不同形狀尺寸充填試樣強(qiáng)度研究

葉光祥，解聯(lián)庫(kù)，郭利杰，劉光生，王 賀

(1.贛州有色冶金研究所，江西 贛州 241000；2.北京礦冶研究總院，北京 100160)

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不同形狀尺寸充填試樣強(qiáng)度研究

葉光祥1，解聯(lián)庫(kù)2，郭利杰2，劉光生2，王 賀2

(1.贛州有色冶金研究所，江西 贛州 241000；2.北京礦冶研究總院，北京 100160)

通過開展不同形狀、尺寸充填試樣單軸抗壓試驗(yàn)，進(jìn)行全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度尺寸效應(yīng)研究，探究全尾砂膠結(jié)充填體尺寸效應(yīng)現(xiàn)象及不同形狀與尺度充填試樣間的強(qiáng)度換算。研究表明：在料漿砂灰比和濃度相同條件下，大尺寸充填試樣抗壓強(qiáng)度高于小尺寸充填試樣；各形狀及尺寸充填試樣強(qiáng)度呈冪函數(shù)關(guān)系，強(qiáng)度間換算關(guān)系與砂灰比及料漿濃度無(wú)關(guān)，可由同一函數(shù)表達(dá)。

全尾砂膠結(jié)充填體；單軸抗壓強(qiáng)度；尺寸效應(yīng)；強(qiáng)度換算

尺寸效應(yīng)指的是在材料的性能測(cè)試中，一些性能參數(shù)隨著材料結(jié)構(gòu)尺寸的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象[1-2]。充填體試樣的強(qiáng)度不僅與充填體料漿濃度、料漿砂灰比、充填體養(yǎng)護(hù)齡期等因素有關(guān)，還與充填體尺寸和形狀有關(guān)，這一現(xiàn)象就叫做充填體的強(qiáng)度尺寸效應(yīng)。早在1925年，Gonnerman就注意到了水泥混凝土材料的強(qiáng)度尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，由此諸多學(xué)者開始了關(guān)于材料強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的研究[3]。研究的重點(diǎn)主要集中在兩個(gè)方面：材料強(qiáng)度尺寸效應(yīng)規(guī)律及材料強(qiáng)度尺寸效應(yīng)影響因素。在混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)研究中，抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的研究成為大家最為關(guān)注的一項(xiàng)指標(biāo)，因此此次試驗(yàn)重點(diǎn)研究充填體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)研究。

關(guān)于充填體強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的研究，郭利杰[4]研究了尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度與試樣尺寸和幾何形狀之間的關(guān)系，研究指出，充填體強(qiáng)度隨著試樣尺寸的增加而減小，呈非線性變化。成祖國(guó)[5]通過對(duì)試驗(yàn)室充填體試樣制備與礦山現(xiàn)場(chǎng)充填過程的不同，研究了實(shí)驗(yàn)室充填體試樣與現(xiàn)場(chǎng)充填體強(qiáng)度差別，試驗(yàn)證明，礦山現(xiàn)場(chǎng)充填體強(qiáng)度明顯低于實(shí)驗(yàn)室充填測(cè)試結(jié)果。

現(xiàn)階段，礦山充填體強(qiáng)度性能指標(biāo)主要來(lái)源于實(shí)驗(yàn)室條件下小尺寸試樣的充填配比實(shí)驗(yàn)。但由于行業(yè)還未形成關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的任何規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，各實(shí)驗(yàn)室所用充填試模形狀、大小不一。各試驗(yàn)室所用充填試模主要分為立方體試模和圓柱體試模，常用立方體試模規(guī)格有7.07cm×7.07cm×7.07cm、10.0cm×10.0cm×10.0cm和15.0cm×15.0cm×15.0cm，圓柱試模直徑大小不等，高徑比為2∶1。試模形狀及尺寸的不同造成各試樣性能指標(biāo)也不一樣，如何讓實(shí)驗(yàn)室小尺寸試樣結(jié)果對(duì)真實(shí)的采空區(qū)充填體結(jié)構(gòu)有更好的指導(dǎo)意義和實(shí)用性，開展尺寸效應(yīng)對(duì)充填材料強(qiáng)度的影響實(shí)驗(yàn)及不同形態(tài)充填試樣強(qiáng)度換算具有重要意義。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 充填配比材料

尾砂：試驗(yàn)所用尾砂為某銅礦一期尾礦庫(kù)中全尾砂，密度2.88g/cm3，容重1.91 g/cm3，孔隙率33.68%。

水泥：水泥為礦山當(dāng)?shù)禺a(chǎn)32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，容重為3.0 g/cm3。

水：水為實(shí)驗(yàn)室用水，密度1.0g/cm3。

1.2 充填試模設(shè)計(jì)

