不同粗骨料對膏體強(qiáng)度性能的影響及配比優(yōu)化

王洪江 楊亞楠 王小林

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,北京 100083)

膏體是多尺度散體材料與水復(fù)合而成的無泌水、牙膏狀結(jié)構(gòu)流體[1]。膏體充填技術(shù)將地表堆積的尾砂、廢石、冶煉爐渣等固體廢棄物制備成膏體,充填到井下采空區(qū),既提高了井下生產(chǎn)作業(yè)的安全,又充分利用了地表廢棄物,體現(xiàn)了“安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)?！钡膬?nèi)涵,是礦業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)和發(fā)展新方向[2-4]。近年來,深地開采對充填體力學(xué)性能提出了新要求,要求充填體凝結(jié)快、強(qiáng)度高、微膨脹。為了提高充填體強(qiáng)度,國內(nèi)外學(xué)者對膏體力學(xué)性能、配比優(yōu)化設(shè)計以及微觀結(jié)構(gòu)特征等進(jìn)行了大量研究。尹升華等[5-6]研究了膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粗骨料配比等對充填體力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明粗骨料粒徑大小是充填體抗壓強(qiáng)度的主要影響因素。韓悅等[7]進(jìn)行了全尾—水淬渣膏體充填配比優(yōu)化研究,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高灰砂比可以縮短凝結(jié)時間、提高膏體強(qiáng)度。吳浩等[8]開展了多目標(biāo)條件下充填材料配比優(yōu)化試驗,確定出符合開采需求的充填體配比設(shè)計參數(shù)。張杰等[9]研究了灰砂比和機(jī)制砂率對充填體強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂率為30%～50%時,灰砂比對充填體強(qiáng)度的發(fā)展速度影響較小。王方正等[10]研究了骨料粒級對膏體凝結(jié)性能的影響,發(fā)現(xiàn)物料級配通過影響水泥水化進(jìn)程及粗顆粒與水化產(chǎn)物的空間結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響膏體抗壓強(qiáng)度。陳鵬等[11]探索了外加劑對充填體強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)的作用規(guī)律,發(fā)現(xiàn)適量的硫酸鈣使得C—S—H凝膠和AFt等水化產(chǎn)物互相纏繞,膏體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密,峰值強(qiáng)度更高。劉樹龍等[12]研究了5種養(yǎng)護(hù)條件下水化產(chǎn)物的物相組成、結(jié)構(gòu)特征、水化熱機(jī)理以及微觀形貌,揭示了養(yǎng)護(hù)方式不同導(dǎo)致的膏體力學(xué)性能差異及其與微觀結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系。前人的研究結(jié)果表明,由于受到復(fù)雜的理化性質(zhì)以及料漿質(zhì)量濃度、膠凝材料摻量等多種因素影響,再加上各礦山主要物料性質(zhì)、配比參數(shù)以及充填環(huán)境不同,膏體的性能千變?nèi)f化。對膏體力學(xué)性能的科學(xué)研究需要結(jié)合具體的工程背景,全面系統(tǒng)地探索不同工程背景下膏體強(qiáng)度的影響機(jī)制及變化規(guī)律。

云南某鉛鋅礦深部礦體賦存條件復(fù)雜,礦體埋藏深、礦巖極為破碎,目前采用上向水平分層充填采礦法進(jìn)行回采,充填材料為全尾—水淬渣。由于水淬渣經(jīng)過十多年的充填應(yīng)用,地表存貯量逐漸減少,難以繼續(xù)滿足礦山的充填需求。因此,探索新型粗骨料代替原有的水淬渣,研究不同粗骨料條件下的充填體力學(xué)性能就顯得十分重要。本文以該鉛鋅礦為工程背景,選用全尾砂、水淬渣和機(jī)制砂作為充填物料。采用正交設(shè)計法,首先配制礦山現(xiàn)用的全尾—水淬渣膏體,進(jìn)行4 d、7 d、28 d強(qiáng)度試驗,分析料漿質(zhì)量濃度、灰砂比以及粗骨料含量對全尾—水淬渣膏體抗壓強(qiáng)度的影響;隨后,選擇機(jī)制砂作為新型粗骨料,以相同的試驗方案配制全尾—機(jī)制砂膏體和全尾砂膏體。以全尾砂膏體為對照組,進(jìn)行橫向?qū)Ρ?分析機(jī)制砂和水淬渣分別作為粗骨料時膏體抗壓強(qiáng)度的變化。根據(jù)對比分析結(jié)果對混合物料級配進(jìn)行評價,并進(jìn)行物料配比優(yōu)化,為礦山充填提供依據(jù)。

