徐毅安 鄧博團(tuán)

(1.安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系,河南 安陽 455000;2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,陜西 西安 710054)

近年來,隨著礦產(chǎn)資源的不斷回采,使得地表堆存的選廠尾砂和廢石等固體廢棄材料日益增多,對(duì)礦山安全生產(chǎn)及其周邊的自然環(huán)境帶來了巨大的壓力,嚴(yán)重制約了礦山的可持續(xù)發(fā)展[1-5]。粗骨料充填是將廢石作為粗骨料,尾砂作為細(xì)顆粒按照一定的比例與水泥、水進(jìn)行搭配制備成充填料漿,經(jīng)過管道輸送至采空區(qū),從而達(dá)到充填采場(chǎng)支撐圍巖的目的[6-8]。因此,充填體的強(qiáng)度對(duì)于維護(hù)采場(chǎng)穩(wěn)定具有非常重要的作用?，F(xiàn)有研究表明:水泥含量、質(zhì)量濃度、外加劑等因素均能夠?qū)Τ涮铙w強(qiáng)度產(chǎn)生顯著的影響,并且水泥含量與質(zhì)量濃度的增大能顯著提高充填體的強(qiáng)度[9-11]。然而,充填料漿經(jīng)過管道輸送至采空區(qū)后,勢(shì)必會(huì)發(fā)生沉降,尤其是粗骨料充填體中的粗顆粒沉降會(huì)更加明顯,并且充填料漿中的自由水也會(huì)隨著顆粒的沉降自行泌出,從而導(dǎo)致料漿濃度與室內(nèi)設(shè)計(jì)值存在一定的誤差。因此,有必要針對(duì)粗骨料充填料漿的泌水性能進(jìn)行研究。

目前,不少學(xué)者對(duì)于充填體的強(qiáng)度及流變性能開展了較為系統(tǒng)的研究工作。侯永強(qiáng)等[12]開展了充填體的室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn),得出纖維的摻入能夠顯著改善充填體的力學(xué)性能;趙康等[13]通過超細(xì)尾砂充填體的力學(xué)性能試驗(yàn),得出纖維的摻入能夠提高超細(xì)尾砂充填體的強(qiáng)度;王永巖等[14]針對(duì)尾砂充填體抗壓強(qiáng)度低、水泥消耗較大的問題,通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其配比參數(shù)進(jìn)行了研究;胡亞飛等[15]通過響應(yīng)面設(shè)計(jì)進(jìn)行了充填體的配比試驗(yàn),得出充填體強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律,并進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。可見,現(xiàn)階段對(duì)于充填料漿的研究多集中在固化強(qiáng)度上,對(duì)于充填料漿泌水特性的分析涉及較少,并且針對(duì)粗骨料充填料漿泌水特性的影響及其對(duì)充填體性能影響的研究較為薄弱。因此,本研究針對(duì)粗骨料充填料漿的泌水特性進(jìn)行研究,分析料漿泌水率變化對(duì)充填體性能的影響規(guī)律,為粗骨料充填體性能分析及參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用的材料為尾砂、廢石及棒磨砂,廢石和棒磨砂作為粗骨料與尾砂進(jìn)行搭配使用作為充填骨料。試驗(yàn)材料的化學(xué)成分組成見表1。由表1可知:骨料間的化學(xué)成分具有一定的差異,但均主要由SiO2組成,不具備活性,能夠作為充填骨料進(jìn)行使用。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of test materials %

試驗(yàn)設(shè)計(jì)開展3類配比參數(shù)下的充填料漿泌水試驗(yàn),具體包括尾砂+水泥、廢石+尾砂+水泥,主要分析濃度、水泥含量、粗顆粒摻量對(duì)料漿泌水性能的影響規(guī)律。尾砂+水泥的試驗(yàn)參數(shù)為:試驗(yàn)設(shè)計(jì)的料漿濃度為67%～70%,水泥摻量為270～330 kg/m3;廢石+尾砂+水泥的試驗(yàn)參數(shù)一致,具體為:料漿濃度為76%～79%,砂灰比為4～5,粗骨料含量為40%～70%(等質(zhì)量替代尾砂)。此外,在測(cè)試料漿泌水性能的同時(shí),采用相同配比參數(shù)下的料漿進(jìn)行坍落度測(cè)試,以探討料漿泌水參數(shù)與其坍落度之間的關(guān)系,從而揭示泌水率對(duì)充填體流動(dòng)性能的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 全尾+水泥料漿泌水參數(shù)變化特征

2.1.1 料漿質(zhì)量濃度對(duì)泌水率的影響

不同水泥摻量下,尾砂充填料漿泌水參數(shù)的變化特征如圖1所示。由圖1可知:充填料漿質(zhì)量濃度是影響料漿泌水率的關(guān)鍵因素之一,充填料漿泌水率與濃度間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,伴隨著料漿濃度不斷增大,料漿的泌水率呈不斷下降趨勢(shì),原因在于料漿濃度越高,拌合用水量越少,充填料漿靜置過程中,充填料顆粒能夠吸收一部分水,因此隨著濃度不斷增大,可泌出的水也逐漸減少,從而導(dǎo)致充填料漿泌水率不斷降低[16]。

圖1 不同水泥摻量下料漿泌水率隨質(zhì)量濃度的變化特征Fig.1 Variation characteristics of slurry bleeding rate with mass concentration under different cement content

