廢石尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度與水灰比關(guān)系研究

吳祥輝 朱 斌 王鵬華

(1.西北有色地質(zhì)礦業(yè)集團(tuán)有限公司；2.渭南市環(huán)境科學(xué)研究所)

充填料漿一般由水、水泥和骨料3部分組成，這3種材料的不同配比形成不同性能的料漿。在實(shí)際生產(chǎn)中，骨料、水和水泥的用量存在最優(yōu)配合比，以達(dá)到成本最低、強(qiáng)度最高和工業(yè)要求。水灰比對(duì)膠結(jié)體初期強(qiáng)度起著重要的作用。水灰比為單位體積料漿中水與水泥的質(zhì)量比。在灰砂比和料漿濃度等條件相同的情況下，水灰比對(duì)膠結(jié)體強(qiáng)度影響很大。大量的研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，膠結(jié)體強(qiáng)度隨水灰比的減小而增加。如果水灰比過(guò)小，直接影響水泥的水化反應(yīng)和料漿流動(dòng)性能；如果水灰比過(guò)大，料漿將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的離析現(xiàn)象，膠結(jié)體強(qiáng)度大大降低，直接影響使用效果[1-4]。因此，深入研究膠結(jié)體強(qiáng)度與水灰比關(guān)系，尋求料漿組成最佳配比，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)中所使用的骨料為廢石(-8 mm)和尾砂。室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定廢石集料的密度為2.799 t/m3，孔隙度為0.376；試驗(yàn)測(cè)定的尾砂密度為2.441 t/m3，孔隙度為0.478。

本次試驗(yàn)選定廢石尾砂比為7∶3，料漿質(zhì)量濃度設(shè)計(jì)為76%、77%、78%、79%、80%、81%、82% ，單位體積料漿水泥用量分別為60，80，100，120，140，160，180，200，220，240，260，280，300 kg。試驗(yàn)中，根據(jù)自密實(shí)充填特點(diǎn)，試塊裝模時(shí)自然裝填，不振動(dòng)，不搗實(shí)。根據(jù)充填技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用電子秤計(jì)量(精確到克)，人工攪拌，選用100 mm×100 mm×100 mm鋼制模具制作試件，用SBY-300型恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱按溫度28 ℃、濕度85%條件對(duì)試塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)[5]。

2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

用NYL-600型壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件28 d抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行測(cè)定，得到91個(gè)試驗(yàn)值，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試塊28 d單軸抗壓強(qiáng)度

續(xù)表

根據(jù)試驗(yàn)方案及結(jié)果，作出水灰比與強(qiáng)度關(guān)系散點(diǎn)圖(圖1)。根據(jù)圖形走勢(shì)，初選4種函數(shù)模型對(duì)水灰比與強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行回歸擬合。

圖1 水灰比與強(qiáng)度關(guān)系散點(diǎn)

(1)冪函數(shù)模型為

y=axb,

(1)

式中，x為水灰比；y為試塊28 d強(qiáng)度，MPa；a、b為回歸系數(shù)。

使用回歸分析軟件進(jìn)行回歸擬合，結(jié)果見(jiàn)圖2。方差分析結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 冪函數(shù)擬合結(jié)果

項(xiàng)目自由度平方和均方差FProb>F回歸22 326.936 081 163.468 044 917.907 60殘差8921.055 430.236 58未修正和912 347.991 5修正和90644.643 69

方程顯著性檢驗(yàn)為F=4 917.91>F0.995(2,89)=6.07>F0.99(2,89)=5.18，屬高度顯著[6]。

(2)雙曲線函數(shù)模型為

(2)

式中，x為水灰比；y為試塊28 d強(qiáng)度，MPa；T1、T2為回歸系數(shù)。

使用分析回歸軟件進(jìn)行回歸擬合，結(jié)果見(jiàn)圖3。方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 雙曲線函數(shù)擬合結(jié)果

項(xiàng)目自由度平方和均方差FProb>F回歸22 203.444 781 101.722 39678.350 170殘差89144.546 721.624 12未修正和912 347.991 5修正和90644.643 69

方程顯著性檢驗(yàn)為F=678.35>F0.995(2,89)=6.07>F0.99(2,89)=5.18，屬高度顯著。

(3)倒指數(shù)函數(shù)模型為

y=aeb/x,

(3)

式中，x為水灰比；y為試塊28 d強(qiáng)度，MPa；a、b為回歸系數(shù),b>0。

使用分析回歸軟件進(jìn)行回歸擬合，結(jié)果見(jiàn)圖4。方差分析結(jié)果見(jiàn)表4。

圖4 倒指數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果

項(xiàng)目自由度平方和均方差FProb>F回歸22 289.125 591 144.562 791 730.476 560殘差8958.865 920.661 41未修正和912 347.991 5修正和90644.643 69

方程顯著性檢驗(yàn)為F=1 730.48>F0.995(2,89)=6.07>F0.99(2,89)=5.18，屬高度顯著。

(4)一階衰減指數(shù)函數(shù)為

y=A1e-x/t1+y0，

(4)

式中，x為水灰比；y為試塊28 d強(qiáng)度，MPa；A1、t1、y0為回歸系數(shù)。

使用分析回歸軟件進(jìn)行回歸擬合，結(jié)果如圖5所示。方差分析結(jié)果見(jiàn)表5。

圖5 一階衰減指數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果

項(xiàng)目自由度平方和均方差FProb>F回歸32 333.411 37777.803 794 694.518 90殘差8814.580 140.165 68未修正和912 347.991 5修正和90644.643 69

方程顯著性檢驗(yàn)為F=4 694.52>F0.995(3,88)=5.01>F0.99(3,88)=4.33，屬高度顯著。

3 結(jié) 論

(1)由方差分析結(jié)果可知，4種函數(shù)模型均有較大的顯著性檢驗(yàn)值F，查表可知，擬合方程均高度顯著[6]。

(2)用冪函數(shù)模型表達(dá)水灰比與強(qiáng)度關(guān)系，具有一定的適用性，相關(guān)系數(shù)平方為0.966 97，誤差平方和只占到總離差平方和不到4%，能較為準(zhǔn)確地反映出兩者之間的內(nèi)在關(guān)系，同時(shí)也驗(yàn)證了Arioglu模型的適用性[7-8]。

(3)雙曲線函數(shù)模型擬合結(jié)果相關(guān)系數(shù)偏低，誤差平方和占到總離差平方和近23%，說(shuō)明該函數(shù)模型不適合表達(dá)水灰比與強(qiáng)度的關(guān)系。

(4)倒指數(shù)函數(shù)模型擬合相關(guān)系數(shù)較雙曲線模型有大幅提高，但誤差平方和占到總離差平方和近10%，誤差仍然較大。

(5)一階衰減指數(shù)函數(shù)模型具有最高的擬合相關(guān)系數(shù)0.976 87，誤差平方和占到總離差平方和不到3%，說(shuō)明使用該函數(shù)模型表達(dá)水灰比與強(qiáng)度之間關(guān)系，誤差最小，結(jié)果最精確，擬合度最高。

(6)模型中尚未考慮灰砂比和骨料堆積密實(shí)度2個(gè)重要因素對(duì)充填體強(qiáng)度的影響，強(qiáng)度預(yù)測(cè)結(jié)果難免出現(xiàn)一定偏差。因此，作為今后進(jìn)一步研究的方向，綜合分析多因素對(duì)充填體強(qiáng)度的影響，全面反映各因素與強(qiáng)度之間的關(guān)系，該模型仍有完善空間。