉強(qiáng)度。

圖5 不同料漿質(zhì)量濃度下充填體的微觀結(jié)構(gòu)特征Fig.5 Microstructure characteristics of backfill at different slurry mass concentrations

3 結(jié) 論

(1)在不同的養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，粉煤灰摻量、水泥摻量及料漿質(zhì)量濃度對粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度的影響程度并不一致。在養(yǎng)護(hù)齡期為3，7，28 d時(shí)，對粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度影響程度最大的因素分別為料漿質(zhì)量濃度、粉煤灰摻量及水泥摻量。此外，3個(gè)因素對粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體抗拉強(qiáng)度的影響程度為：水泥摻量＞粉煤灰摻量＞料漿質(zhì)量濃度。

(2)由抗壓強(qiáng)度的方差分析結(jié)果可知，3個(gè)因素均為早期抗壓強(qiáng)度的顯著性影響因素，而后期抗壓強(qiáng)度的顯著性影響因素僅有水泥摻量。此外，抗拉強(qiáng)度的方差分析結(jié)果表明，除料漿質(zhì)量濃度，其余2個(gè)因素均為充填體抗拉強(qiáng)度的顯著性影響因素。

(3)基于正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體抗壓、抗拉強(qiáng)度的多元非線性回歸模型，經(jīng)驗(yàn)證模型能較好地預(yù)測充填體抗壓、抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可為現(xiàn)場工程應(yīng)用提供一定指導(dǎo)。此外，依據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，該礦山最合理的充填材料參數(shù)為：水泥摻量為270 kg/m3，料漿質(zhì)量濃度為79%，粉煤灰摻量為30%。

(4)粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度對水泥摻量、料漿質(zhì)量濃度的敏感性均隨著粉煤灰摻量的增加而降低，而當(dāng)粉煤灰摻量固定不變時(shí)，抗壓強(qiáng)度對水泥摻量的敏感性也會隨著料漿質(zhì)量濃度的增加而降低。因此，當(dāng)充填體抗壓強(qiáng)度滿足礦山要求時(shí)，為充分提高水泥對充填體抗壓強(qiáng)度的改善效果，料漿質(zhì)量濃度與粉煤灰摻量均不宜過高。

(5)水泥摻量、料漿質(zhì)量濃度的增加均能對粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體微觀結(jié)構(gòu)的致密性產(chǎn)生影響。粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的致密性隨著水泥摻量或料漿質(zhì)量濃度的增加而提高，進(jìn)而在宏觀上表現(xiàn)為水泥摻量或料漿質(zhì)量濃度的增加提高了粉煤灰-廢石膠結(jié)充填體的抗壓、抗拉強(qiáng)度。