1 試驗材料

全尾砂取自礦區(qū)濃密機(jī)底流,密度為2.78 g/cm3,孔隙率為36.3%。機(jī)制砂取自礦區(qū)原料廠,密度為2.70 g/cm3,孔隙率為28.5%。水淬渣取自粗骨料倉,密度為3.05 g/cm3,孔隙率為48.2%。

采用激光粒度儀對全尾砂進(jìn)行粒度分析,采用篩分法對機(jī)制砂和水淬渣進(jìn)行粒度分析,如圖1所示。全尾砂平均粒徑為78.25μm,-74μm顆粒占比65.06%,不均勻系數(shù)為22.47,曲率系數(shù)為1.16,級配良好;機(jī)制砂平均粒徑為2.12 mm,含泥量為10.35%,不均勻系數(shù)為6.20,曲率系數(shù)為1.29,級配良好;水淬渣平均粒徑為1.47 mm,不均勻系數(shù)為4.65,曲率系數(shù)為0.96,級配不良。由此可見,兩種粗骨料特點(diǎn)分明,機(jī)制砂粒度分布較為均勻,但含泥量較多;水淬渣顆粒較粗,但級配不良。機(jī)制砂和水淬渣對膏體抗壓強(qiáng)度的影響需要進(jìn)一步研究。

圖1 各物料粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of each material

2 試驗方案

為了全面分析各因素對充填體強(qiáng)度的影響規(guī)律,試驗分為兩個階段。階段1研究礦山現(xiàn)用的全尾—水淬渣膏體,設(shè)置料漿質(zhì)量濃度為74%～80%,灰砂比為1∶10～1∶4,粗骨料含量為5%～20%,三因素各4個水平,具體見表1。階段2采用與階段1相同的設(shè)計方案,分別配制全尾—機(jī)制砂膏體和全尾砂膏體(無粗骨料,其它同表1)。根據(jù)試驗因素和水平個數(shù),選擇L16(43)正交表進(jìn)行試驗方案設(shè)計。

表1 正交設(shè)計因素及水平Table 1 Levels of orthogonal design factors

參考《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009),將配制好的試驗料漿澆灌入標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)模具(長×寬×高為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm)內(nèi)。定型脫模后,將試塊放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù),設(shè)置養(yǎng)護(hù)溫度為20℃。分別養(yǎng)護(hù)4 d、7 d和28 d后,用 KYE-300型壓力機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗,測定試塊4 d、7 d和28 d的單軸抗壓強(qiáng)度[5],試驗結(jié)果如表2、表3所示。

表2 全尾—機(jī)制砂和全尾—水淬渣膏體正交試驗結(jié)果Table 2 Orthogonal test results of unclassified tailing-manufactured sand paste and unclassified tailing-granulated slag paste

表3 全尾砂膏體正交試驗結(jié)果Table 3 Orthogonal test results of unclassified tailing paste

3 試驗結(jié)果

根據(jù)單一變量原則,每個水平4組數(shù)據(jù)的強(qiáng)度平均值即為該水平的膏體抗壓強(qiáng)度平均值[5]。首先根據(jù)階段1試驗結(jié)果,分析料漿質(zhì)量濃度、灰砂比、粗骨料含量對全尾—水淬渣膏體的影響規(guī)律,圖2為各影響因素與各齡期抗壓強(qiáng)度曲線圖。

