李文臣，王忠紅，郭利杰，許文遠

(1.北京礦冶科技集團有限公司，北京 102628；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628;3.鞍鋼集團礦業(yè)設(shè)計研究院有限公司，遼寧 鞍山 114000)

隨著社會對礦山安全生產(chǎn)和環(huán)境保護要求的提高，尾砂膠結(jié)充填采礦法得到越來越廣泛的應(yīng)用。尾砂膠結(jié)充填不僅能夠消納尾砂，實現(xiàn)大宗礦冶固廢的資源化利用，同時能夠提高采礦的安全性、提高礦產(chǎn)資源的回采率[1-4]。在充填采礦生產(chǎn)中，根據(jù)膠結(jié)充填體的功能，要對其進行強度設(shè)計，使之既能滿足安全采礦的要求，又盡可能節(jié)約膠結(jié)劑，降低充填成本[5-6]。由于充填系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和充填采場濕度、溫度等因素的影響，充填體實際強度一般與設(shè)計強度存在一定的差距。為了研究二者的關(guān)系，人們一般先對充填體進行原位取樣，然后對試樣進行強度試驗，以獲得充填體的實際強度。由于充填體原位取樣存在勞動強度大、取樣過程對試件造成震動干擾等問題，人們希望找到更便捷的獲得充填體原位強度的方法。

尾砂膠結(jié)充填體是一種水泥基材料，其強度是由膠結(jié)劑水化硬化而形成的，充填體強度和孔隙率都是膠凝材料水化硬化的結(jié)果，一般而言，起膠結(jié)作用的水化產(chǎn)物生成量大，則膠結(jié)充填體強度高，結(jié)構(gòu)致密，孔隙率低。因此，充填體強度和孔結(jié)構(gòu)之間可能存在一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，本研究的目的就是探究這一關(guān)系。

已有研究表明，在尾砂膠結(jié)充填中，尾砂中的硫酸鹽在一定條件下可對膠結(jié)充填體的強度和孔結(jié)構(gòu)造成影響，除此之外，礦渣和粉煤灰等具有火山灰活性礦物的摻入，一定條件下可提高充填體強度并使其更加致密。本研究使用不同濃度的硫酸鹽、礦渣和粉煤灰以獲取不同孔結(jié)構(gòu)和強度的尾砂膠結(jié)充填體試樣。

1 實驗過程

1.1 實驗材料

1.1.1 膠結(jié)劑

本研究采用三種膠結(jié)劑，分別為標號為P·O 42.5的普通硅酸鹽水泥(水泥)、P·O 42.5水泥和水淬高爐礦渣微粉(礦渣，比表面積為480 m2/kg)1∶1混合物、P·O 42.5水泥和粉煤灰微粉(粉煤灰，比表面積為370 m2/kg) 1∶1混合物。水泥、礦渣和粉煤灰的化學(xué)成分見表1。

1.1.2 尾砂

為消除尾砂中不同礦物對實驗造成的不確定影響，本研究使用粒度分布與天然尾砂相似的石英砂作為骨料，其二氧化硅的含量是99.8%，粒度分布如圖1所示。

表1 膠結(jié)劑的主要化學(xué)成分

圖1 尾砂粒度分布曲線

1.1.3 拌和水

本研究使用蒸餾水和七水合硫酸亞鐵配制拌和水。

1.2 試樣制作與養(yǎng)護

該研究中所有尾砂膠結(jié)充填體試樣水泥占固體材料的質(zhì)量分數(shù)均為4.5%，水灰比均取7.6，根據(jù)不同膠結(jié)劑種類和不同硫酸鹽濃度共設(shè)計8組試樣配比，配比編號和成分詳見表2。使用5K5SS多功能攪拌機將按配比稱量的尾砂、膠結(jié)劑和水攪拌7 min，然后將攪拌均勻的料漿裝入直徑為5 cm、高度為10 cm的圓柱形塑料模具中，用塑料蓋將試模封住并使用防水膠帶對瓶蓋出進行密封，最后將所有試樣置于20 ℃環(huán)境養(yǎng)護。

表2 尾砂膠結(jié)充填體試樣配比

1.3 測試方法

1.3.1 單軸抗壓強度試驗

根據(jù)ASTM C 39，使用英國ELE公司生產(chǎn)的恒速加載單軸壓力機，對所有試樣的28 d強度進行測試，壓力機加載速率設(shè)置為1 mm/min。

