膏體早期超聲波特性研究

牛雷雷，朱萬(wàn)成，張 瑞，趙園春，李 智，韓明訊(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

礦山開(kāi)采過(guò)程中不僅會(huì)形成大量的采空區(qū)，而且會(huì)產(chǎn)生大量尾礦，大量采空區(qū)會(huì)引起地表沉降甚至塌陷，而尾礦堆積在尾礦庫(kù)占用土地資源并污染環(huán)境。將尾礦制備成充填體充入采空區(qū)，不僅解決了尾礦對(duì)土地資源的占用而且有益于環(huán)境保護(hù)，采空區(qū)被充入尾礦后會(huì)改善圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)而減弱地表沉降[1-2]。膏體充填材料具有濃度高、流動(dòng)狀態(tài)為柱塞結(jié)構(gòu)、料漿不離析、填充體壓縮率低等特點(diǎn)，使得膏體充填成為一種受歡迎的充填采礦法。膏體充填在短期內(nèi)形成具有一定強(qiáng)度的支護(hù)體以維持圍巖穩(wěn)定和防止地表沉降，膏體作為支護(hù)體，其穩(wěn)定與否是充填效果好壞的重要依據(jù)，因此有關(guān)膏體固化過(guò)程的研究已成為當(dāng)前的熱點(diǎn)[3-6]。

膏體硬化過(guò)程受諸多因素的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從水化、硬化以及力學(xué)特性等角度出發(fā)，通過(guò)改變膏體原料的配比開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，研究膏體硬化過(guò)程的應(yīng)力、應(yīng)變、剛度和強(qiáng)度等宏觀力學(xué)行為的變化規(guī)律[7-10]?，F(xiàn)有研究集中于較長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)周期的膏體特性探討[11-15]，由于膏體養(yǎng)護(hù)初期的力學(xué)參數(shù)較難測(cè)定，膏體在制備完成短期內(nèi)的水化反應(yīng)及初凝過(guò)程尚未研究清楚，因此，本文針對(duì)膏體48 h內(nèi)的變化進(jìn)行測(cè)試，研究其養(yǎng)護(hù)初期的特性。

聲發(fā)射和超聲波測(cè)速均被視為能夠測(cè)定和評(píng)估巖石及混凝土材料聲學(xué)特性的有效手段[16-22]。然而對(duì)于膏體這種軟弱材料，早期的硬化過(guò)程沒(méi)有明顯的脆性特征和強(qiáng)度特性，聲發(fā)射現(xiàn)象很難觀測(cè)到[23]。超聲波可以用來(lái)量化砂漿、混凝土等膠凝材料的硬化過(guò)程[24-25]，并且超聲波特性與膠凝材料的硬化過(guò)程有明顯的相關(guān)性[26-28]。ROBEYST等[29]通過(guò)利用超聲波技術(shù)測(cè)定不同礦渣摻量的混凝土驗(yàn)證了用超聲特性表征膠凝材料凝結(jié)過(guò)程的有效性，并發(fā)現(xiàn)凝結(jié)過(guò)程與波速-時(shí)間曲線之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。BELIE等[30]利用超聲波研究了不同外加劑對(duì)噴射混凝土用砂漿的凝結(jié)和硬化過(guò)程，結(jié)果表明超聲能量與砂漿凝結(jié)過(guò)程密切相關(guān)，這說(shuō)明超聲特性對(duì)砂漿的硬化過(guò)程較敏感。DELRO等[31]通過(guò)利用超聲設(shè)備檢測(cè)混凝土，表明混凝土試件的抗壓強(qiáng)度與P波波速之間存在指數(shù)關(guān)系。KRAU?[32]借助超聲技術(shù)確定了混凝土的初始水化程度，并提出了確定最終凝結(jié)時(shí)間上下界的方法。AGGELIS等[33-34]基于超聲波技術(shù)研究了聲波在新制混凝土中的彌散特性。REINHARDT[35]建立了一種基于超聲波檢測(cè)的混凝土質(zhì)量控制裝置，實(shí)測(cè)結(jié)果表明初凝時(shí)間可由波速確定，而終凝時(shí)間不易定量表征。KAMADA等[36]從宏觀和微觀兩個(gè)層面探究了超聲波傳播特性與水泥砂漿凝結(jié)、硬化特性之間的關(guān)系，認(rèn)為波形最大幅值可充分反映水泥砂漿抗剪強(qiáng)度的變化。ZHANG等[37]和LIU等[38]利用膠凝材料現(xiàn)場(chǎng)超聲監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，分析了水灰比、溫度、骨料、礦物附加劑等因素對(duì)早期混凝土微觀結(jié)構(gòu)演化特征的影響。雖然超聲波檢測(cè)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于混凝土類材料的特性檢驗(yàn)中，并且一系列研究結(jié)果充分說(shuō)明了膠凝類材料與超聲特性之間的相關(guān)性，但是膏體與混凝土基材料微觀結(jié)構(gòu)及性質(zhì)之間存在較大差異，所以開(kāi)展膏體相關(guān)的超聲特性研究仍然十分必要。因此，本文采用超聲無(wú)損監(jiān)測(cè)裝置對(duì)制備48 h內(nèi)膏體初凝過(guò)程展開(kāi)研究，分析不同膠結(jié)劑含量和不同養(yǎng)護(hù)齡期膏體的聲學(xué)特性，進(jìn)而為膏體早期的強(qiáng)度形成和初凝測(cè)試提供參考。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試樣制備

