不同粗骨料對膏體強度性能的影響及配比優(yōu)化

王洪江 楊亞楠 王小林

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

膏體是多尺度散體材料與水復合而成的無泌水、牙膏狀結構流體[1]。膏體充填技術將地表堆積的尾砂、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、經濟、環(huán)?！钡膬群?是礦業(yè)領域的技術熱點和發(fā)展新方向[2-4]。近年來,深地開采對充填體力學性能提出了新要求,要求充填體凝結快、強度高、微膨脹。為了提高充填體強度,國內外學者對膏體力學性能、配比優(yōu)化設計以及微觀結構特征等進行了大量研究。尹升華等[5-6]研究了膏體質量分數(shù)、粗骨料配比等對充填體力學性能的影響,結果表明粗骨料粒徑大小是充填體抗壓強度的主要影響因素。韓悅等[7]進行了全尾—水淬渣膏體充填配比優(yōu)化研究,發(fā)現(xiàn)適當提高灰砂比可以縮短凝結時間、提高膏體強度。吳浩等[8]開展了多目標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計參數(shù)。張杰等[9]研究了灰砂比和機制砂率對充填體強度的影響,發(fā)現(xiàn)機制砂率為30%～50%時,灰砂比對充填體強度的發(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性能的影響,發(fā)現(xiàn)物料級配通過影響水泥水化進程及粗顆粒與水化產物的空間結構,進而影響膏體抗壓強度。陳鵬等[11]探索了外加劑對充填體強度及微觀結構的作用規(guī)律,發(fā)現(xiàn)適量的硫酸鈣使得C—S—H凝膠和AFt等水化產物互相纏繞,膏體內部結構更為致密,峰值強度更高。劉樹龍等[12]研究了5種養(yǎng)護條件下水化產物的物相組成、結構特征、水化熱機理以及微觀形貌,揭示了養(yǎng)護方式不同導致的膏體力學性能差異及其與微觀結構之間的聯(lián)系。前人的研究結果表明,由于受到復雜的理化性質以及料漿質量濃度、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、配比參數(shù)以及充填環(huán)境不同,膏體的性能千變萬化。對膏體力學性能的科學研究需要結合具體的工程背景,全面系統(tǒng)地探索不同工程背景下膏體強度的影響機制及變化規(guī)律。

云南某鉛鋅礦深部礦體賦存條件復雜,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行回采,充填材料為全尾—水淬渣。由于水淬渣經過十多年的充填應用,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、水淬渣和機制砂作為充填物料。采用正交設計法,首先配制礦山現(xiàn)用的全尾—水淬渣膏體,進行4 d、7 d、28 d強度試驗,分析料漿質量濃度、灰砂比以及粗骨料含量對全尾—水淬渣膏體抗壓強度的影響;隨后,選擇機制砂作為新型粗骨料,以相同的試驗方案配制全尾—機制砂膏體和全尾砂膏體。以全尾砂膏體為對照組,進行橫向對比,分析機制砂和水淬渣分別作為粗骨料時膏體抗壓強度的變化。根據(jù)對比分析結果對混合物料級配進行評價,并進行物料配比優(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)濃密機底流,密度為2.78 g/cm3,孔隙率為36.3%。機制砂取自礦區(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行粒度分析,采用篩分法對機制砂和水淬渣進行粒度分析,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,兩種粗骨料特點分明,機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。機制砂和水淬渣對膏體抗壓強度的影響需要進一步研究。

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,設置料漿質量濃度為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相同的設計方案,分別配制全尾—機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)正交表進行試驗方案設計。

表1 正交設計因素及水平Table 1 Levels of orthogonal design factors

參考《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009),將配制好的試驗料漿澆灌入標準三聯(lián)模具(長×寬×高為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm)內。定型脫模后,將試塊放入養(yǎng)護箱中養(yǎng)護,設置養(yǎng)護溫度為20℃。分別養(yǎng)護4 d、7 d和28 d后,用 KYE-300型壓力機進行單軸抗壓強度試驗,測定試塊4 d、7 d和28 d的單軸抗壓強度[5],試驗結果如表2、表3所示。