本文主要針對(duì)充填體強(qiáng)度尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究，并試圖建立不同形狀和尺寸充填試樣強(qiáng)度間聯(lián)系，根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)室常用試模形狀和尺寸，本研究采用3種形狀及尺寸試模進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1所示。圖1(a)為混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試模，7.07cm×7.07cm×7.07cm立方體。圖1(b)和(c)為自制圓柱體試模，φ5.13cm×10cm圓柱試模由PVC管加工而成，φ7.08cm×14.2cm圓柱試模由PV管加工而成。加工流程為：用車床進(jìn)行切割制成設(shè)計(jì)長(zhǎng)度短管，采用與其配套使用的水頭作為模底，并用螺旋鉆打孔，采用水管專用膠(硬聚氯乙烯膠粘劑)進(jìn)行粘合，上部采用配套使用的水管接頭作為浮模。

1.3 充填配比試驗(yàn)

此次充填配比試驗(yàn)控制參數(shù)主要有料漿砂灰比和料漿濃度，依據(jù)國(guó)內(nèi)充填試驗(yàn)及礦山常用充填料漿濃度和砂灰比，選定充填配比參數(shù)值，料漿濃度為65%、68%、70%和72%，砂灰比為4∶1、6∶1、8∶1和10∶1，進(jìn)行三種試模充填配比全面試驗(yàn)。

圖1 充填試樣模型形狀與尺寸

1.4 試樣制作

按照充填配比試驗(yàn)要求進(jìn)行試樣的制作、脫模、養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為濕度≥90%，溫度為20±1℃，養(yǎng)護(hù)齡期為28天。

2 充填體強(qiáng)度尺寸效應(yīng)研究

試樣28天養(yǎng)護(hù)期結(jié)束，選用YAW-600微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，共得到4×4×3=48組試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果

2.1 料漿濃度對(duì)充填試樣強(qiáng)度尺寸效應(yīng)影響分析

在相同料漿濃度條件下，各尺寸充填體料漿砂灰比—單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖2所示。

由圖2曲線可以看出：①同一料漿濃度下，各尺寸充填體強(qiáng)度均隨著砂灰比的增大而減小，兩者呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著砂灰比的不斷增大，充填體強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，此時(shí)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定；②相同料漿濃度和砂灰比情況下，比較圓柱體試樣抗壓強(qiáng)度大小發(fā)現(xiàn)：φ7.08cm×14.2cm圓柱體>φ5.13cm×10cm圓柱體，這說(shuō)明全尾砂膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度存在尺寸效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)室條件下全尾砂膠結(jié)充填體試樣單軸抗壓強(qiáng)度隨著試樣尺寸的增加而增加；③對(duì)比φ7.08cm×14.2cm圓柱體試樣與7.07cm×7.07cm×7.07cm立方體試樣單軸抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)7.07cm×7.07cm×7.07cm立方體試樣強(qiáng)度更大。這是由于試件受端部效應(yīng)影響引起的。當(dāng)試樣由上、下兩個(gè)鐵板加壓時(shí)，鐵板與試件端部之間存在摩擦力，試件端部存在剪應(yīng)力，阻止試件端部側(cè)向變形，試件端部應(yīng)力是不均勻的，只有在離開端面一定距離的部位，才會(huì)出現(xiàn)均勻應(yīng)力。圓柱體試樣高徑比為2∶1，比立方體試樣高徑比大，試樣中部出現(xiàn)均勻應(yīng)力狀態(tài)，受端部效應(yīng)影響較小，因而其單軸抗壓強(qiáng)度相比較小。

2.2 料漿濃度對(duì)充填試樣強(qiáng)度尺寸效應(yīng)影響分析

在相同料漿砂灰比條件下，各尺寸充填體料漿濃度—單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖3所示。通過圖3可以看出：①隨著料漿濃度的增大，各尺寸充填體強(qiáng)度增大，兩者呈指數(shù)關(guān)系；②觀察充填體強(qiáng)度隨料漿濃度的變化曲線，可知，當(dāng)料漿濃度小于69%時(shí)，充填體強(qiáng)度隨料漿濃度緩慢增長(zhǎng)；當(dāng)料漿濃度大于69%時(shí)，充填體強(qiáng)度隨料漿濃度急速增加。

圖2 不同尺寸充填體強(qiáng)度隨砂灰比變化對(duì)比圖

圖3 不同尺寸充填體強(qiáng)度隨料漿濃度的變化

初步分析認(rèn)為：當(dāng)料漿濃度較低時(shí)，料漿分層離析較為嚴(yán)重，不同粒徑顆粒分布不均，造成試樣孔隙增多、殘缺增大，因而試樣強(qiáng)度較低，增幅不大。當(dāng)料漿濃度高于該濃度時(shí)，料漿分層離析大大減小，試樣強(qiáng)度也有了大幅提高。

2.3 圓柱體試樣與立方體試樣強(qiáng)度換算

分別以圓柱體試樣和立方體試樣單軸抗壓強(qiáng)度為x軸和y軸。以相同料漿濃度和砂灰比條件下，圓柱體與立方體抗壓強(qiáng)度為強(qiáng)度換算點(diǎn)坐標(biāo)x值和y值，并擬合曲線，擬合曲線如圖4所示。