1.1 充填體超聲特性檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)

超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)被廣泛用于混凝土材料物理力學(xué)性能測(cè)定之中，本文將其應(yīng)用于充填體硬化過(guò)程測(cè)試。如圖1所示，充填體超聲特性檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)由超聲發(fā)射源、發(fā)射探頭、膏體試件、接收探頭、示波器和計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)等裝置組成。超聲信號(hào)由發(fā)射源發(fā)出，分兩條路徑傳入示波器，一條直接傳入示波器，另一條依次經(jīng)發(fā)射探頭、試件、接收探頭傳入示波器，由此形成閉合回路，示波器采集到的超聲波波形存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)膏體之后波形特性會(huì)產(chǎn)生變化，通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)膏體在48 h內(nèi)的超聲波波形，分析充填體硬化過(guò)程中的聲波特性。

圖1 充填體超聲特性檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Experimental system of ultrasonic wave characteristic test

1.2 試樣制備

本文制作的膏體試樣由人工硅尾砂、膠結(jié)劑和水等三部分組成。其中，膠結(jié)劑是普通硅酸鹽水泥Ⅰ型，試驗(yàn)用水為自來(lái)水，膠結(jié)尾砂為重量含量百分?jǐn)?shù)為99.8%的人工硅尾砂。本文試驗(yàn)所用尾砂和閆保旭等[5]論文中所用尾砂相同，幾乎不含可能對(duì)試驗(yàn)分析造成干擾的其他化學(xué)成分，同時(shí)與山東黃金集團(tuán)有限公司新城金礦尾礦的粒徑分布相似，為以后試驗(yàn)結(jié)果在新城金礦充填采礦過(guò)程中充填體力學(xué)特性測(cè)試提供參考。如圖2所示，借助Malvern Mastersizer 2000激光分析儀測(cè)試了人工硅尾砂的組成及粒徑分布，粒徑尺寸小于20 μm的細(xì)粒質(zhì)量含量約為42%，根據(jù)粒徑累計(jì)曲線、式(1)和式(2)，計(jì)算得到顆粒不均勻系數(shù)為17.7，曲率系數(shù)為1.3。

(1)

(2)

圖2 人工硅尾砂粒徑尺寸分布曲線Fig.2 Particle size distribution curves of silica tailings(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[26])

為了研究膠結(jié)劑含量對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期在48 h以內(nèi)的膏體超聲特性的影響，分別制作了膠結(jié)劑含量為3%、5%和7%的三組膏體試樣，其中膏體試樣中固體含量為75%。首先，利用圖3(a)所示的電子天平按照表1中的尾砂、膠結(jié)劑和水比例稱取，表1中水灰比計(jì)算公式見(jiàn)式(3)；其次，將水、尾砂和膠結(jié)劑放入圖3(a)所示攪拌設(shè)備中攪拌均勻，攪拌均勻后的膏體如圖3(b)所示；再次，制備好的膏體迅速澆筑入50 mm×100 mm×100 mm的有機(jī)玻璃模具，并放入恒溫恒濕箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；最后，每間隔2 h利用充填體超聲特性檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)膏體試樣進(jìn)行測(cè)試(圖3(c))。

水灰比=

(3)

式中，固體含量為試件中尾砂和膠結(jié)劑占試件質(zhì)量的百分比。

圖3 材料稱量和攪拌設(shè)備及制備的膏體Fig.3 Weighing and stirring equipment and prepared cemented paste backfill

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 膏體養(yǎng)護(hù)48 h內(nèi)超聲波波速變化特性