1.3.2 孔結(jié)構(gòu)測試

將養(yǎng)護齡期為28 d的試塊從試模中取出，在50 ℃環(huán)境中烘干，待試塊質(zhì)量恒定后，用刮刀將試塊表面刮除，從試塊中段取若干個邊長為0.5～1 cm的試樣，用密封袋封存，然后使用Auto Pore IV 9500型全自動壓汞測孔儀對試塊孔隙結(jié)構(gòu)進行測試，測試壓力設(shè)置為一個標準大氣壓至414 MPa(60 000 psia)。

2 結(jié)果與分析

2.1 充填體試樣早期強度

圖2展示了8組不同配比的尾砂膠結(jié)充填體試樣28 d單軸抗壓強度結(jié)果，觀察圖2中結(jié)果可知：密封恒溫養(yǎng)護條件下，不同成分膠結(jié)劑、不同濃度硫酸鹽對尾砂膠結(jié)充填體試樣早期強度有顯著影響。觀察C-0和C-2.5兩組試塊的強度可知，硫酸亞鐵對以普通硅酸鹽水泥的膠結(jié)效果具有顯著的破壞作用，這是由于硫酸鹽會抑制和延緩水泥的水化[10]；對比S-0、S-0.5和S-2.5三組試塊的強度可知，礦渣與水泥混合而成的膠結(jié)劑對尾砂的膠結(jié)效果要優(yōu)于純水泥，并且濃度為0.5%硫酸亞鐵對該膠結(jié)劑的膠結(jié)效果具有顯著的增強作用，這主要由于礦渣中的活性氧化鋁在硫酸鹽的激發(fā)下生成了更多的鈣礬石[11]，而濃度為2.5%硫酸亞鐵對該膠結(jié)劑的膠結(jié)效果具有顯著的破壞作用；而對比F-0、F-0.5和F-2.5三組試塊的強度可知，硫酸亞鐵濃度越高，試樣強度越低。

2.2 尾砂膠結(jié)充填體試樣孔結(jié)構(gòu)測試結(jié)果與分析

圖3展示了8組不同配比的尾砂膠結(jié)充填體試樣28 d壓汞法孔結(jié)構(gòu)測試(MIP)結(jié)果。觀察圖3中結(jié)果可知：不同成分膠結(jié)劑、不同濃度硫酸鹽對尾砂膠結(jié)充填體試樣早期孔結(jié)構(gòu)有顯著影響。將圖3中各組試塊的孔隙總體積除以試樣體積，可以得到各組試樣的孔隙率P，如圖4所示。根據(jù)圖3中汞蒸氣壓入量和汞蒸氣壓力的關(guān)系，可以得出各組試樣的孔徑分布，即不同直徑范圍的孔占總孔隙體積的百分比，如圖5所示。通過圖4和圖5可以更直觀地觀察到膠結(jié)劑和硫酸鹽濃度的變化對試樣孔隙率的影響。

圖2 尾砂膠結(jié)充填體試樣28 d強度

圖3 尾砂膠結(jié)充填體試樣MIP測試結(jié)果

圖4 尾砂膠結(jié)充填體試樣孔隙率

圖5 尾砂膠結(jié)充填體試樣孔徑分布

觀察圖4中C-0和C-2.5兩組試塊的孔隙率可知，硫酸鹽的加入使以普通硅酸鹽水泥為膠結(jié)劑的充填體試樣孔隙率有小幅升高，而圖5中的結(jié)果顯示硫酸鹽的加入使C-2.5的孔徑整體大于C-0組試塊，這說明硫酸鹽對水泥水化的抑制和延緩對試樣孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較為顯著的影響。對比圖4和圖5中S-0、S-0.5和S-2.5三組試塊的孔隙率和孔徑分布可知，以礦渣與水泥混合物作為膠結(jié)劑的尾砂膠結(jié)試樣，濃度為0.5%硫酸亞鐵對可使試樣的孔隙率降低，并且小孔比例升高，大孔比例降低，即孔結(jié)構(gòu)更加致密，而濃度為2.5%硫酸亞鐵對可使試樣的孔隙率升高，并且小孔比例降低，大孔比例升高，即孔結(jié)構(gòu)更加疏松。而對比圖4中F-0、F-0.5和F-2.5三組試塊的強度可知，隨著硫酸亞鐵濃度升高，試樣孔隙率卻有小幅降低，但圖5中的結(jié)果顯示，隨著硫酸鹽濃度升高，大孔比例整體呈現(xiàn)升高趨勢，即試樣孔結(jié)構(gòu)更加疏松。

