尾砂膠結充填體抗拉強度試驗及其影響因素研究

唐國星，郭利杰，劉光生，楊小聰

(1.北京礦冶研究總院，北京 100160；2.金屬礦綠色開采國家國際聯(lián)合研究中心，北京 102628；3.礦冶科技集團有限公司，北京 102628)

0 引 言

充填采礦是一種隨著回采工作面的推進，逐步用充填材料充填采空區(qū)的采礦方法，能夠在處理采空區(qū)的同時減少尾砂堆存，已成為金屬礦綠色開采的重要技術載體[1-5]。充填材料以料漿的形式被輸送至采空區(qū)后，經(jīng)過一段時間的養(yǎng)護形成膠結充填體。膠結充填體能夠支撐圍巖、控制采場地壓，亦可作為下一步回采的頂板或工作平臺[6]，其強度和穩(wěn)定性對于礦山的安全生產至關重要。

劉同友[7]指出無論是膠結充填體的壓縮破壞還是彎曲破壞均是由于拉應力或剪應力、拉應變或剪應變超過其承載極限引起的。當尾砂膠結充填體大面積揭露時，可能發(fā)生拉伸斷裂性質的滑動破壞[8]。而在使用下向充填法的礦山中，回采后暴露的充填體頂板需要承受拉伸應力，抗拉強度不足會直接導致頂板破壞[9]，進而引發(fā)安全事故。因此，準確評估膠結充填體抗拉強度是進行安全充填設計的重要前提。同時，尾砂膠結充填體的抗拉強度與灰砂比、質量濃度、齡期等因素密切相關，研究灰砂比、質量濃度與齡期對尾砂膠結充填體抗拉強度的影響，分析充填體抗拉強度與這三種影響因素的敏感性關系將有助于礦山提高充填質量、節(jié)約充填成本。

國內外已有一些關于尾砂膠結充填體抗拉強度的研究。姚志全等[10]、鄧代強等[11]采用巴西劈裂試驗測得了不同配比的尾砂膠結充填體的抗拉強度，并分析了灰砂比與劈裂抗拉強度之間的關系。然而有學者指出，劈裂時試樣處于拉-壓混合應力狀態(tài)，不能得到試樣的真實抗拉強度[12-13]；或試樣不能從中心起裂，不滿足巴西劈裂試驗抗拉強度計算公式的使用條件[14-16]。因此，PAN等[17]使用將壓縮轉換成拉伸的方法進行直接拉伸試驗，測得水泥含量為6.9%和9.7%的膏體充填體7 d、14 d和28 d時的抗拉強度，并進一步得到了抗拉強度隨齡期的變化規(guī)律。

從以上研究來看，對于尾砂膠結充填體抗拉強度及敏感性分析的研究或受制于試驗方法，或沒有足夠的數(shù)據(jù)證明規(guī)律的普遍性。為填補尾砂膠結充填體抗拉強度領域的研究空白，本文設計了一種適用于尾砂膠結充填體的壓-拉轉換直接拉伸試驗，以金廠河金礦全尾砂為原料，對多種配比齡期的尾砂膠結充填體的抗拉強度進行測試，分析尾砂膠結充填體抗拉強度隨灰砂比、質量濃度、齡期的變化關系，并研究了三種因素對尾砂膠結充填體抗拉強度影響的強弱。

1 尾砂物理化學性質

本文使用的尾砂來自云南黃金金廠河金礦，化學元素定量分析測試結果見表1。尾礦中Ca、Si等元素含量較多，說明尾礦活性物質多，S元素含量為0.2%，K、Na等堿性元素含量少，從化學性質上分析，尾砂屬于較好的充填骨料。圖1為尾砂粒徑分布情況。由圖1可知，200目以下(尾砂粒徑d≤0.074 mm)尾砂顆粒占比75.51%，400目以下(d≤0.038 mm)尾砂顆粒占比57.75%。本文使用的膠凝材料為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，試驗用水為北京市自來水。

表1 尾砂化學元素定量分析測試結果Table 1 The results of chemical element quantitative analysis of tailings