表2 全尾—機制砂和全尾—水淬渣膏體正交試驗結果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果Table 3 Orthogonal test results of unclassified tailing paste

3 試驗結果

根據(jù)單一變量原則,每個水平4組數(shù)據(jù)的強度平均值即為該水平的膏體抗壓強度平均值[5]。首先根據(jù)階段1試驗結果,分析料漿質量濃度、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度曲線圖。

由圖2(a)可知,在相同條件下,膏體抗壓強度隨著料漿質量濃度的增大而增大?？箟簭姸鹊脑鲩L分為兩個階段:當料漿質量濃度為74%～76%時,抗壓強度增長緩慢;當料漿質量濃度為76%～80%時,抗壓強度增長迅速,即料漿質量濃度是膏體抗壓強度的主要影響因素。由圖2(b)可知,灰砂比越大,膏體抗壓強度越大。灰砂比為1∶10～1∶6時,抗壓強度增長緩慢;灰砂比為1∶6～1∶4時,抗壓強度增長迅速。這是因為水泥作為膠凝材料,摻量越多,膏體固結越緊密,即灰砂比也是膏體抗壓強度的主要影響因素。由圖2(c)可知,當水淬渣含量為5%～15%時,膏體抗壓強度隨著水淬渣含量增加而增大,其中,水淬渣含量為5%～10%時,抗壓強度增長緩慢,水淬渣含量為10%～15%時,抗壓強度增長迅速;當水淬渣含量為15%～20%時,4 d和7 d抗壓強度增長速度減緩,28 d抗壓強度呈下降趨勢。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抗壓強度的變化范圍均較小。借助SPSS軟件對全尾—機制砂和全尾—水淬渣膏體4 d、7 d和28 d抗壓強度進行極差分析。通過計算料漿質量濃度、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度影響的主次順序,結果見表4。由表4可知,相對于料漿質量濃度、灰砂比,試驗中粗骨料含量對抗壓強度的影響作用較小。

表4 全尾—機制砂和全尾—水淬渣膏體強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—水淬渣膏體強度變化Fig.2 Compressive strengths of unclassified tailing-granulated slag paste with different factors

結合階段1和階段2試驗,以全尾砂膏體為對照組,橫向對比全尾—水淬渣膏體和全尾—機制砂膏體,分析粗骨料種類對膏體抗壓強度的影響,3種膏體各齡期強度對比如圖3所示。由圖3可知,全尾—水淬渣膏體4 d、7d和28d抗壓強度均最大,全尾砂膏體次之,全尾—機制砂膏體各個齡期的抗壓強度均最小,即粗骨料種類對膏體抗壓強度有較為顯著的影響。本文選用機制砂作為粗骨料代替礦山原有的水淬渣,效果不佳,需要進一步分析討論全尾—機制砂膏體強度較低的原因。

圖3 3種膏體抗壓強度對比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,文中全尾砂和機制砂級配良好,水淬渣級配不良。然而,強度試驗結果表明全尾—水淬渣膏體抗壓強度最大,全尾—機制砂膏體抗壓強度最小。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確反應混合物料的級配情況。因此,有必要根據(jù)粗骨料含量,進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)點是使混合物料達到最大密實度,從而提高膏體抗壓強度。最大密度曲線是一種理想曲線,Fuller認為將固體顆粒按粒度大小有規(guī)律地排列,粗細搭配,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n=0.5時,即為Fuller曲線。研究表明,n值越小,細粒骨料含量越多。n=0.3～0.7時,混合料都具有較好的密實度,n=0.45時,混合料密實度最大、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級配曲線的偏差,評價全尾砂、全尾—機制砂、全尾—水淬渣3種膏體級配的優(yōu)劣,結果見圖4。

