減水劑對(duì)摻膨潤(rùn)土膠結(jié)充填體強(qiáng)度及流動(dòng)性能的影響研究

曹寶棟 郭 攀

(1.內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通運(yùn)輸工程系,內(nèi)蒙古 赤峰 024000;2.鄭州大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,河南 鄭州 450000)

尾砂膠結(jié)充填技術(shù)不僅能夠有效處理地表尾礦庫堆存的全尾砂,并且能夠安全、高效地回采井下礦體,已成為礦山首選的采礦方法[1-3]。當(dāng)井下礦體順利回采后,形成了一定區(qū)域面積的采空區(qū),而當(dāng)尾砂膠結(jié)充填料漿經(jīng)過輸送管道充入采空區(qū)后,充填料漿固化后存在不完全接頂?shù)膯栴}[4-5]。當(dāng)充填體固化后與采空區(qū)頂板不接頂,存在的較大范圍空隙會(huì)導(dǎo)致充填體無法充分發(fā)揮其支撐圍巖、改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)的作用,不僅會(huì)對(duì)充填采礦作業(yè)造成一定的潛在危險(xiǎn),而且無法有效發(fā)揮充填體的作用,存在浪費(fèi)資源的問題[6-9]。

在現(xiàn)有的改善充填接頂?shù)募夹g(shù)措施中,添加膨潤(rùn)土是一種直接有效的方法,但在充填料漿中摻入一定的膨潤(rùn)土后會(huì)對(duì)充填體的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。張友鋒等[10]開展了多次沖擊下?lián)脚驖?rùn)土膠結(jié)充填體力學(xué)特性的試驗(yàn)研究,得出充填體的抗沖擊次數(shù)隨膨潤(rùn)土摻量增加呈先降后增趨勢(shì),并且摻膨潤(rùn)土的充填體動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)因子均大于未摻膨潤(rùn)土充填體。徐文峰等[11]開展了含膨潤(rùn)土充填料漿泌水特性的試驗(yàn)研究,認(rèn)為料漿濃度對(duì)總泌水率的影響最大,其次是膨潤(rùn)土摻量,灰砂比最小。余姚等[12]分析了膨潤(rùn)土對(duì)膠結(jié)充填體力學(xué)特性的影響,認(rèn)為一定含量的膨潤(rùn)土有利于改善充填體的力學(xué)性能。此外,外加劑也能夠有效改善充填體的力學(xué)及流動(dòng)性能,如減水劑不僅能夠提升充填體的流動(dòng)性能,也能夠在一定程度上改善充填體的力學(xué)性能。李茂輝等[13]開展了外加劑對(duì)新型全尾砂充填膠凝材料強(qiáng)度的影響研究,得出氨基磺酸鹽減水劑能夠顯著改善充填料漿的流動(dòng)性能。楊志強(qiáng)等[14]研究認(rèn)為泵送減水劑不僅能夠改善膏體料漿的流動(dòng)性能,也能夠提高其固化強(qiáng)度。何廷樹等[15]研究反映出萘系減水劑的加入可以明顯提升料漿的流動(dòng)性能,并且提高硬化后充填體的強(qiáng)度。范作鵬等[16]開展了高效減水劑對(duì)全尾砂充填料性能的影響研究,認(rèn)為減水劑有利于提高料漿的流動(dòng)性。綜上分析可知,不少學(xué)者針對(duì)減水劑、膨潤(rùn)土對(duì)充填體力學(xué)及流動(dòng)性能的影響開展了較為系統(tǒng)的研究工作,并取得了一定的進(jìn)展,但目前關(guān)于減水劑對(duì)摻膨潤(rùn)土膠結(jié)充填體強(qiáng)度及流動(dòng)性能的分析比較薄弱,有待開展深入研究。