圖1 尾砂粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of tailings

2 試驗方法

通過設計試驗裝置使試驗機對試驗裝置的壓縮變?yōu)閷υ嚇拥睦焓侵苯永煸囼灥囊环N新思路[17-19]。本文使用壓-拉轉換的方式對尾砂膠結充填體進行直接拉伸試驗，原理如圖2所示。由圖2可知，固定試樣上部，在試樣下部施加壓力，測試段即處于拉伸狀態(tài)，據(jù)此設計加工了試驗裝置與充填體養(yǎng)護模具，如圖3所示。養(yǎng)護模具由兩塊頭板、兩塊側板和一塊底板組成，板與板之間通過螺栓與螺母連接。模具形似“工字形”，端部向軸線兩側凸出，便于后續(xù)的固定和加載。試模組裝完成后將硅脂涂抹進連接處的縫隙中，增加試模的密封性。試樣養(yǎng)護完成后拆下側板與底板，露出測試段即可進行試驗。如此設計是因為尾砂膠結充填體強度較低，礙于特殊的形狀難以從試模中取出，并且頭板與試樣成為一體，真正受拉的只有測試段。

圖2 “工字形”試樣及試驗原理Fig.2 “I-shaped”test specimen and loading principle

圖3 “工字形”試模Fig.3 “I-shaped”curing mold

試驗裝置由兩個相似的支架組成(圖4)，每個支架各有一個底盤和固定盤，兩盤通過螺柱連接并互相平行。固定盤是試驗裝置的核心，由兩片相同的零件組成，其上有與試樣端部尺寸一致的T形槽。安裝固定盤時，兩片零件在“工字形”試樣兩端由外向內拼接，T形槽與試樣端部緊密接觸，從而將試樣固定。試驗時，位于上方的支架受壓，將荷載傳遞于試樣下端，而位于下方的支架固定試樣的上部，試樣處于拉伸狀態(tài)。為減少自身重力對試驗過程與結果的影響，試驗裝置采用鋁合金加工制作(圖5)。

圖4 試驗裝置支架Fig.4 Loading brackets

圖5 試驗裝置安裝過程Fig.5 Installation process

3 試驗方案

為了使試驗結果更具有普遍性與代表性，本文制備灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，質量濃度為68%、70%、72%、75%的尾砂膠結充填料漿，分別養(yǎng)護7 d、14 d、28 d后進行拉伸試驗，共計48種工況，每種工況設置5個試樣。將按照要求制備、攪拌均勻的料漿分兩次倒入“工字形”試模中，每次各注入1/2，并用玻璃棒搗實。為防止料漿發(fā)生沉淀，在澆模過程中需要不斷攪拌料漿。試模澆筑后放入溫度(20±0.5)℃，濕度90%以上的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24 h，將試樣表面刮平繼續(xù)養(yǎng)護至既定齡期。

本文使用美國漢堡Master Loader 5030試驗機，采用位移加載的方式，加載速率為0.2 mm/min。抗拉強度計算公式見式(1)。

(1)

式中：σDT為試件的抗拉強度，kPa；F為試件的峰值荷載，kN；ms和mz分別為試件與裝置的質量，kg；g為重力加速度，m/s2；S為試件的斷面面積，cm2。

4 試驗結果

拉伸斷裂后的“工字形”試樣如圖6所示。圖6中1號試樣和2號試樣未在測試段破壞，3號試樣～5號試樣在測試段斷裂。所有試樣斷面十分平整，幾乎與拉伸方向垂直，表明試樣是在拉伸應力作用下發(fā)生的破壞。試樣在測試段外破壞的原因是頭板與試樣局部分離，沒能起到限制軸向位移的作用。剔除不在測試段發(fā)生破壞的試樣后取平均值作為每組試樣的抗拉強度。

圖6 灰砂比1∶4、質量濃度70%、養(yǎng)護齡期28 d條件下的充填體試樣Fig.6 Cemented tailings backfill specimens with cement-sand ratio of 1∶4,slurry solid content of 70% and curing ages of 28 d

由于灰砂比為1∶10、質量濃度為68%、養(yǎng)護齡期為7 d時的尾砂膠結充填體試樣強度過低，受試驗裝置重力影響在很小的壓力下即會斷裂，或在安裝時發(fā)生破壞，所以無法獲得其強度值。其余47種工況的尾砂膠結充填體抗拉強度見表2。由表2可知，尾砂膠結充填體的抗拉強度隨灰砂比、質量濃度與齡期的變化均發(fā)生明顯變化，并呈現(xiàn)一定的規(guī)律。為單獨研究灰砂比、質量濃度、齡期對尾砂膠結充填體抗拉強度的影響并總結其規(guī)律，將待研究的因素設為變量，固定其他兩種影響因素，分析抗拉強度隨待研究因素的變化情況。

