廢石摻量對膠結充填體強度及變形破壞的影響

于恩毅 黃旭東 王珍岐 黃晢航 龔甲桂

（1.北京科技大學高等工程師學院，北京 100083；2.中國冶金地質總局山東正元地質勘察院，山東 濟南，250014）

綠色采礦是當今礦山開采的發展方向，尾砂的地表堆存以及尾礦壩的穩定性是當今各個礦山重點關注的問題。尾砂膠結充填不僅能夠保證井下安全開采，還能解決礦山尾砂的堆存問題，從而實現綠色開采［1-4］。目前，采用全尾砂膠結充填已經不能滿足部分礦山的充填要求和經濟要求，從而提出用一定量的粗骨料替代部分全尾砂進行膠結充填。粗骨料的剛性骨架作用，能夠提高充填體的強度，并且能夠提高充填體的彈性模量，減小在載荷作用下的變形。此外，粗骨料由于內部存在裂紋而具有一定的吸水率，吸附的水在一定程度上能夠改善充填體的后期養護［1］。在混凝土及混凝土集料相關術語的定義中，ASTM將粗骨料定義為集料中粒徑大于4.750 mm的顆粒，但全尾砂顆粒較細，與定義粒徑相比差距較大，會造成粒徑效應，從而影響試驗結果的準確性，基于此，本次研究擬訂粗細骨料界限為1.000 mm，即礦山廢石作粗骨料的最小摻入粒徑為1.000 mm。

本研究采用控制變量的實驗思路，結合SEM電鏡掃描與XRD試驗手段，探究在廢石—全尾砂混合骨料下膠結充填體強度特性，探明廢石摻量對全尾砂—廢石膠結充填體強度及變形特性的影響規律以及機理。通過研究，可以揭示廢石最優摻入量或摻入范圍，對實現礦山的經濟開采具有十分重要的理論價值與突出的現實意義。

1 試驗原材料

1.1 混合骨料

全尾砂是指沒有經過分級脫泥的尾砂。全尾砂含有較多細粒級顆粒，細顆粒有較大的比表面積和較好的吸水性，與水吸附之后均勻填充在粗顆粒之間，保證了充填料漿的和易性、塑性和結構面上固體顆粒間的穩定性［5］。

廢石集料主要來源于井下開拓與生產所產生的廢石。本實驗所用廢石的最大粒徑為10 mm，不超過管道直徑的1/5，能夠滿足管道輸送要求，并且其級配能構成良好的骨架結構，可以作為充填料漿。

通過試驗與分析，表1列舉了全尾砂與廢石的有關物理參數。使用LMS-30型激光粒度分析儀測定全尾砂與廢石的粒級分布，測試結果見圖1。表2為XRD礦物組分分析結果。

分析圖1，表2可知，尾砂的主要成分為SiO2、MgO，其中含有部分 Fe2O3、CaO、Al2O3、SO3、K2O、TiO2等成分。尾砂主要為粒徑小于100 μm的顆粒，其中10～80 μm的占多數，有利于料漿制備與采場充填脫水。

1.2 膠凝材料

膠凝材料選用水泥標號為R32.5級增強復合水泥，比重為3.1 t/m3，密度為1.1 t/m3，比表面積為3 100～3 300 cm2/g，化學成分如表2所示，主要成分為CaO和SiO2。

2 充填料漿配比實驗

2.1 試驗設計

充填體的強度主要取決于充填料漿的配比，即骨料、膠凝材料、水的配比。本實驗采用控制變量的實驗思路，控制灰砂比1∶5、料漿濃度75%、廢石摻量分別為40%～80%（梯度為5%），探究廢石摻量對3 d、7 d、28 d齡期充填體的抗壓強度的影響規律，并作28 d齡期的應力—應變曲線探究其變形特性。

根據試驗方案，將稱量好的充填物料（全尾砂、廢石、水泥、水）倒入混合容器內，強力攪拌形成均勻充填料漿。將攪拌好的料漿注入?50 cm×100 cm標準圓柱形模具，采用人工振搗的方法裝模，將制作好的試塊放至養護箱養護，養護溫度為22℃，養護濕度為95%。每種配比條件下制作試塊9個，使用壓力試驗機分別在規定齡期測試充填體單軸抗壓強度，加荷速度為0.2 kN/s。

2.2 試驗結果

廢石—全尾砂膠結充填體試樣在恒溫恒濕養護箱中分別養護3 d、7 d、28 d后，使用抗壓強度試驗儀測定其單軸抗壓強度，用Y1、Y2、Y3分別表示3個齡期的抗壓強度，實驗結果如表3所示。

