粗骨料充填料漿泌水特性及其對充填體性能的影響

徐毅安 鄧博團

(1.安陽職業(yè)技術學院建筑工程系,河南 安陽 455000;2.西安科技大學建筑與土木工程學院,陜西 西安 710054)

近年來,隨著礦產(chǎn)資源的不斷回采,使得地表堆存的選廠尾砂和廢石等固體廢棄材料日益增多,對礦山安全生產(chǎn)及其周邊的自然環(huán)境帶來了巨大的壓力,嚴重制約了礦山的可持續(xù)發(fā)展[1-5]。粗骨料充填是將廢石作為粗骨料,尾砂作為細顆粒按照一定的比例與水泥、水進行搭配制備成充填料漿,經(jīng)過管道輸送至采空區(qū),從而達到充填采場支撐圍巖的目的[6-8]。因此,充填體的強度對于維護采場穩(wěn)定具有非常重要的作用。現(xiàn)有研究表明:水泥含量、質量濃度、外加劑等因素均能夠對充填體強度產(chǎn)生顯著的影響,并且水泥含量與質量濃度的增大能顯著提高充填體的強度[9-11]。然而,充填料漿經(jīng)過管道輸送至采空區(qū)后,勢必會發(fā)生沉降,尤其是粗骨料充填體中的粗顆粒沉降會更加明顯,并且充填料漿中的自由水也會隨著顆粒的沉降自行泌出,從而導致料漿濃度與室內設計值存在一定的誤差。因此,有必要針對粗骨料充填料漿的泌水性能進行研究。

目前,不少學者對于充填體的強度及流變性能開展了較為系統(tǒng)的研究工作。侯永強等[12]開展了充填體的室內力學試驗,得出纖維的摻入能夠顯著改善充填體的力學性能;趙康等[13]通過超細尾砂充填體的力學性能試驗,得出纖維的摻入能夠提高超細尾砂充填體的強度;王永巖等[14]針對尾砂充填體抗壓強度低、水泥消耗較大的問題,通過室內試驗對其配比參數(shù)進行了研究;胡亞飛等[15]通過響應面設計進行了充填體的配比試驗,得出充填體強度的增長規(guī)律,并進行了參數(shù)優(yōu)化?？梢?現(xiàn)階段對于充填料漿的研究多集中在固化強度上,對于充填料漿泌水特性的分析涉及較少,并且針對粗骨料充填料漿泌水特性的影響及其對充填體性能影響的研究較為薄弱。因此,本研究針對粗骨料充填料漿的泌水特性進行研究,分析料漿泌水率變化對充填體性能的影響規(guī)律,為粗骨料充填體性能分析及參數(shù)設計提供參考。

1 試驗材料及方案設計

試驗采用的材料為尾砂、廢石及棒磨砂,廢石和棒磨砂作為粗骨料與尾砂進行搭配使用作為充填骨料。試驗材料的化學成分組成見表1。由表1可知:骨料間的化學成分具有一定的差異,但均主要由SiO2組成,不具備活性,能夠作為充填骨料進行使用。

表1 試驗材料的化學成分Table 1 Chemical composition of test materials %

試驗設計開展3類配比參數(shù)下的充填料漿泌水試驗,具體包括尾砂+水泥、廢石+尾砂+水泥,主要分析濃度、水泥含量、粗顆粒摻量對料漿泌水性能的影響規(guī)律。尾砂+水泥的試驗參數(shù)為:試驗設計的料漿濃度為67%～70%,水泥摻量為270～330 kg/m3;廢石+尾砂+水泥的試驗參數(shù)一致,具體為:料漿濃度為76%～79%,砂灰比為4～5,粗骨料含量為40%～70%(等質量替代尾砂)。此外,在測試料漿泌水性能的同時,采用相同配比參數(shù)下的料漿進行坍落度測試,以探討料漿泌水參數(shù)與其坍落度之間的關系,從而揭示泌水率對充填體流動性能的影響規(guī)律。

2 試驗結果及分析

2.1 全尾+水泥料漿泌水參數(shù)變化特征

2.1.1 料漿質量濃度對泌水率的影響

不同水泥摻量下,尾砂充填料漿泌水參數(shù)的變化特征如圖1所示。由圖1可知:充填料漿質量濃度是影響料漿泌水率的關鍵因素之一,充填料漿泌水率與濃度間呈負相關關系,伴隨著料漿濃度不斷增大,料漿的泌水率呈不斷下降趨勢,原因在于料漿濃度越高,拌合用水量越少,充填料漿靜置過程中,充填料顆粒能夠吸收一部分水,因此隨著濃度不斷增大,可泌出的水也逐漸減少,從而導致充填料漿泌水率不斷降低[16]。

