基于級(jí)配分析的充填強(qiáng)度優(yōu)化研究

同樹(shù)鋒，李宏業(yè)，胡亞飛

(1.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌 737100;2.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

骨料級(jí)配是固體顆粒混合物體系的一個(gè)重要性質(zhì)，其定義為組成骨料的不同粒徑顆粒的比例關(guān)系。充填料漿中的所有骨料占到充填體積的三分之二以上，細(xì)顆粒填充粗顆粒之間的空隙，進(jìn)而減少骨料中的空隙率，提高密實(shí)度[1]，利用骨料充分發(fā)揮強(qiáng)度效應(yīng)，因而骨料級(jí)配是影響充填體強(qiáng)度的關(guān)鍵因素[2]。研究表明，骨料級(jí)配越好，則骨料之間的填隙效應(yīng)越顯著，可使骨料之間處于緊密嵌鎖狀態(tài)[3]。Fuller級(jí)配曲線是一種最大密度理想曲線，一般認(rèn)為骨料級(jí)配曲線越接近Fuller曲線，則級(jí)配越好[4-6]。何建元[7]等針對(duì)廢石全尾砂混合骨料粒徑級(jí)配展開(kāi)分析，發(fā)現(xiàn)這兩種骨料級(jí)配差無(wú)法單獨(dú)使用，當(dāng)廢石與全尾砂配比為6∶4與7∶3時(shí)，其粒度曲線與Fuller曲線接近，堆積密實(shí)度達(dá)到最大；張磊[8]等通過(guò)對(duì)粗骨料級(jí)配進(jìn)行研究指出，可用Talbol法對(duì)骨料級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化，且骨料級(jí)配對(duì)強(qiáng)度的影響非常顯著；李明琛[9]等通過(guò)分析骨料孔隙率對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)不同粒徑的骨料混合來(lái)降低孔隙率優(yōu)化骨料級(jí)配，可以提高混凝土的強(qiáng)度，且降低骨料孔隙率是優(yōu)化骨料級(jí)配的關(guān)鍵路徑。骨料級(jí)配對(duì)充填體強(qiáng)度有較大影響，而礦山在應(yīng)用充填技術(shù)時(shí)往往采用經(jīng)驗(yàn)法，選取的配比相對(duì)粗略。因此，有必要基于級(jí)配分析對(duì)充填體的強(qiáng)度優(yōu)化開(kāi)展研究。

為解決金川鎳礦在使用棒磨砂膠結(jié)充填時(shí)出現(xiàn)的充填強(qiáng)度低且水泥耗量大等問(wèn)題，對(duì)棒磨砂開(kāi)展級(jí)配分析，并提出采用廢石集料+棒磨砂為骨料的解決方案，以骨料堆積密實(shí)度為技術(shù)手段，選取最佳骨料級(jí)配，并基于現(xiàn)有配合比開(kāi)展強(qiáng)度試驗(yàn)，得出滿足強(qiáng)度要求下的水泥摻量等參數(shù)，對(duì)充填配比進(jìn)行優(yōu)化。研究結(jié)果可為同類礦山提供指導(dǎo)。

1 充填骨料級(jí)配分析

1.1 充填骨料

金川公司采用棒磨砂高濃度料漿管道自流輸送膠結(jié)充填技術(shù)，充填骨料為棒磨砂，棒磨砂取材于戈壁卵砂石，卵砂石經(jīng)“兩段一閉路”的破碎工藝和棒磨工藝后加工成-9.5 mm棒磨砂用以充填，其物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 棒磨砂物理參數(shù)

1.2 骨料級(jí)配分析

測(cè)定棒磨砂的級(jí)配并與Fuller理想級(jí)配進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 棒磨砂與Fuller級(jí)配比較

根據(jù)表2繪制棒磨砂及Fuller理想級(jí)配下各粒級(jí)區(qū)間的骨料分布頻度圖，如圖1所示。

圖1 棒磨砂與Fuller級(jí)配頻度比較Fig.1 Comparison of gradation frequency between bar grinding and Fuller

由表1及圖1可以看出，金川棒磨砂的粒徑分布呈粗粒級(jí)偏少、細(xì)粒級(jí)偏多的特征。其中0.074 mm與理想級(jí)配差別不大；但棒磨砂在0.074～0.63 mm區(qū)間顆粒含量偏多，與Fuller級(jí)配相比差值達(dá)50%；棒磨砂在2.36～4.75 mm區(qū)間的含量最高，而在區(qū)間4.75～9.5 mm內(nèi)的含量與Fuller級(jí)配相比偏少，差值達(dá)41%以上?？傮w來(lái)看，棒磨砂粒度1 mm以下達(dá)到40%左右，5 mm以下粒徑達(dá)80%以上，細(xì)粒級(jí)含量太大，而粗料含量偏少。