如圖4(a)所示，A組試樣中膠結(jié)劑含量為3%，隨著膏體試樣養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，測(cè)得的超聲波P波波速增大，波速與養(yǎng)護(hù)時(shí)間成指數(shù)曲線。由于膏體濃度為75%，制備完成后水含量較高， 超聲波在液相介質(zhì)中傳播速度低于固相介質(zhì)，因此，隨著時(shí)間的推移，膏體中的膠結(jié)劑、尾砂和水等化學(xué)成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，試件內(nèi)部水化產(chǎn)物逐漸增多，水含量降低，固相介質(zhì)在整個(gè)膏體試件中占比增大，超聲波在膏體試件中的傳播速度增大。 在0～1 300 min內(nèi)，P波波速隨著時(shí)間的增大而近似線性增長(zhǎng)，而在1 500 min后，P波波速的增長(zhǎng)速率出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但是整體上在48 h內(nèi)超聲波P波波速一直處于上升的趨勢(shì)。這就表明在膏體試件養(yǎng)護(hù)的48 h之內(nèi)，試件內(nèi)部的水化反應(yīng)尚未完全結(jié)束，但是養(yǎng)護(hù)的化學(xué)反應(yīng)隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸衰弱。

表1 膏體試樣原料配比Table 1 Raw material ratio of paste sample

如圖4(b)所示，B組試樣中膠結(jié)劑含量為5%，超聲波P波速度同樣隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)而增大，并且其變化趨勢(shì)和圖4(a)中曲線相似，但是由于膏體試樣中膠結(jié)劑含量增大，對(duì)試樣中水化反應(yīng)起到一定的抑制作用，導(dǎo)致B組試樣超聲P波的波速增長(zhǎng)速率低于A組試樣。

如圖4(c)所示，C組試樣中膠結(jié)劑含量為7%，隨著膏體試樣養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，測(cè)得的超聲波P波波速先保持穩(wěn)定然后突然急速增大，最后再次保持穩(wěn)定，這與前2組試樣的波速隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化情況出現(xiàn)明顯差異。在試樣制作完成時(shí)，C組試樣測(cè)得的波速初值相比A組試樣和B組試樣增大了約25%，但在前1 000 min內(nèi)，波速幾乎保持不變；在1 000～2 880 min內(nèi)，波速急劇變化，增長(zhǎng)速率先增大后減小，在接近2 000 min時(shí)出現(xiàn)增速最大值。 這可能是因?yàn)榍? 000 min內(nèi)，水化反應(yīng)處于初期，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物較少，導(dǎo)致的超聲波波速增長(zhǎng)較?。煌瑫r(shí)水化過(guò)程需要消耗較多水，進(jìn)而產(chǎn)生較多的孔隙，導(dǎo)致超聲波波速衰減較大。當(dāng)膠結(jié)劑含量為7%時(shí)，水化反應(yīng)產(chǎn)生孔隙，對(duì)波速衰減的影響和水化產(chǎn)物對(duì)波速增加的影響相當(dāng)，超聲波波速保持近似穩(wěn)定。由于膠結(jié)劑含量增加產(chǎn)生的水化產(chǎn)物增多，因此C組試樣測(cè)得的波速初值比A組和B組大。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，水化產(chǎn)物增多，尾砂顆粒和水化產(chǎn)物混合更加充分，試樣整體的致密性急劇增強(qiáng)，超聲P波波速急速增大。隨著時(shí)間的推移，試樣內(nèi)部的水化反應(yīng)逐漸減弱，導(dǎo)致水化產(chǎn)物的生成速度下降，超聲P波波速增長(zhǎng)速率也下降，但是養(yǎng)護(hù)48 h之內(nèi)，試樣內(nèi)部的水化反應(yīng)并未完全結(jié)束，因此波速仍在增長(zhǎng)[26]。

圖4 不同膠結(jié)劑含量膏體超聲波速Fig.4 Ultrasonic wave velocity of paste with different cement content

綜上所述，在養(yǎng)護(hù)時(shí)間48 h之內(nèi)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，超聲P波的傳播速度增大；隨著膠結(jié)劑含量的增多，水化反應(yīng)初期超聲P波的傳播速度增長(zhǎng)速率降低；超聲P波速度-養(yǎng)護(hù)齡期曲線變化從側(cè)面可以反映試樣中水化反應(yīng)程度。

圖5 不同膠結(jié)劑含量膏體超聲頻譜Fig.5 Ultrasonic spectrum of paste with differentcement content