圖1 不同水泥摻量下料漿泌水率隨質量濃度的變化特征Fig.1 Variation characteristics of slurry bleeding rate with mass concentration under different cement content

2.1.2 水泥摻量對泌水率的影響

不同充填料漿質量下,料漿的泌水率隨水泥摻量的變化特征如圖2所示。由圖2可知:水泥摻量的變化也會對泌水率產(chǎn)生一定的影響,即泌水率隨著水泥摻量的增加表現(xiàn)出不斷減小的趨勢,說明水泥摻量也是料漿泌水率的影響因素。當料漿質量濃度為67%時,隨著水泥摻量由270 kg/m3增加至310 kg/m3,料漿的泌水率降低了14.3%;當料漿質量濃度為68%時,隨著水泥摻量由270 kg/m3增加至310 kg/m3,料漿的泌水率降低了24.3%;當料漿質量濃度為69%時,隨著水泥摻量由270 kg/m3增加至310 kg/m3,料漿的泌水率降低了17.8%;當料漿質量濃度為70%時,隨著水泥摻量由270 kg/m3增加至310 kg/m3,料漿的泌水率降低了47.6%?？梢?料漿泌水率的降幅隨著水泥摻量的增加逐漸增大,說明濃度越高時,增加水泥摻量會增大其對泌水率的不利影響。水泥的水化反應會消耗自由水,因此水泥摻量的增加會導致料漿自由水減少,從而降低了泌水率[17]。

圖2 不同質量濃度下泌水率隨水泥摻量的變化特征Fig.2 Characteristics of bleeding rate with cement content under different mass concentrations

2.2 廢石+尾砂料漿泌水參數(shù)變化特征

2.2.1 料漿質量濃度對泌水率的影響

廢石尾砂充填料漿泌水率隨質量濃度的變化特征如圖3所示。由圖3可知:在不同的砂灰比及粗骨料摻量下,質量濃度與泌水率間呈現(xiàn)出明顯的負相關關系,即料漿的泌水率隨著質量濃度的增加表現(xiàn)出不斷減小趨勢,說明質量濃度的增大會對泌水率參數(shù)產(chǎn)生不利的影響。在砂灰比為4和5的情況下,當粗骨料摻量為40%時,料漿質量濃度由76%增加至79%,泌水率降低了60.9%、46.4%;當粗骨料摻量為50%時,料漿質量濃度由76%增加至79%,泌水率降低了67.7%、55.2%;當廢石摻量為60%時,料漿質量濃度由76%增加至79%,泌水率降低了62.4%、55.7%;當粗骨料摻量為70%時,料漿質量濃度由76%增加至79%,泌水率降低了42.3%、35.4%。因此,隨著粗骨料摻量的增加,泌水率的降幅表現(xiàn)出不斷減小趨勢,說明粗骨料摻量的增加能夠降低質量濃度增加對泌水率帶來的不利影響。在廢石摻量為70%的條件下,料漿的泌水率降幅最小,說明隨著濃度增加,此時漿體的泌水率不會隨著濃度的增加而大幅度降低,充填料漿仍然處于過飽和狀態(tài),具有較好的流動性[18]。

圖3 廢石尾砂充填料漿泌水率隨質量濃度的變化特征Fig.3 Variation characteristics of bleeding rate of waste rock tailing filling slurry with mass concentrations

2.2.2 砂灰比對料漿泌水率的影響

粗骨料摻量為40%～70%時,不同砂灰比下料漿泌水率的變化特征如圖4所示。由圖4可知:當粗骨料摻量和質量濃度均固定不變時,砂灰比為5的料漿泌水率遠高于砂灰比為4的料漿泌水率,說明砂灰比的增大提高了料漿的泌水率。料漿泌水率隨著砂灰比的增大而增大,其原因在于砂灰比越大,意味著水泥含量也逐漸降低,參與水化反應的自由水含量也逐漸降低,因此在靜置過程中會有更多的自由水泌出,從而導致料漿泌水率隨著砂灰比的增加而增大。