圖4(a)為φ5.13cm×10cm圓柱體試樣與7.07cm×7.07cm×7.07cm立方體試樣間的強(qiáng)度換算擬合曲線。圖4(b)為φ7.08cm×14.2cm圓柱體試樣與7.07立方體試樣單軸抗壓強(qiáng)度換算擬合曲線。結(jié)合圖4、表3，我們發(fā)現(xiàn)：各形狀及尺寸的全尾砂膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度呈冪函數(shù)關(guān)系。兩曲線擬合參數(shù)R2>0.95，曲線擬合效果較好；各濃度條件下強(qiáng)度換算點(diǎn)交錯(cuò)分布于擬合曲線兩邊，所有點(diǎn)離散程度很低。

圖4 圓柱體試樣與立方體試樣單軸抗壓強(qiáng)度換算

通過以上分析，可以認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)條件下(砂灰比4∶1～10∶1，料漿濃度65%～72%)，不同形狀或尺寸的充填體間強(qiáng)度換算與砂灰比和料漿濃度無(wú)關(guān)，可由同一函數(shù)表達(dá)。

3 結(jié)論

研究通過三種形狀和尺寸充填試樣配比試驗(yàn)，進(jìn)行試樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，共得到48組試驗(yàn)結(jié)果，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，主要得到以下結(jié)論。

1)相同料漿濃度和砂灰比情況下，不同形狀尺寸全尾砂膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度大小關(guān)系為：7.07cm×7.07cm×7.07cm立方體>φ7.08cm×14.2cm圓柱體>φ5.13cm×10cm圓柱體，全尾砂膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度存在尺寸效應(yīng)。

2)各形狀及尺寸的全尾砂膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度呈冪函數(shù)關(guān)系，且在砂灰比為4∶1～10∶1及料漿濃度為65%～72%條件下，各形狀及尺寸的全尾砂膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度換算與砂灰比及料漿濃度無(wú)關(guān)，可由同一函數(shù)表達(dá)。

[1] 石建新.漿體膨脹充填材料性能研究與應(yīng)用[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2013.

[2] 黃煜鑌.混凝土脆性與力學(xué)參數(shù)的尺寸效應(yīng)及其相互關(guān)系的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2002.

[3] 冷發(fā)光，邢鋒，馮乃謙,等.粉煤灰高性能混凝土試件強(qiáng)度尺寸效應(yīng)研究[J].混凝土，2000(12)：18-19，54.

[4] 郭利杰.尾砂膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)研究[J].鈾礦冶，2008，27(12)：61-63.

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國(guó)家自然資源和地理空間基礎(chǔ)信息庫(kù)建成

從國(guó)家發(fā)改委獲悉，我國(guó)第一個(gè)跨部門、軍民結(jié)合的大型國(guó)家級(jí)基礎(chǔ)性信息庫(kù)——國(guó)家自然資源和地理空間基礎(chǔ)信息庫(kù)建設(shè)項(xiàng)目通過驗(yàn)收并正式投入運(yùn)行。

國(guó)家自然資源和地理空間基礎(chǔ)信息庫(kù)是國(guó)家確定建設(shè)的國(guó)家電子政務(wù)四大基礎(chǔ)信息庫(kù)之一，由國(guó)家發(fā)展改革委牽頭，會(huì)同國(guó)土資源部等10個(gè)國(guó)務(wù)院有關(guān)部門、單位和軍隊(duì)有關(guān)方面共同建設(shè)，其運(yùn)行服務(wù)對(duì)于促進(jìn)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化建設(shè)，進(jìn)一步提高宏觀管理和決策水平，提升我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的能力具有重要意義。

Study on the strength of packing specimens in different shape or size

YE Guang-xiang1，XIE Lian-ku2，GUO Li-jie2，LIU Guang-sheng2，WANG He2
(1.Ganzhou Research Institute of Non-Ferrous Metallurgy,Ganzhou 341000,China;2.Beijing General Research Institure of Mining & Metallurgy，Beijing 100160，China)

This paper focuses on the size effect for compress strength of cemented tailings backfill，which obtained by uniaxial compression test with packing specimens in different shape or size，aiming to explore the size effect for compress strength of cemented tailings backfill phenomenon and the strength conversion among the backfill with different shape or size.The test results show that the compress strength of a bigger size filling body is higher than that of a smaller one；The relationship of uniaxial compress strength among is a power function，the strength conversion of backfill between different shape or size can be expressed by a same function which is independent with tailing-cements ratio and slurry concentration.

cemented unclassified tailings backfill；compress strength；size effect；strength conversion

2014-09-09

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào)：2013BAB02B02)

葉光祥(1989-)，男，江西贛州人，研究生，主要從事礦山巖石力學(xué)和礦山充填開采研究。E-mail：ygx912441832@163.com。

TD853.343

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1004-4051(2015)10-0128-04