表2 不同配比齡期尾砂膠結充填體抗拉強度Table 2 Tensile strength of cemented tailings backfill with different proportions and curing ages

4.1 灰砂比對尾砂膠結充填體抗拉強度的影響

圖7為養(yǎng)護齡期分別為7 d、14 d、28 d時，質量濃度為68%、70%、72%、75%的試樣抗拉強度與灰砂比的關系。從圖7可以看出，在質量濃度和齡期相同時，尾砂膠結充填體抗拉強度隨著灰砂比的增大而增大，這是因為灰砂比越大，料漿中膠凝材料的含量越高，經(jīng)過水化反應會產生更多的水化硅酸鈣凝膠(C—S—H凝膠)，尾砂顆粒的連接更牢固，而且水泥水化產物越多，尾砂膠結充填體中的孔隙越少，強度越高[20]。

圖7 抗拉強度隨灰砂比的變化關系Fig.7 The relationship between tensile strength and cement-sand ratio

對數(shù)據(jù)進行線性擬合，擬合結果見表3。由表3可知，線性相關性系數(shù)R2全部在0.95以上，說明在一定質量濃度與齡期條件下，灰砂比與尾砂膠結充填體抗拉強度之間存在較強的線性關系，可用式(2)表示，與巴西劈裂試驗得到的結果相似[10-11]。

表3 抗拉強度與灰砂比的擬合結果Table 3 The results of tensile strength and cement-sand ratio fitting

y=a1+b1x

(2)

式中：y為抗拉強度;x為水泥含量;a1、b1取決于質量濃度、齡期等因素。

4.2 齡期對尾砂膠結充填體抗拉強度的影響

圖8給出了質量濃度分別為75%、72%、70%、68%時，灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10的試樣抗拉強度隨齡期的變化情況。由圖8可知，當質量濃度與灰砂比一定時，7～14 d尾砂膠結充填體抗拉強度的增長率高于14～28 d，這是因為前期水泥水化反應并不充分，充填體內仍持續(xù)發(fā)生水化反應生成C—S—H凝膠，強度提高較快；而后期隨著尾砂膠結充填體內未反應的水泥含量減少，水化反應速率逐漸降低，強度增長放緩。

圖8 抗拉強度隨齡期的變化關系Fig.8 The relationship between tensile strength and curing ages

根據(jù)強度變化規(guī)律對試驗結果進行對數(shù)擬合，結果見表4。由表4可知，尾砂膠結充填體抗拉強度與質量濃度之間呈對數(shù)函數(shù)關系，見式(3)。

表4 抗拉強度與齡期的擬合結果Table 4 The results of tensile strength and curing ages fitting

y=b2ln(t-a2)

(3)

式中：y為抗拉強度；t為齡期；a2、b2取決于質量濃度、灰砂比等因素。

4.3 質量濃度對尾砂膠結充填體抗拉強度的影響

圖9給出了灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10時，養(yǎng)護齡期為7 d、14 d、28 d時試樣抗拉強度隨質量濃度變化情況。由圖9可知，尾砂膠結充填體的抗拉強度隨質量濃度的提高而增加，并且大多數(shù)情況下抗拉強度的增長率也逐漸提高。由于缺少灰砂比1∶10、養(yǎng)護齡期7 d時的試驗數(shù)據(jù)，因此只對其余11種情況的試驗結果進行指數(shù)擬合(表5)。結果發(fā)現(xiàn)，只有灰砂比1∶10、養(yǎng)護齡期28 d這一種情況擬合結果不符合式(4)。

表5 抗拉強度與質量濃度擬合結果Table 5 The results of tensile strength and slurry solid content fitting

y=c+a3eb3r(a3>0)

(4)