本研究在前人成果的基礎(chǔ)上,開展減水劑對(duì)摻膨潤(rùn)土膠結(jié)充填體強(qiáng)度及流動(dòng)性能的試驗(yàn)研究,分析減水劑、膨潤(rùn)土對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度及流動(dòng)性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的充填骨料為全尾砂,其化學(xué)成分見表1,粒徑分布特征見表2。由表1和表2可知:尾砂化學(xué)成分中沒有對(duì)充填體強(qiáng)度不利的化學(xué)元素,并且尾砂的曲率和不均勻系數(shù)均在合理參數(shù)取值范圍內(nèi),說明尾砂適合作為充填骨料制備充填體。減水劑類型為聚羧酸高效減水劑(粉體)。膠凝膠凝材料為P.C.32.5R普通硅酸型水泥。膨潤(rùn)土為常用的膨潤(rùn)土,主要成分為蒙脫石。

表1 尾砂的化學(xué)成分組成Table 1 Chemical composition of tailings %

表2 粒徑分布特征Table 2 Particle size distribution characteristics

2 試驗(yàn)方案

充填體的基礎(chǔ)配比參數(shù)設(shè)計(jì)為:灰砂比為1∶4、1∶5、1∶6、1∶8,質(zhì)量濃度為75%。膨潤(rùn)土的摻量設(shè)計(jì)為0%、5%、10%、15%。減水劑摻量設(shè)計(jì)為0%、0.15%、0.25%、0.35%。此外,膨潤(rùn)土及減水劑的摻量均為膠凝材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。充填體試樣的制備過程為:將膨潤(rùn)土與水泥、尾砂混合后進(jìn)行攪拌,在攪拌均勻后加入水制備成充填料漿,在測(cè)定完料漿的坍落度后將料漿放入模具中制備充填體試樣,并測(cè)定試樣3、7、28 d的抗壓強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 膨潤(rùn)土對(duì)充填料漿流動(dòng)性能的影響

不同膨潤(rùn)土含量下的料漿坍落度變化特征如圖1所示。由圖1可知:膨潤(rùn)土摻量與料漿坍落度呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,即隨著膨潤(rùn)土摻量增加,料漿坍落度表現(xiàn)出明顯降低趨勢(shì),說明摻入膨潤(rùn)土?xí)?duì)料漿的流動(dòng)性能產(chǎn)生不利影響。當(dāng)膨潤(rùn)土摻量固定不變時(shí),料漿的坍落度指標(biāo)隨著砂灰比增大表現(xiàn)出逐漸增大趨勢(shì),說明水泥含量降低會(huì)導(dǎo)致坍落度出現(xiàn)增大趨勢(shì)。原因在于水泥水化反應(yīng)會(huì)消耗漿體的自由水,而砂灰比增大意味著水泥含量逐漸降低,從而導(dǎo)致漿體內(nèi)的自由水消耗量減少,因此料漿的坍落度表現(xiàn)出增大趨勢(shì)。膨潤(rùn)土對(duì)料漿坍落度造成不利影響的原因在于膨潤(rùn)土顆粒具有一定的吸水性,顆粒的吸水特性會(huì)消耗一部分自由水,從而對(duì)料漿的流動(dòng)性能產(chǎn)生不利影響[17-19]。

圖1 料漿的坍落度與膨潤(rùn)土摻量間的關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curves between slump of slurry and bentonite content

3.2 減水劑對(duì)充填料漿流動(dòng)性能的影響

加入減水劑后充填料漿坍落度指標(biāo)的變化特征如圖2所示。從圖2(a)中可以看出,當(dāng)砂灰比固定不變時(shí),隨著減水劑含量增加,料漿的坍落度表現(xiàn)出明顯增大趨勢(shì),說明摻入一定量的減水劑能夠改善料漿的流動(dòng)性能。當(dāng)砂灰比為4時(shí),隨著減水劑摻量從0%增加至0.35%,料漿的坍落度總體上增大了2.4%;當(dāng)砂灰比為5時(shí),隨著減水劑摻量從0%增加至0.35%,料漿的坍落度總體上增大了2.6%;當(dāng)砂灰比為6和8時(shí),隨著減水劑摻量從0%增加至0.35%,料漿的坍落度總體上增大了3.9%和4.2%。因此,水泥含量的差異也能夠影響減水劑對(duì)料漿坍落度的改善效果,即減水劑摻量對(duì)料漿流動(dòng)性能的改善效果隨著水泥含量減小而增大。從圖2(b)中可以看出,減水劑的摻入也能夠改善含膨潤(rùn)土的膠結(jié)充填料漿的流動(dòng)性,即料漿的坍落度也隨著減水劑摻量增加而增大,說明減水劑的摻入可以有效處理膨潤(rùn)土對(duì)料漿流動(dòng)性的不利影響。