圖4 不同粗骨料摻量下充填料漿泌水率隨砂灰比的變化特征Fig.4 Variation characteristics of bleeding rate of filling slurry with sand-cement ratio under different coarse aggregate content

2.2.3 粗骨料摻量對料漿泌水率的影響

廢石尾砂料漿泌水率隨粗骨料摻量的變化特征如圖5所示。由圖5可知:廢石尾砂料漿的泌水率與粗骨料摻量具有明顯的正相關關系,即料漿的泌水率隨著粗骨料摻量的增加呈不斷增大趨勢,說明粗骨料摻量的增加能夠增大料漿的泌水性。在砂灰比在4和5情況下,當質量濃度為76%時,粗骨料摻量由40%增加至70%,料漿的泌水率分別增大了72.6%、67.9%;當質量濃度為77%時,粗骨料摻量由40%增加至70%,料漿的泌水率分別增大了74.2%、68.6%;當質量濃度為78%時,粗骨料摻量由40%增加至70%,料漿的泌水率分別增大了71.1%、64.1%;當質量濃度為79%時,粗骨料摻量由40%增加至70%,料漿的泌水率分別增大了81.2%、72.2%?？梢?摻入廢石后,料漿的泌水率雖然呈上升趨勢,但在不同質量濃度下,漿體泌水率的增幅具有較大差別,濃度越高,泌水率的增幅也越大。因此,若在采用全尾砂混合骨料充填時,在強度滿足要求的前提下,可增加廢石摻量,不僅能有效改善充填體強度,也能改善漿體的流動性。

圖5 廢石尾砂料漿泌水率隨粗骨料摻量的變化特征Fig.5 Variation characteristics of bleeding rate of waste rock tailing slurry with coarse aggregate content

2.3 泌水率變化對料漿流動性能的影響

當砂灰比為4、充填料漿質量濃度為76%時,隨著粗骨料摻量由40%增加至70%,料漿的泌水率分別為2.81%、4.21%、7.95%及10.25%,對應的坍落度分別為 16.0、24.9、27.0、28.1 cm(圖 6(a));當砂灰比為5、質量濃度為76%時,隨著粗骨料摻量由40%增加至 70%,料漿的泌水率分別為 3.66%、5.16%、9.11%及 11.41%,對應的坍落度分別為19.4、25.0、27.0、28.5 cm(圖6(b))。 而當料漿坍落度高于25 cm時,漿體具有較好的輸送性能[17]。綜合分析坍落度與料漿泌水率的關系可知,當濃度為76%時,砂灰比4、5對應的充填料漿合理的泌水率參數(shù)范圍分別為4.21%～10.25%及5.16～11.41%。因此,通過分析料漿泌水率與坍落度之間的關系,并根據(jù)泌水率參數(shù)的變化可大致判斷料漿的輸送性能。

圖6 不同砂灰比下不同料漿泌水率與坍落度間的關系Fig.6 Relationship between bleeding rate and slump of different slurry under different sand-cement ratio

3 結 論

(1)采用全尾砂作為骨料進行泌水率試驗時,充填料漿泌水率與濃度呈負相關關系,隨著料漿濃度不斷增大,料漿的泌水率呈不斷下降趨勢。此外,泌水率的降幅隨著水泥摻量的增加逐漸降低,說明水泥含量的增加能夠降低質量濃度對泌水率的不利影響。

(2)采用尾砂作為骨料、且泌水率相近時,料漿質量濃度明顯低于廢石尾砂料漿的質量濃度,說明摻入廢石后能夠有助于礦山實現(xiàn)高濃度料漿充填,可大幅度提高充填料漿濃度。

(3)當采用廢石、尾砂作為骨料進行泌水率試驗時,料漿的泌水率隨著質量濃度的增加不斷減小,但隨著粗骨料摻量的增加,泌水率降幅呈不斷減小趨勢,說明粗骨料摻量的增加能夠降低質量濃度增加對泌水率的不利影響。料漿泌水率隨著水泥含量的增加不斷降低,并且濃度越高時,增加水泥摻量會增大其對泌水率的不利影響。

(4)料漿泌水率與坍落度之間存在明顯的正相關關系,即料漿的坍落度隨著泌水率的增加表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。通過分析料漿泌水率與坍落度之間的關系,并根據(jù)泌水率參數(shù)的變化可定性判斷料漿的輸送性能。