基于Talbol級(jí)配理論對(duì)棒磨砂的級(jí)配分布頻度進(jìn)行曲線擬合，該擬合曲線與Fuller曲線的對(duì)比見(jiàn)圖2。Talbol公式如式(1)所示：

P=100×(x/D)n

(1)

式中：P—所計(jì)算的集料粒徑x的通過(guò)率，%；D—集料的最大粒徑，mm；n—級(jí)配指數(shù)，n=0.5時(shí)該公式即為Fuller公式。

圖2 棒磨砂粒度曲線與Fuller曲線比較Fig.2 Comparison of the particle size curve of the rod grinding with the Fuller curve

由圖2可知，F(xiàn)uller理想級(jí)配對(duì)骨料的要求是，在連續(xù)的級(jí)配中骨料的含量隨粒徑的增大而增多，而棒磨砂粒徑分布卻沒(méi)有表現(xiàn)出此趨勢(shì)，說(shuō)明棒磨砂某些組分間斷或缺失，級(jí)配不良；棒磨砂擬合曲線的n值低于Fuller曲線，對(duì)比可知，棒磨砂中粗料含量偏少。這是導(dǎo)致金川棒磨砂高濃度自流充填水泥用量大(310 kg/m3)而充填質(zhì)量差的核心原因之一。

2 充填骨料級(jí)配優(yōu)化

2.1 基于骨料堆積密實(shí)度的級(jí)配優(yōu)化

棒磨砂的細(xì)粒級(jí)含量太高、粗粒含量偏低。為優(yōu)化骨料級(jí)配，以廢石集料為粗骨料、棒磨砂為細(xì)骨料，通過(guò)開(kāi)展骨料堆積密實(shí)度試驗(yàn)來(lái)確定兩種骨料的配比，以最大化地發(fā)揮骨料間的強(qiáng)度效應(yīng)。該試驗(yàn)采用稱重法，試驗(yàn)用粗骨料為金川礦山的破碎廢石集料，粒徑均在12 mm以下，物理參數(shù)見(jiàn)表3，細(xì)骨料為棒磨砂(表1)。

表3 粗骨料物理參數(shù)

混合骨料的堆積密實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 骨料堆積密實(shí)度

骨料密實(shí)度與廢石集料占混合料比例的關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。

圖3 廢石集料占比與密實(shí)度的關(guān)系Fig.3 The relationship between the proportion of waste rock aggregate and compactness degree

由表4及圖3可知，骨料級(jí)配決定了骨料的密實(shí)度。隨著廢石集料在混合料中占比的增大，骨料堆積密實(shí)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)廢石集料所占比例為0.5(廢石∶風(fēng)砂=5∶5)時(shí)，混合骨料堆積密實(shí)度最大為0.728，說(shuō)明此時(shí)混合料級(jí)配較好。當(dāng)廢石集料所占比例小于0.5時(shí)，棒磨砂在混合體系中占據(jù)主導(dǎo)作用，而作為粗骨料的廢石顆粒隨機(jī)分散在細(xì)料散體中，粗骨料與細(xì)骨料之間未嵌合而產(chǎn)生松動(dòng)效應(yīng)；隨著廢石破碎集料的增多，粗顆粒逐漸形成一定的“骨架”結(jié)構(gòu)，這種情況下細(xì)顆粒主要起到“填隙”作用，廢石集料所占比例為0.5時(shí)，“填隙”作用達(dá)到最大；隨著粗骨料的進(jìn)一步增多，由于細(xì)粒料減少無(wú)法完全“填隙”，導(dǎo)致混合料的堆集密實(shí)度逐漸降低。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與分析，當(dāng)廢石在混合料中的占比在0.4～0.6時(shí)骨料最密實(shí)，因此推薦石砂比4∶6、5∶5、6∶4三組配比開(kāi)展級(jí)配分析。

2.2 混合骨料級(jí)配分析

將廢石與棒磨砂分別按照4∶6、5∶5和6∶4三種配比混合后，對(duì)混合料開(kāi)展級(jí)配分析，其粒級(jí)分布見(jiàn)表5。

表5 混合料級(jí)配與Fuller級(jí)配比較

根據(jù)表5的測(cè)試結(jié)果，使用origin軟件對(duì)混合料級(jí)配進(jìn)行Talbol函數(shù)曲線擬合，并與Fuller曲線進(jìn)行比較，級(jí)配擬合曲線見(jiàn)圖4。

圖4 混合料級(jí)配擬合曲線Fig.4 Mixture gradation fitting curve

由表5及圖4可以看出，廢石+棒磨砂配比為4∶6～5∶5時(shí)的混合料級(jí)配與Fuller級(jí)配較接近，其中4∶6配比的細(xì)粒含量、5∶5配比的粗粒含量較Fuller級(jí)配稍高，但差值都在5%的范圍內(nèi)，級(jí)配較好；6∶4配比的粗料含量相較Fuller級(jí)配相差較大，級(jí)配稍差。另外，廢石+棒磨砂配比為4∶6、5∶5和6∶4對(duì)應(yīng)的級(jí)配指數(shù)n分別為0.49、0.51和0.53，即隨著廢石摻量的增加，級(jí)配指數(shù)表現(xiàn)出逐漸增大的規(guī)律。