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

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

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,計算3種膏體的最大偏差和方差,結果見表5。由表5可知,全尾—機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,其密實度越大、空隙率越小,因此,3種膏體密實度由大到小依次為全尾砂膏體、全尾—水淬渣膏體、全尾—機制砂膏體。

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到最大密實度,不關注能否形成骨架結構。然而,密實度最大,膏體強度卻不一定最高。如果混合料中細骨料過多,大粒徑骨料無法形成有效接觸,不能形成穩(wěn)定的骨架結構,膏體力學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構,而不是單純追求最大密實度。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一步分析評價。

Robert Bailey發(fā)明的貝雷法設計主旨就是使混合料形成骨架結構[15]。在貝雷法中,粗細集料的分界點隨公稱最大粒徑(Nominal Maximum Particle Size,NMPS)變化。粗細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集料進一步劃分,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)對合成物料級配進行評價,分別是粗集料比(CA比)、細集料中的粗料占比(FAc比)、細集料中的細料占比(FAf比)[17]。CA比反映粗骨料含量以及骨架形成情況,FAc比反映細骨料中粗料部分與細料部分的嵌擠填充情況,FAf比反映最細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—機制砂膏體以及全尾砂膏體的CA比、FAc比、FAf比,結果見表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CA比在各公稱尺寸對應的范圍內時,認為粗骨料可以形成骨架結構[19]。根據(jù)《建筑用砂》(GB/T 14684—2011)標準,試驗中混合物料的最大公稱粒徑為4.75 mm,可認為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,全尾—機制砂和全尾砂膏體CA比都大于0.45,接近于1,因此,認為全尾—水淬渣膏體的級配能夠形成穩(wěn)定的骨架結構,有利于增大抗壓強度。全尾砂和全尾—機制砂膏體中細顆粒較多,對粗顆粒的干涉作用較大,粗顆粒難以形成嵌擠或密實的骨架,影響膏體的力學性能。

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—水淬渣膏體密實度較大,同時能形成穩(wěn)定的骨架結構,抗壓強度高。而全尾—機制砂膏體密實度較小,粗骨料也沒有形成穩(wěn)定的骨架結構,不利于提高膏體抗壓強度。同時本文機制砂含泥量高達10.35%,泥粉主要成分是黏土礦物,黏結在骨料和水泥之間,抑制水泥與骨料的結合,阻礙水化反應進行,形成強度薄弱區(qū)[20-21],進一步降低了膏體抗壓強度,這也是本文全尾—機制砂膏體強度較低的主要原因。

4.3 全尾—機制砂膏體配比優(yōu)化

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

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

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

(3)設置約束條件。確保機制砂和全尾砂在合成混合料中的質量百分比均大于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,設置其CA比為0.3～0.45,以保證骨架結構形成。

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

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—機制砂級配優(yōu)化結果Table 8 Optimization results of unclassified tailing-manufactured sand gradation

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

5 結 論

以云南某鉛鋅礦為工程背景,研究了料漿質量濃度、灰砂比、粗骨料含量以及粗骨料種類對膏體抗壓強度的影響,并基于最大密度曲線理論和貝雷法,從密實度和骨架結構兩方面對混合物料級配進行了評價與優(yōu)化。主要結論如下:

(1)試驗膏體抗壓強度的主要影響因素為灰砂比和料漿質量濃度,粗骨料含量的影響作用較小。相同條件下,全尾—水淬渣膏體抗壓強度最大,全尾砂膏體次之,全尾—機制砂膏體抗壓強度最小,因此,選用機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度和粗骨料骨架結構,進而影響膏體抗壓強度。全尾—機制砂膏體級配不良,導致混合物料密實度較小,粗骨料難以形成穩(wěn)定的骨架結構,再加上機制砂含泥量較高,三重效應使得全尾—機制砂膏體抗壓強度較低。

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

(4)混合物料級配的理論設計與驗證分析對膏體力學性能有重要影響。最大密度曲線理論和貝雷法分別側重于混合物料密實度和粗骨料骨架結構,二者結合,可以為物料級配選擇提供理論依據(jù),值得進一步驗證與研究。