圖2 含減水劑的充填料漿坍落度指標(biāo)變化特征Fig.2 Variation characteristics of slump of filling slurry containing water reducing agent

3.3 膨潤(rùn)土對(duì)膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度的影響

充填體3、7、28 d抗壓強(qiáng)度與膨潤(rùn)土含量的關(guān)系曲線如圖3至圖5所示。

圖3 充填體3 d抗壓強(qiáng)度與膨潤(rùn)土含量間的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curves between 3 d compressive strength of backfill and bentonite content

由圖3可知:當(dāng)膨潤(rùn)土含量固定不變時(shí),隨著砂灰比增大,充填體的3 d抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯降低趨勢(shì),并且在不同的膨潤(rùn)土含量下,充填體的抗壓強(qiáng)度降幅存在一定的差異。當(dāng)膨潤(rùn)土含量分別為0%、5%、10%及15%時(shí),隨著砂灰比由4增大至8,充填體的3 d抗壓強(qiáng)度分別下降了55.3%、0.63%、73.5%及72.3%,反映出當(dāng)膨潤(rùn)土含量越高時(shí),充填體3 d抗壓強(qiáng)度下降的幅度也就越大。此外,當(dāng)砂灰比固定不變時(shí),充填體3 d抗壓強(qiáng)度與膨潤(rùn)土之間表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,即充填體3 d抗壓強(qiáng)度隨著膨潤(rùn)土含量增加而降低,說明膨潤(rùn)土含量增加會(huì)對(duì)充填體3 d抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。由圖4和圖5可知:當(dāng)砂灰比固定不變時(shí),膠結(jié)充填體7 d和28 d抗壓強(qiáng)度隨著膨潤(rùn)土含量增加也均表現(xiàn)出明顯降低趨勢(shì),說明膨潤(rùn)土摻量增加也對(duì)充填體7 d及28 d抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生了不利影響。此外,當(dāng)膨潤(rùn)土含量分別為0%、5%、10%、15%時(shí),隨著砂灰比由4增大至8,充填體的7 d抗壓強(qiáng)度分別下降了48.1%、48.9%、51.3%、52.3%,充填體的28 d抗壓強(qiáng)度分別下降了42.8%、45.3%、48.6%、49.7%。由此可見,當(dāng)膨潤(rùn)土含量越高時(shí),充填體7 d及28 d抗壓強(qiáng)度下降幅度越大,說明充填體7 d及28 d抗壓強(qiáng)度對(duì)砂灰比的敏感性隨著膨潤(rùn)土含量增加而增大。然而,通過對(duì)比可以看出,隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加,充填體3、7、28 d抗壓強(qiáng)度隨著膨潤(rùn)土摻量增加而下降的幅度隨著齡期延長(zhǎng)而降低,說明養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)能夠在一定程度上降低膨潤(rùn)土對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度的不利影響。

圖4 充填體7 d抗壓強(qiáng)度與膨潤(rùn)土含量間的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curves between 7 d compressive strength of backfill and bentonite content

圖5 膠結(jié)充填體28 d抗壓強(qiáng)度隨膨潤(rùn)土含量的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between 3 d compressive strength of backfill and bentonite content

3.4 減水劑對(duì)膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度的影響

摻入膨潤(rùn)土與未摻膨潤(rùn)土的膠結(jié)充填體3、7、28 d抗壓強(qiáng)度隨著減水劑含量的變化特征如圖6至圖8所示。

圖6 膠結(jié)充填體3 d抗壓強(qiáng)度隨減水劑含量的變化特征Fig.6 Variation characteristics of 3 d compressive strength of backfill with water reducer content