由圖2(a)可知,在相同條件下,膏體抗壓強(qiáng)度隨著料漿質(zhì)量濃度的增大而增大?？箟簭?qiáng)度的增長分為兩個階段:當(dāng)料漿質(zhì)量濃度為74%～76%時,抗壓強(qiáng)度增長緩慢;當(dāng)料漿質(zhì)量濃度為76%～80%時,抗壓強(qiáng)度增長迅速,即料漿質(zhì)量濃度是膏體抗壓強(qiáng)度的主要影響因素。由圖2(b)可知,灰砂比越大,膏體抗壓強(qiáng)度越大?；疑氨葹?∶10～1∶6時,抗壓強(qiáng)度增長緩慢;灰砂比為1∶6～1∶4時,抗壓強(qiáng)度增長迅速。這是因為水泥作為膠凝材料,摻量越多,膏體固結(jié)越緊密,即灰砂比也是膏體抗壓強(qiáng)度的主要影響因素。由圖2(c)可知,當(dāng)水淬渣含量為5%～15%時,膏體抗壓強(qiáng)度隨著水淬渣含量增加而增大,其中,水淬渣含量為5%～10%時,抗壓強(qiáng)度增長緩慢,水淬渣含量為10%～15%時,抗壓強(qiáng)度增長迅速;當(dāng)水淬渣含量為15%～20%時,4 d和7 d抗壓強(qiáng)度增長速度減緩,28 d抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢。整體來看,水淬渣含量從5%增加到20%時,膏體4 d、7 d以及28 d抗壓強(qiáng)度的變化范圍均較小。借助SPSS軟件對全尾—機(jī)制砂和全尾—水淬渣膏體4 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行極差分析。通過計算料漿質(zhì)量濃度、灰砂比以及粗骨料含量三因素平均效果中最大值與最小值之差,比較差值大小來評價各因素對膏體抗壓強(qiáng)度影響的主次順序,結(jié)果見表4。由表4可知,相對于料漿質(zhì)量濃度、灰砂比,試驗中粗骨料含量對抗壓強(qiáng)度的影響作用較小。

表4 全尾—機(jī)制砂和全尾—水淬渣膏體強(qiáng)度影響因素極差分析Table 4 Range analysis of influencing factors of compressive strength of unclassified tailing-manufactured sand paste and unclassified tailing-granulated slag paste

圖2 不同因素下全尾—水淬渣膏體強(qiáng)度變化Fig.2 Compressive strengths of unclassified tailing-granulated slag paste with different factors

結(jié)合階段1和階段2試驗,以全尾砂膏體為對照組,橫向?qū)Ρ热病阍囿w和全尾—機(jī)制砂膏體,分析粗骨料種類對膏體抗壓強(qiáng)度的影響,3種膏體各齡期強(qiáng)度對比如圖3所示。由圖3可知,全尾—水淬渣膏體4 d、7d和28d抗壓強(qiáng)度均最大,全尾砂膏體次之,全尾—機(jī)制砂膏體各個齡期的抗壓強(qiáng)度均最小,即粗骨料種類對膏體抗壓強(qiáng)度有較為顯著的影響。本文選用機(jī)制砂作為粗骨料代替礦山原有的水淬渣,效果不佳,需要進(jìn)一步分析討論全尾—機(jī)制砂膏體強(qiáng)度較低的原因。

圖3 3種膏體抗壓強(qiáng)度對比Fig.3 Comparison of the compressive strength of three pastes

4 分析討論

根據(jù)單個物料粒徑分析,文中全尾砂和機(jī)制砂級配良好,水淬渣級配不良。然而,強(qiáng)度試驗結(jié)果表明全尾—水淬渣膏體抗壓強(qiáng)度最大,全尾—機(jī)制砂膏體抗壓強(qiáng)度最小。膏體充填材料的級配包括全尾砂和粗骨料的粒級組成兩部分,單個物料粒徑分析并不能完全準(zhǔn)確反應(yīng)混合物料的級配情況。因此,有必要根據(jù)粗骨料含量,進(jìn)行混合物料的級配分析與評價。