總體來(lái)看，廢石+棒磨砂5∶5混合料的堆積密實(shí)度最高，與Fuller理想級(jí)配最接近，說(shuō)明其級(jí)配組分最好。

2.3 配合比試驗(yàn)強(qiáng)度測(cè)試

為研究新骨料配比對(duì)充填強(qiáng)度的影響，采取控制變量法，依據(jù)金川高濃度料漿充填工藝，膠凝材料選擇金川公司生產(chǎn)的P·O42.5R高性能水泥，以水泥摻量為變量，為保證充填料漿的工作性，水泥摻量控制在240～310 kg/m3；保持料漿濃度為78%、砂石比為5∶5。試驗(yàn)方案見(jiàn)表6。

表6 配合比試驗(yàn)方案

選用100 mm×100 mm×100 mm鋼制模具制作試件，試塊拆模后在恒溫恒濕標(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)；考察試塊的3、7和28 d單軸抗壓強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 配合比測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表7繪制出不同水泥摻量下試塊單軸抗壓強(qiáng)度的變化曲線，見(jiàn)圖5。

圖5 不同水泥摻量下的強(qiáng)度曲線Fig.5 Strength curves under different cement contents

由表7以及圖5可知，隨著水泥摻量的增加，充填體3 d、7 d和28 d強(qiáng)度逐漸提高，且28 d強(qiáng)度明顯高于3 d和7 d強(qiáng)度。根據(jù)金川公司對(duì)充填體強(qiáng)度的要求(R3≥1.5 MPa、R7≥2.5 MPa、R28≥5 MPa)，在保持料漿濃度78%的條件下，采用廢石+棒磨砂為骨料且砂石比為5∶5，當(dāng)水泥摻量為260 kg/m3時(shí)，充填體即可達(dá)到強(qiáng)度要求；相對(duì)比，金川公司使用棒磨砂為骨料，同種條件下需要水泥摻量至少達(dá)到310 kg/m3才能滿足強(qiáng)度要求，相較前者多消耗水泥20%以上。說(shuō)明良好的骨料級(jí)配可以提高充填體強(qiáng)度、降低水泥用量。

這意味著在設(shè)計(jì)配合比時(shí)，對(duì)于特定的強(qiáng)度要求，可以通過(guò)優(yōu)化骨料級(jí)配來(lái)降低水泥用量，節(jié)約充填成本。當(dāng)充填骨料達(dá)到最大堆積密實(shí)度的配比時(shí)，骨料級(jí)配可以達(dá)到最佳狀態(tài)，骨料中的粗粒和細(xì)粒相互緊密嵌合形成“骨架結(jié)構(gòu)”，以最大化地發(fā)揮強(qiáng)度效應(yīng)，進(jìn)而提高充填體強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1)對(duì)金川公司作為主要充填骨料的棒磨砂開(kāi)展級(jí)配分析并與Fuller理想級(jí)配進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，棒磨砂的粒徑分布呈細(xì)粒級(jí)偏多、粗粒級(jí)偏少的特征，級(jí)配不良，不能單獨(dú)作為骨料使用。其1 mm以下粒徑達(dá)到40%，5 mm以下粒徑達(dá)80%以上，粗粒含量偏少，會(huì)導(dǎo)致粗粒與細(xì)粒無(wú)法形成嵌合結(jié)構(gòu)，對(duì)較粗的顆粒造成“松動(dòng)效應(yīng)”，無(wú)法形成“骨架”。

2)為優(yōu)化骨料級(jí)配，提出將廢石集料與棒磨砂作為骨料，將骨料堆積密實(shí)度作為研究手段。在混合料中，隨著廢石集料的增加，混合料堆積密實(shí)度呈“拱形”先增大后減小，當(dāng)砂石比為5∶5時(shí)，密實(shí)度達(dá)到最大值為0.728；對(duì)達(dá)到最大密實(shí)度的骨料配比開(kāi)展級(jí)配分析發(fā)現(xiàn)，該級(jí)配與Fuller理想級(jí)配最接近，級(jí)配粒級(jí)分布最好。另外，混合料的粗粒含量越高，其級(jí)配指數(shù)n越大。

3)良好的骨料級(jí)配可以提高充填體強(qiáng)度、降低水泥用量。在保持料漿濃度78%的條件下，采用廢石+棒磨砂為骨料且砂石比為5∶5(最佳級(jí)配)，當(dāng)水泥摻量為260 kg/m3時(shí)，充填體即可達(dá)到強(qiáng)度要求。金川公司以棒磨砂為骨料，同種條件下需要水泥摻量至少達(dá)到310 kg/m3，該配合比相較前者需要多消耗水泥20%左右。