由圖6可知:無論是否摻入膨潤(rùn)土,膠結(jié)充填體3 d抗壓強(qiáng)度與減水劑含量之間均表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系,即膠結(jié)充填體3 d抗壓強(qiáng)度均隨著減水劑含量增加而不斷增大,說明減水劑的摻入有利于提高充填體的3 d抗壓強(qiáng)度。此外,無論減水劑取何摻量水平,膠結(jié)充填體的3 d抗壓強(qiáng)度均隨著砂灰比增大而減小,但充填體3 d抗壓強(qiáng)度的降幅與減水劑摻量也有一定的關(guān)系。當(dāng)添加膨潤(rùn)土?xí)r,隨著減水劑摻量從0%增加至0.35%,砂灰比為4、5、6、8的充填體3 d抗壓強(qiáng)度分別增大了2.1%、1.7%、1.6%及1.4%,摻入了膨潤(rùn)土的充填體3 d抗壓強(qiáng)度則分別增大了1.9%、1.7%、2.1%、2.3%。因此,當(dāng)摻入減水劑后,砂灰比越小的充填體強(qiáng)度增幅略高于砂灰比越高的充填體抗壓強(qiáng)度增幅,并且膨潤(rùn)土的摻入不會(huì)影響減水劑對(duì)充填體3 d抗壓強(qiáng)度的改善效果。此外,通過圖7和圖8可以看出:無論是否摻入膨潤(rùn)土,膠結(jié)充填體7 d和28 d抗壓強(qiáng)度與減水劑含量之間也表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系,即膠結(jié)充填體7 d和28 d抗壓強(qiáng)度也均隨著減水劑含量增加而不斷增大,說明減水劑的摻入有利于提高充填體的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度。因此,摻入減水劑能夠改善充填體的抗壓強(qiáng)度,膨潤(rùn)土的摻入不會(huì)影響減水劑對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度的改善效果,并且摻入減水劑也能夠在一定程度上彌補(bǔ)膨潤(rùn)土對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度的不利影響。減水劑能夠影響充填體強(qiáng)度的原因在于減水劑可以釋放尾砂中的絮團(tuán)水,使得水化產(chǎn)物能夠與尾砂顆粒充分黏結(jié),提高了充填體微觀結(jié)構(gòu)的致密性,從而提升了充填體的強(qiáng)度[5]。

圖7 膠結(jié)充填體7 d抗壓強(qiáng)度隨減水劑含量的變化特征Fig.7 Variation characteristics of 7 d compressive strength of backfill with water reducer content

圖8 膠結(jié)充填體28 d抗壓強(qiáng)度隨減水劑含量的變化特征Fig.8 Variation characteristics of 28 d compressive strength of backfill with water reducer content

4 結(jié) 論

(1)膨潤(rùn)土與料漿坍落度之間呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)膨潤(rùn)土含量不斷增大時(shí),料漿坍落度表現(xiàn)出明顯降低趨勢(shì),說明摻入膨潤(rùn)土?xí)?duì)料漿的流動(dòng)性能產(chǎn)生不利影響。減水劑的摻入能夠改善含有膨潤(rùn)土膠結(jié)充填料漿的流動(dòng)性,并且減水劑的摻入可以緩解膨潤(rùn)土對(duì)料漿流動(dòng)性的不利影響。

(2)摻入膨潤(rùn)土?xí)?duì)充填體強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響,并且膨潤(rùn)土含量越高時(shí),充填體強(qiáng)度的降低幅度越大。此外,養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)能夠在一定程度上降低膨潤(rùn)土對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度的不利影響。

(3)摻入減水劑能夠改善充填體的抗壓強(qiáng)度,而膨潤(rùn)土的摻入不會(huì)影響減水劑對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度的改善效果,膨潤(rùn)土對(duì)強(qiáng)度的不利影響程度也隨著減水劑含量增加而逐漸降低,說明減水劑可有效改善膨潤(rùn)土充填體的力學(xué)性能。