4.1 基于最大密度曲線的混合物料級配分析

最大密度曲線理論的出發(fā)點(diǎn)是使混合物料達(dá)到最大密實(shí)度,從而提高膏體抗壓強(qiáng)度。最大密度曲線是一種理想曲線,Fuller認(rèn)為將固體顆粒按粒度大小有規(guī)律地排列,粗細(xì)搭配,可以得到密度最大、空隙最小的混合料[13]。Talbol在Fuller理論的基礎(chǔ)上,提出了最大密度曲線公式[14]:

式中,Px為某級集料通過百分率,%;d為某級集料粒徑,mm;D為集料的最大粒徑,mm;n為級配遞減系數(shù),當(dāng)n=0.5時,即為Fuller曲線。研究表明,n值越小,細(xì)粒骨料含量越多。n=0.3～0.7時,混合料都具有較好的密實(shí)度,n=0.45時,混合料密實(shí)度最大、空隙率最小。

以試驗中粗骨料含量為20%時的混合物料為例,基于最大密度曲線理論,以n=0.3計算混合料級配上限,n=0.7計算混合料級配下限,n=0.45計算基準(zhǔn)級配,即混合料理論最優(yōu)級配。根據(jù)混合料級配曲線與基準(zhǔn)級配曲線的偏差,評價全尾砂、全尾—機(jī)制砂、全尾—水淬渣3種膏體級配的優(yōu)劣,結(jié)果見圖4。

圖4 最大密度曲線及實(shí)際各孔徑通過率Fig.4 Maximum density curves and actual passing rates of each aperture

由圖4可知,以n=0.3對應(yīng)級配為上限、n=0.7對應(yīng)級配為下限時,全尾砂、全尾—機(jī)制砂、全尾—水淬渣3種膏體各孔徑的通過率都遠(yuǎn)高于級配上限,說明3種膏體均未達(dá)到最優(yōu)級配,細(xì)粒級骨料過多,混合物料密實(shí)度均有待提高。

比較3種膏體級配與理論最優(yōu)級配的偏差,以n=0.45時各孔徑通過率為基準(zhǔn),計算3種膏體的最大偏差和方差,結(jié)果見表5。由表5可知,全尾—機(jī)制砂膏體級配與理論最優(yōu)級配的整體偏差最大,全尾—水淬渣膏體次之,全尾砂膏體級配整體偏差最小。根據(jù)最大密度曲線理論,混合物料級配越接近理論最優(yōu)級配,其密實(shí)度越大、空隙率越小,因此,3種膏體密實(shí)度由大到小依次為全尾砂膏體、全尾—水淬渣膏體、全尾—機(jī)制砂膏體。

表5 試驗膏體級配與最優(yōu)級配偏差Table 5 Deviation between test paste gradation and optimal gradation

4.2 基于貝雷法的混合物料級配評價

最大密度曲線理論只考慮混合料能否達(dá)到最大密實(shí)度,不關(guān)注能否形成骨架結(jié)構(gòu)。然而,密實(shí)度最大,膏體強(qiáng)度卻不一定最高。如果混合料中細(xì)骨料過多,大粒徑骨料無法形成有效接觸,不能形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu),膏體力學(xué)性能仍會受到較大影響。因此,現(xiàn)階段的級配理論多趨向于使混合料形成骨架結(jié)構(gòu),而不是單純追求最大密實(shí)度。本文試驗中粗骨料添加量不高,最大為20%,混合物料中粗骨料能否形成骨架需要進(jìn)一步分析評價。

Robert Bailey發(fā)明的貝雷法設(shè)計主旨就是使混合料形成骨架結(jié)構(gòu)[15]。在貝雷法中,粗細(xì)集料的分界點(diǎn)隨公稱最大粒徑(Nominal Maximum Particle Size,NMPS)變化。粗細(xì)集料的分界篩孔為第一控制篩孔(Primary Control Sieve,PCS),PCS=NMPS×0.22。對第一控制篩孔以下的細(xì)集料進(jìn)一步劃分,依次類推,又提出兩個控制篩孔:第二控制篩孔(Second Control Sieve,SCS)和第三控制篩孔(Third Control Sieve,TCS),其中,SCS=PCS×0.22,TCS=SCS×0.22[15-16]。