2.2 膏體養(yǎng)護(hù)48 h內(nèi)超聲波頻譜特性

如圖5所示，將透過(guò)膏體試樣接收到的超聲波波形進(jìn)行傅里葉變換，研究頻域內(nèi)養(yǎng)護(hù)時(shí)間和膠結(jié)劑含量對(duì)超聲波特性的影響。如圖5(a)所示，在500 min之內(nèi)，超聲波主要有2個(gè)頻帶，主頻帶為18～20 kHz，次頻帶為30～40 kHz，由于養(yǎng)護(hù)時(shí)間處于500 min之內(nèi)，試樣處于水化反應(yīng)的初期，試樣內(nèi)部的水較多，同時(shí)存在水化產(chǎn)物、尾砂和膠結(jié)劑導(dǎo)致試樣內(nèi)部成分比較復(fù)雜，頻率在20～30 kHz之間的超聲波通過(guò)試樣時(shí)衰減厲害。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，水化反應(yīng)產(chǎn)物的增多和水分的減少，超聲波透過(guò)試樣之后頻譜變得連續(xù)，同時(shí)主頻帶范圍擴(kuò)大，主要處于18～40 kHz，表明通過(guò)超聲波頻譜的變化可以推測(cè)水化反應(yīng)的時(shí)間及劇烈程度。如圖5(b)和圖5(c)所示，養(yǎng)護(hù)時(shí)間500 min之內(nèi)，超聲波同樣有2個(gè)頻帶，主頻帶為30～50 kHz，次頻帶為18～20 kHz，頻率在20～30 kHz之間的超聲波同樣衰減劇烈。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，超聲波的頻帶范圍聚集到18～40 kHz之間?？傮w上，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，透過(guò)試樣的超聲波頻譜有離散向中間集聚。在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1 250～2 000 min之間，圖5(a)中頻譜帶比較連續(xù)，主要集中在18～40 kHz，同時(shí)頻譜帶變化不大；在圖5(c)中，頻譜帶首先從2個(gè)頻譜帶18～20 kHz和30～50 kHz變化到1個(gè)頻譜帶18～20 kHz，然后再擴(kuò)展到18～40 kHz。從圖5(a)和圖5(c)的對(duì)比可以看出，隨著試樣膠結(jié)劑含量的增加，試樣的水化反應(yīng)受到影響，結(jié)合圖4中超聲波波速的變化可知，膠結(jié)劑含量為3%試樣的水化反應(yīng)過(guò)程較平穩(wěn)，膠結(jié)劑含量為7%試樣的水化反應(yīng)在養(yǎng)護(hù)時(shí)間1 250～2 000 min之間反應(yīng)劇烈，造成超聲波波速和頻譜有較大的變化，超聲波頻譜向中間集聚的時(shí)間增長(zhǎng)。

2.3 膏體養(yǎng)護(hù)48 h內(nèi)超聲波幅值衰減特性

超聲波通過(guò)處于初凝期的膏體之后，波包中首個(gè)波形的幅值會(huì)衰減，超聲波首波幅值的衰減程度可以在一定程度反應(yīng)試樣的初凝情況。如圖6所示，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，超聲波首波幅值增加，這是由于在養(yǎng)護(hù)時(shí)間48 h之內(nèi)，膏體中尾砂、水和膠結(jié)劑產(chǎn)生水化反應(yīng)，導(dǎo)致膏體中的水減少而水化產(chǎn)物增多，因此隨著齡期的增長(zhǎng)，膏體的彈性模量和強(qiáng)度增大，超聲波通過(guò)膏體首波幅值衰減幅度變小，首波幅值變大。對(duì)于不同膠結(jié)劑含量的膏體，相同養(yǎng)護(hù)齡期下，超聲波通過(guò)膏體后幅值相近，表明在膏體初凝的48 h之內(nèi)和膠結(jié)劑含量為3%～7%時(shí)，膠結(jié)劑的含量對(duì)超聲波首波幅值衰減影響不大，超聲波首波幅值對(duì)膠結(jié)劑含量不敏感。

圖6 不同膠結(jié)劑含量膏體超聲首波幅值Fig.6 Ultrasonic first wave amplitude of paste withdifferent cement content

3 結(jié) 論

本文對(duì)膠結(jié)劑含量和養(yǎng)護(hù)齡期不同的膏體試樣開(kāi)展了48 h內(nèi)的超聲波測(cè)試，分析了超聲波的波速、頻譜和首波幅值變化，得到的結(jié)論如下所述。

1) 在養(yǎng)護(hù)時(shí)間48 h之內(nèi)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，超聲P波波速顯著增大；隨著膠結(jié)劑含量的增多，養(yǎng)護(hù)初期超聲波的傳播速度增長(zhǎng)速率降低；超聲P波速度-養(yǎng)護(hù)齡期曲線變化從側(cè)面可以反應(yīng)試樣中水化反應(yīng)程度。

2) 隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，透過(guò)試樣的超聲波頻譜有離散向中間集聚，隨著試樣膠結(jié)劑含量的增加，超聲波頻譜集聚時(shí)間增長(zhǎng)。

3) 在養(yǎng)護(hù)時(shí)間48 h之內(nèi)，透過(guò)膏體試樣的超聲波首波幅值隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大，但是首波幅值對(duì)膠結(jié)劑含量不敏感。

致謝在充填體的制備和測(cè)試過(guò)程中，東北大學(xué)的閆保旭和仝文慧給予大量幫助，在此特別感謝。