2.2.1 強度特性

以廢石摻量為x坐標，28 d齡期單軸抗壓強度、破壞時總應變量為y軸，繪制出散點圖并對其進行線性擬合，結果分別如圖2、圖3所示。由圖可知：①隨著廢石摻量的提高，充填體的單軸抗壓強度呈逐漸減小的趨勢；②隨著廢石摻量的提高，充填體破壞時的最大應變量變化不大。根據礦山充填開采對充填體具體強度、減沉和經濟效應等因素的要求，可以選擇不同廢石摻量的充填體。

由線性回歸方法可得，試件單軸抗壓強度y1和廢石摻量x的特征關系式：

試件破壞時的總應變量y2和廢石摻量x的特征關系式：

2.2.2 變形特性

制備濃度為75%、灰砂比為1∶5、廢石摻量分別為40%、60%、80%的3組充填試件，對保養28 d的試樣進行單軸抗壓強度試驗，得到應力—應變曲線如圖4所示。

由圖4可知，試件壓縮過程中主要經過了7個階段［6-8］：①微裂隙閉合階段，應力—應變曲線呈明顯的下凹特征，由試樣內部孔隙逐漸壓密導致；②短暫線彈性階段，應力—應變關系近乎出現正相關；③端部裂隙擴展破壞階段，應力—應變曲線出現應力平臺，試件出現較大應變，約占總應變的15%～20%，由試件端部應力集中及平整度不高導致應力集中，致使端部部分優先破壞導致；④端部裂隙閉合階段，應力—應變曲線再次出現下凹特征，主要由于端部破裂后產生的新裂隙被逐漸壓密導致；⑤線彈性階段，應力—應變近乎正相關；⑥微裂紋擴展階段，應力—應變曲線呈明顯的上凸特征，由試樣內部軟弱部分應力值已經達到承載極限，逐漸產生裂隙導致；⑦裂紋貫通破壞階段，由于裂隙的產生，導致試樣內部裂隙周圍應力集中，裂紋快速擴展，貫穿，直至充填體完全失穩破壞。

從圖4中可以看出來，在較高濃度條件下，試件彈性較好，應力—應變曲線沒有很明顯的屈服過程；隨著廢石摻量的增加，其強度有所下降，其破壞時的總應變量基本相同；其應力—應變曲線在初期基本重合，主要在端部裂隙閉合階段之后逐漸分開。

3 影響機理

廢石摻量主要通過混合骨料堆積密實度影響充填體的強度［9-10］。粗骨料在充填體中主要起到骨架支撐的作用，水泥的水化產物充填在其孔隙之中，起到粘結加固的作用。在一定范圍內，充填體中廢石摻量越大，在強度發展后期越容易形成完善的骨架支撐體系，使得強度越高［11-15］。為深入探究廢石摻量對充填體強度的影響機理，選取料漿配比為料漿濃度為75%，灰砂比為1∶5，廢石摻量分別為40%、50%、60%、70%、80%的28 d齡期充填體試塊進行SEM電鏡掃描和XRD試驗分析，電鏡掃描結果如圖5所示，XRD測試結果如圖6所示，可以看出隨著廢石摻量的增加，微觀結構更加疏松，針狀物質明顯增多，絮狀物與塊狀物明顯減少，孔隙比例也明顯增加，C-S-H和氫氧化鈣等水化產物的含量逐漸減少，水化反應不充分，充填體強度也逐漸降低。由于粗骨料含量太多，所形成的骨架太大，水化產物相對較少未能充分填滿產生較多孔隙，對提高充填體強度產生了不利的影響。

4 結論

（1）隨著廢石摻量（≥40%）的增加，充填體試樣的單軸抗壓強度逐漸減小。

（2）隨著廢石摻量（≥40%）的增加，微觀結構更加疏松，針狀物質明顯增多，絮狀物與塊狀物明顯減少，孔隙比例也明顯增加，水化反應不充分，充填體強度也逐漸降低。由于粗骨料含量太多，所形成的骨架太大，水化產物相對較少未能充分填滿產生較多孔隙，對提高充填體強度產生了不利的影響。

（3）試件壓縮過程中主要經過了7個階段。在較高濃度條件下，試件彈性較好，應力—應變曲線沒有很明顯的屈服過程；隨著廢石摻量的增加，其強度有所下降，其破壞時的總應變量基本相同；其應力—應變曲線在初期基本重合，主要在端部裂隙閉合階段之后逐漸分開。