貝雷法提出3個參數(shù)對合成物料級配進(jìn)行評價,分別是粗集料比(CA比)、細(xì)集料中的粗料占比(FAc比)、細(xì)集料中的細(xì)料占比(FAf比)[17]。CA比反映粗骨料含量以及骨架形成情況,FAc比反映細(xì)骨料中粗料部分與細(xì)料部分的嵌擠填充情況,FAf比反映最細(xì)一級骨料的嵌擠情況。3個參數(shù)的計算公式為[15-16,18]:

式中,PD/2為D/2粒徑的通過率,%;PPCS為第一控制篩孔的通過率,%;PSCS為第二控制篩孔的通過率,%;PTCS為第三控制篩孔的通過率,%。

本文充填物料屬于細(xì)級配混合料,將小于SCS第二控制篩孔的集料看作新的整體進(jìn)行三參數(shù)檢驗。根據(jù)式(2)至式(4),計算試驗中粗骨料含量為20%時全尾—水淬渣膏體、全尾—機(jī)制砂膏體以及全尾砂膏體的CA比、FAc比、FAf比,結(jié)果見表6。

表6 3種膏體各參數(shù)計算值Table 6 Calculated values of the parameters of the three pastes

工程上用貝雷法進(jìn)行級配評價時,通常采用CA比來檢驗混合料的級配。表7是根據(jù)最大公稱尺寸推薦的CA比范圍,當(dāng)CA比在各公稱尺寸對應(yīng)的范圍內(nèi)時,認(rèn)為粗骨料可以形成骨架結(jié)構(gòu)[19]。根據(jù)《建筑用砂》(GB/T 14684—2011)標(biāo)準(zhǔn),試驗中混合物料的最大公稱粒徑為4.75 mm,可認(rèn)為CA比為0.3～0.45時,膏體可以形成穩(wěn)定骨架。由表7可知,全尾—水淬渣膏體CA比為0.4,在推薦范圍內(nèi),全尾—機(jī)制砂和全尾砂膏體CA比都大于0.45,接近于1,因此,認(rèn)為全尾—水淬渣膏體的級配能夠形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu),有利于增大抗壓強(qiáng)度。全尾砂和全尾—機(jī)制砂膏體中細(xì)顆粒較多,對粗顆粒的干涉作用較大,粗顆粒難以形成嵌擠或密實(shí)的骨架,影響膏體的力學(xué)性能。

表7 各參數(shù)取值建議范圍Table 7 Suggested range for each parameter value

基于最大密度曲線理論和貝雷法對本文混合物料的級配分析,可知礦山現(xiàn)用的全尾—水淬渣膏體密實(shí)度較大,同時能形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu),抗壓強(qiáng)度高。而全尾—機(jī)制砂膏體密實(shí)度較小,粗骨料也沒有形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu),不利于提高膏體抗壓強(qiáng)度。同時本文機(jī)制砂含泥量高達(dá)10.35%,泥粉主要成分是黏土礦物,黏結(jié)在骨料和水泥之間,抑制水泥與骨料的結(jié)合,阻礙水化反應(yīng)進(jìn)行,形成強(qiáng)度薄弱區(qū)[20-21],進(jìn)一步降低了膏體抗壓強(qiáng)度,這也是本文全尾—機(jī)制砂膏體強(qiáng)度較低的主要原因。

4.3 全尾—機(jī)制砂膏體配比優(yōu)化

由上述分析可知,物料級配通過混合料密實(shí)度、骨架結(jié)構(gòu)等對膏體抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。文中全尾—機(jī)制砂級配不良,基于最大密度曲線理論和貝雷法,采用Excel規(guī)劃求解方法對其進(jìn)行物料配比優(yōu)化,使其在形成穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu)的同時,達(dá)到較好的密實(shí)度。具體步驟如下:

(1)設(shè)置目標(biāo)單元格。以級配遞減系數(shù)n=0.45時的級配為基準(zhǔn)級配,將目標(biāo)單元格設(shè)置為合成混合料級配與基準(zhǔn)級配的方差,選擇最小值。

(2)選擇可變單元格。將機(jī)制砂、全尾砂在合成混合料中的質(zhì)量百分比設(shè)置為可變單元格。

(3)設(shè)置約束條件。確保機(jī)制砂和全尾砂在合成混合料中的質(zhì)量百分比均大于0,且二者之和為100%;將小于SCS第二控制篩孔的合成混合料看作整體,設(shè)置其CA比為0.3～0.45,以保證骨架結(jié)構(gòu)形成。

(4)按下“求解”按鈕,輸出最優(yōu)解。規(guī)劃求解結(jié)果見表8,優(yōu)化后的級配曲線如圖5所示。優(yōu)化后的機(jī)制砂添加量為42.78%,全尾砂添加量為57.22%。合成混合料級配與基準(zhǔn)級配的方差為1 052.74,小于優(yōu)化前的1858.75 ,密實(shí)度有了較大改善。優(yōu)化后的合成混合料CA比為0.3,由表7可知,此時全尾—機(jī)制砂中粗骨料含量較為合理,可以形成骨架結(jié)構(gòu)。

圖5 優(yōu)化后的級配曲線與最大密度曲線Fig.5 Optimized gradation curves and maximum density curve

表8 全尾—機(jī)制砂級配優(yōu)化結(jié)果Table 8 Optimization results of unclassified tailing-manufactured sand gradation

綜上所述,對于本文全尾—機(jī)制砂膏體,機(jī)制砂添加量為42.78%,全尾砂添加量為57.22%時,合成混合料的級配較好,可以達(dá)到較大的密實(shí)度,同時形成穩(wěn)定的粗骨料骨架結(jié)構(gòu),有利于提高膏體抗壓強(qiáng)度。

5 結(jié) 論

以云南某鉛鋅礦為工程背景,研究了料漿質(zhì)量濃度、灰砂比、粗骨料含量以及粗骨料種類對膏體抗壓強(qiáng)度的影響,并基于最大密度曲線理論和貝雷法,從密實(shí)度和骨架結(jié)構(gòu)兩方面對混合物料級配進(jìn)行了評價與優(yōu)化。主要結(jié)論如下:

(1)試驗膏體抗壓強(qiáng)度的主要影響因素為灰砂比和料漿質(zhì)量濃度,粗骨料含量的影響作用較小。相同條件下,全尾—水淬渣膏體抗壓強(qiáng)度最大,全尾砂膏體次之,全尾—機(jī)制砂膏體抗壓強(qiáng)度最小,因此,選用機(jī)制砂作為新型粗骨料代替礦山原有的水淬渣,效果不佳。

(2)物料級配通過影響混合物料密實(shí)度和粗骨料骨架結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響膏體抗壓強(qiáng)度。全尾—機(jī)制砂膏體級配不良,導(dǎo)致混合物料密實(shí)度較小,粗骨料難以形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu),再加上機(jī)制砂含泥量較高,三重效應(yīng)使得全尾—機(jī)制砂膏體抗壓強(qiáng)度較低。

(3)全尾—機(jī)制砂膏體物料配比優(yōu)化結(jié)果表明,機(jī)制砂添加量為42.78%,全尾砂添加量為57.22%時,合成混合料級配較好,在達(dá)到較大密實(shí)度的同時能夠形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu),有利于膏體抗壓強(qiáng)度的提高。

(4)混合物料級配的理論設(shè)計與驗證分析對膏體力學(xué)性能有重要影響。最大密度曲線理論和貝雷法分別側(cè)重于混合物料密實(shí)度和粗骨料骨架結(jié)構(gòu),二者結(jié)合,可以為物料級配選擇提供理論依據(jù),值得進(jìn)一步驗證與研究。