廢石尾砂膠結充填體強度與水灰比關系研究

吳祥輝 朱 斌 王鵬華

(1.西北有色地質礦業集團有限公司；2.渭南市環境科學研究所)

充填料漿一般由水、水泥和骨料3部分組成，這3種材料的不同配比形成不同性能的料漿。在實際生產中，骨料、水和水泥的用量存在最優配合比，以達到成本最低、強度最高和工業要求。水灰比對膠結體初期強度起著重要的作用。水灰比為單位體積料漿中水與水泥的質量比。在灰砂比和料漿濃度等條件相同的情況下，水灰比對膠結體強度影響很大。大量的研究和實際經驗表明，膠結體強度隨水灰比的減小而增加。如果水灰比過小，直接影響水泥的水化反應和料漿流動性能；如果水灰比過大，料漿將會出現嚴重的離析現象，膠結體強度大大降低，直接影響使用效果[1-4]。因此，深入研究膠結體強度與水灰比關系，尋求料漿組成最佳配比，對工業生產有重要的指導意義和實際應用價值。

1 試驗材料及方法

試驗中所使用的骨料為廢石(-8 mm)和尾砂。室內試驗測定廢石集料的密度為2.799 t/m3，孔隙度為0.376；試驗測定的尾砂密度為2.441 t/m3，孔隙度為0.478。

本次試驗選定廢石尾砂比為7∶3，料漿質量濃度設計為76%、77%、78%、79%、80%、81%、82% ，單位體積料漿水泥用量分別為60，80，100，120，140，160，180，200，220，240，260，280，300 kg。試驗中，根據自密實充填特點，試塊裝模時自然裝填，不振動，不搗實。根據充填技術標準，用電子秤計量(精確到克)，人工攪拌，選用100 mm×100 mm×100 mm鋼制模具制作試件，用SBY-300型恒溫恒濕標準養護箱按溫度28 ℃、濕度85%條件對試塊進行標準養護[5]。

2 試驗測試結果及分析

用NYL-600型壓力試驗機對試件28 d抗壓強度值進行測定，得到91個試驗值，結果見表1。

表1 試塊28 d單軸抗壓強度

續表

根據試驗方案及結果，作出水灰比與強度關系散點圖(圖1)。根據圖形走勢，初選4種函數模型對水灰比與強度關系進行回歸擬合。

圖1 水灰比與強度關系散點

(1)冪函數模型為

y=axb,

(1)

式中，x為水灰比；y為試塊28 d強度，MPa；a、b為回歸系數。

使用回歸分析軟件進行回歸擬合，結果見圖2。方差分析結果見表2。

圖2 冪函數擬合結果

項目自由度平方和均方差FProb>F回歸22 326.936 081 163.468 044 917.907 60殘差8921.055 430.236 58未修正和912 347.991 5修正和90644.643 69

方程顯著性檢驗為F=4 917.91>F0.995(2,89)=6.07>F0.99(2,89)=5.18，屬高度顯著[6]。

(2)雙曲線函數模型為

(2)

式中，x為水灰比；y為試塊28 d強度，MPa；T1、T2為回歸系數。

使用分析回歸軟件進行回歸擬合，結果見圖3。方差分析結果見表3。

圖3 雙曲線函數擬合結果

項目自由度平方和均方差FProb>F回歸22 203.444 781 101.722 39678.350 170殘差89144.546 721.624 12未修正和912 347.991 5修正和90644.643 69

方程顯著性檢驗為F=678.35>F0.995(2,89)=6.07>F0.99(2,89)=5.18，屬高度顯著。

(3)倒指數函數模型為

y=aeb/x,

(3)

式中，x為水灰比；y為試塊28 d強度，MPa；a、b為回歸系數,b>0。

使用分析回歸軟件進行回歸擬合，結果見圖4。方差分析結果見表4。

圖4 倒指數函數擬合結果

項目自由度平方和均方差FProb>F回歸22 289.125 591 144.562 791 730.476 560殘差8958.865 920.661 41未修正和912 347.991 5修正和90644.643 69

方程顯著性檢驗為F=1 730.48>F0.995(2,89)=6.07>F0.99(2,89)=5.18，屬高度顯著。

(4)一階衰減指數函數為

y=A1e-x/t1+y0，

(4)

式中，x為水灰比；y為試塊28 d強度，MPa；A1、t1、y0為回歸系數。

使用分析回歸軟件進行回歸擬合，結果如圖5所示。方差分析結果見表5。

圖5 一階衰減指數函數擬合結果

項目自由度平方和均方差FProb>F回歸32 333.411 37777.803 794 694.518 90殘差8814.580 140.165 68未修正和912 347.991 5修正和90644.643 69

方程顯著性檢驗為F=4 694.52>F0.995(3,88)=5.01>F0.99(3,88)=4.33，屬高度顯著。

3 結 論

(1)由方差分析結果可知，4種函數模型均有較大的顯著性檢驗值F，查表可知，擬合方程均高度顯著[6]。

(2)用冪函數模型表達水灰比與強度關系，具有一定的適用性，相關系數平方為0.966 97，誤差平方和只占到總離差平方和不到4%，能較為準確地反映出兩者之間的內在關系，同時也驗證了Arioglu模型的適用性[7-8]。

(3)雙曲線函數模型擬合結果相關系數偏低，誤差平方和占到總離差平方和近23%，說明該函數模型不適合表達水灰比與強度的關系。

(4)倒指數函數模型擬合相關系數較雙曲線模型有大幅提高，但誤差平方和占到總離差平方和近10%，誤差仍然較大。

(5)一階衰減指數函數模型具有最高的擬合相關系數0.976 87，誤差平方和占到總離差平方和不到3%，說明使用該函數模型表達水灰比與強度之間關系，誤差最小，結果最精確，擬合度最高。

(6)模型中尚未考慮灰砂比和骨料堆積密實度2個重要因素對充填體強度的影響，強度預測結果難免出現一定偏差。因此，作為今后進一步研究的方向，綜合分析多因素對充填體強度的影響，全面反映各因素與強度之間的關系，該模型仍有完善空間。