2.3 早期強度與孔隙率關(guān)聯(lián)性分析

根據(jù)以上兩節(jié)的分析可知，尾砂膠結(jié)充填體試樣的強度和孔結(jié)構(gòu)特征均隨膠結(jié)劑成分和硫酸鹽濃度的變化而變化，并且變化規(guī)律具有一定的相似性。這是由于尾砂膠結(jié)試樣強度的發(fā)展和孔結(jié)構(gòu)的形成都是膠結(jié)劑水化硬化的結(jié)果。膠結(jié)劑水化時，C3S、C2S、C3A、C4AF等礦物與水反應(yīng)生成C-S-H、AFt和CH等礦物，而礦渣和粉煤灰中的活性SiO2、Al2O3與FeSO4和Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成Aft和C-S-H，使硬化后的試樣更加密實、強度升高。因此，在尾砂膠結(jié)充填體試樣單軸抗壓強度與其孔隙率之間，可能存在一定的關(guān)聯(lián)性。

以試樣單軸抗壓強度為縱坐標，以試樣孔隙率作為橫坐標作圖，可以得到試樣單軸抗壓強度強度與其孔隙率之間的關(guān)系，如圖6所示。

對圖6中數(shù)據(jù)進行擬合可以得到方差為0.6939的線性回歸方程，由此可見，本研究中試樣的單軸抗壓強度與其孔隙率之間存在一定的線性相關(guān)關(guān)系，即在總體上表現(xiàn)出孔隙率越高強度越低的趨勢，但并不顯著。吳中偉[12]發(fā)現(xiàn)不同孔徑的孔對混凝土強度的影響也不相同，并且指出了孔徑小于20 nm的孔隙為無害孔，對混凝土性能影響非常??；而孔徑大于200 nm的孔隙為多害孔，對混凝土強度的影響較為顯著。故本文將在下一節(jié)中探索分析多害孔體積與單軸抗壓強度的關(guān)聯(lián)規(guī)律。

2.4 早期強度與多害孔體積關(guān)聯(lián)規(guī)律

以試樣單軸抗壓強度為縱坐標，以試樣中直徑大于0.2 μm的多害孔作為橫坐標作圖，可以得到二者之間的關(guān)系，如圖7所示。對圖7中數(shù)據(jù)就行擬合可以得到線性回歸方程Rc=-0.058P+2.7595，方差為0.892。由此可見，尾砂膠結(jié)充填體試樣中直徑大于0.2 μm的多害孔體積與其單軸抗壓強度的線性相關(guān)性比孔隙率與其單軸抗壓強度的線性相關(guān)性更為顯著，說明試塊強度的降低主要與多害孔體積增大有關(guān)。

圖6 強度與孔隙率關(guān)聯(lián)規(guī)律

圖7 強度與多害孔關(guān)聯(lián)規(guī)律

3 結(jié) 論

1) 密封恒溫養(yǎng)護條件下，不同成分膠結(jié)劑、不同濃度硫酸鹽對尾砂膠結(jié)充填體試樣早期強度、孔隙率和孔徑分布均有影響。

2) 本研究中尾砂膠結(jié)充填體試樣的28 d抗壓強度與其孔隙率存在一定的線性相關(guān)規(guī)律，即在總體上表現(xiàn)出孔隙率越高強度越低的趨勢。

3) 尾砂膠結(jié)充填體試樣中直徑大于0.2 μm的多害孔體積與其單軸抗壓強度的線性相關(guān)性比孔隙率與其單軸抗壓強度的線性相關(guān)性更為顯著，說明試塊強度的降低主要與多害孔體積增大有關(guān)，并得到尾砂膠結(jié)充填體試樣28 d強度與多害孔體積相關(guān)性方程為Rc=-0.058P+2.7595。