式中：y為抗拉強度；r為質量濃度；a3、b3、c取決于齡期、灰砂比等因素。

由圖9可知，質量濃度為75%處的抗拉強度增長率明顯高于另外3種質量濃度，并且根據(jù)擬合曲線的函數(shù)關系，在質量濃度達到75%之后，較小的濃度提升都會顯著增加尾砂膠結充填體的抗拉強度。在對比相鄰灰砂比(如1∶4與1∶6、1∶6與1∶8)尾砂膠結充填體的抗拉強度時，低灰砂比質量濃度75%尾砂膠結充填體的抗拉強度要大于高灰砂比質量濃度70%、68%時的抗拉強度，說明在相同的抗拉強度需求下，將質量濃度提高至75%以上可以降低水泥含量，減少充填成本。

圖9 抗拉強度隨質量濃度的變化關系Fig.9 The relationship between tensile strength and slurry solid content

5 尾砂膠結充填體敏感性分析

通過上述分析得知，尾砂膠結充填體抗拉強度隨灰砂比、質量濃度與齡期的變化各不相同，說明抗拉強度對這三種影響因素的敏感性不同。首先對比灰砂比與質量濃度的敏感性差異，比較灰砂比1∶4與質量濃度68%、灰砂比1∶6與質量濃度70%、灰砂比1∶8與質量濃度72%、灰砂比1∶10與質量濃度75%四種配比的抗拉強度。如此選擇的原因在于這四組配比是將四種灰砂比和質量濃度按照一高一低的方式組合，對比這四種組合的抗拉強度可以定性分析灰砂比與質量濃度影響程度的大小。

從圖10可以看出，大多數(shù)情況下隨著灰砂比的降低，尾砂膠結充填體的抗拉強度也隨之降低，抗拉強度降低的幅度隨著質量濃度的提高而降低。當齡期為7 d和14 d時，灰砂比1∶10、質量濃度75%的尾砂膠結充填體抗拉強度并不是四種配比里的最低值，說明尾砂膠結充填體抗拉強度對灰砂比的敏感性高于質量濃度，但當質量濃度≥75%，質量濃度對尾砂膠結充填體抗拉強度的影響程度逐漸向灰砂比靠近。

圖10 相同齡期，不同配比條件下尾砂膠結充填體抗拉強度Fig.10 Tensile strength of cemented backfill with different cement-sand ratio and slurry solid content at the same curing ages

之前的研究表明，質量濃度≥75%時尾砂膠結充填體抗拉強度的敏感性有較大變化，因此在比較對質量濃度與齡期的敏感性差異時選擇質量濃度72%與齡期7 d、質量濃度70%與齡期14 d、質量濃度68%與齡期28 d三種工況下尾砂膠結充填體的抗拉強度。從圖11中可以看到，尾砂膠結充填體抗拉強度的變化不盡相同，當灰砂比為1∶6和1∶10時，三種組合的抗拉強度幾乎相等，表明尾砂膠結充填體抗拉強度對這兩種因素的敏感性接近。因此，尾砂膠結充填體抗拉強度對灰砂比的敏感程度最高，對齡期的變化相對不敏感。

圖11 相同灰砂比，不同質量濃度和齡期條件下的尾砂膠結充填體抗拉強度Fig.11 Tensile strength of cemented tailings backfill with different slurry solid content and curing ages at the same cement-sand ratio

6 結 論

針對尾砂膠結充填體抗拉強度測試以及變化規(guī)律方面存在的空白，本文提出了一種利用壓-拉轉換裝置帶模加載的直接拉伸試驗法，設計加工了相應的試驗裝置與養(yǎng)護模具，使用該方法獲得了47種工況尾砂膠結充填體的抗拉強度，并分析了抗拉強度分別隨灰砂比、質量濃度、齡期的變化規(guī)律，得到了以下結論。

1)利用壓-拉轉換的方式對尾砂膠結充填體進行直接拉伸試驗是可行的，但不便對抗拉強度小于100 kPa的充填體進行試驗。

2)尾砂膠結充填體抗拉強度隨灰砂比、質量濃度和齡期的變化關系可以分別用線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和對數(shù)函數(shù)表示。

3)當質量濃度≥75%時，較小的濃度提升會顯著增加尾砂膠結充填體的抗拉強度，在相同的抗拉強度需求下，將質量濃度提高至75%以上可以降低水泥用，降低充填成本。

4)灰砂比對于尾砂膠結充填體抗拉強度的影響最大，其次是≥75%的質量濃度，齡期與其他質量濃度對抗拉強度的影響相差不大。