2.1.2 水泥摻量對(duì)泌水率的影響

不同充填料漿質(zhì)量下,料漿的泌水率隨水泥摻量的變化特征如圖2所示。由圖2可知:水泥摻量的變化也會(huì)對(duì)泌水率產(chǎn)生一定的影響,即泌水率隨著水泥摻量的增加表現(xiàn)出不斷減小的趨勢(shì),說明水泥摻量也是料漿泌水率的影響因素。當(dāng)料漿質(zhì)量濃度為67%時(shí),隨著水泥摻量由270 kg/m3增加至310 kg/m3,料漿的泌水率降低了14.3%;當(dāng)料漿質(zhì)量濃度為68%時(shí),隨著水泥摻量由270 kg/m3增加至310 kg/m3,料漿的泌水率降低了24.3%;當(dāng)料漿質(zhì)量濃度為69%時(shí),隨著水泥摻量由270 kg/m3增加至310 kg/m3,料漿的泌水率降低了17.8%;當(dāng)料漿質(zhì)量濃度為70%時(shí),隨著水泥摻量由270 kg/m3增加至310 kg/m3,料漿的泌水率降低了47.6%?？梢?料漿泌水率的降幅隨著水泥摻量的增加逐漸增大,說明濃度越高時(shí),增加水泥摻量會(huì)增大其對(duì)泌水率的不利影響。水泥的水化反應(yīng)會(huì)消耗自由水,因此水泥摻量的增加會(huì)導(dǎo)致料漿自由水減少,從而降低了泌水率[17]。

圖2 不同質(zhì)量濃度下泌水率隨水泥摻量的變化特征Fig.2 Characteristics of bleeding rate with cement content under different mass concentrations

2.2 廢石+尾砂料漿泌水參數(shù)變化特征

2.2.1 料漿質(zhì)量濃度對(duì)泌水率的影響

廢石尾砂充填料漿泌水率隨質(zhì)量濃度的變化特征如圖3所示。由圖3可知:在不同的砂灰比及粗骨料摻量下,質(zhì)量濃度與泌水率間呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,即料漿的泌水率隨著質(zhì)量濃度的增加表現(xiàn)出不斷減小趨勢(shì),說明質(zhì)量濃度的增大會(huì)對(duì)泌水率參數(shù)產(chǎn)生不利的影響。在砂灰比為4和5的情況下,當(dāng)粗骨料摻量為40%時(shí),料漿質(zhì)量濃度由76%增加至79%,泌水率降低了60.9%、46.4%;當(dāng)粗骨料摻量為50%時(shí),料漿質(zhì)量濃度由76%增加至79%,泌水率降低了67.7%、55.2%;當(dāng)廢石摻量為60%時(shí),料漿質(zhì)量濃度由76%增加至79%,泌水率降低了62.4%、55.7%;當(dāng)粗骨料摻量為70%時(shí),料漿質(zhì)量濃度由76%增加至79%,泌水率降低了42.3%、35.4%。因此,隨著粗骨料摻量的增加,泌水率的降幅表現(xiàn)出不斷減小趨勢(shì),說明粗骨料摻量的增加能夠降低質(zhì)量濃度增加對(duì)泌水率帶來的不利影響。在廢石摻量為70%的條件下,料漿的泌水率降幅最小,說明隨著濃度增加,此時(shí)漿體的泌水率不會(huì)隨著濃度的增加而大幅度降低,充填料漿仍然處于過飽和狀態(tài),具有較好的流動(dòng)性[18]。

圖3 廢石尾砂充填料漿泌水率隨質(zhì)量濃度的變化特征Fig.3 Variation characteristics of bleeding rate of waste rock tailing filling slurry with mass concentrations

2.2.2 砂灰比對(duì)料漿泌水率的影響

粗骨料摻量為40%～70%時(shí),不同砂灰比下料漿泌水率的變化特征如圖4所示。由圖4可知:當(dāng)粗骨料摻量和質(zhì)量濃度均固定不變時(shí),砂灰比為5的料漿泌水率遠(yuǎn)高于砂灰比為4的料漿泌水率,說明砂灰比的增大提高了料漿的泌水率。料漿泌水率隨著砂灰比的增大而增大,其原因在于砂灰比越大,意味著水泥含量也逐漸降低,參與水化反應(yīng)的自由水含量也逐漸降低,因此在靜置過程中會(huì)有更多的自由水泌出,從而導(dǎo)致料漿泌水率隨著砂灰比的增加而增大。

圖4 不同粗骨料摻量下充填料漿泌水率隨砂灰比的變化特征Fig.4 Variation characteristics of bleeding rate of filling slurry with sand-cement ratio under different coarse aggregate content

2.2.3 粗骨料摻量對(duì)料漿泌水率的影響

廢石尾砂料漿泌水率隨粗骨料摻量的變化特征如圖5所示。由圖5可知:廢石尾砂料漿的泌水率與粗骨料摻量具有明顯的正相關(guān)關(guān)系,即料漿的泌水率隨著粗骨料摻量的增加呈不斷增大趨勢(shì),說明粗骨料摻量的增加能夠增大料漿的泌水性。在砂灰比在4和5情況下,當(dāng)質(zhì)量濃度為76%時(shí),粗骨料摻量由40%增加至70%,料漿的泌水率分別增大了72.6%、67.9%;當(dāng)質(zhì)量濃度為77%時(shí),粗骨料摻量由40%增加至70%,料漿的泌水率分別增大了74.2%、68.6%;當(dāng)質(zhì)量濃度為78%時(shí),粗骨料摻量由40%增加至70%,料漿的泌水率分別增大了71.1%、64.1%;當(dāng)質(zhì)量濃度為79%時(shí),粗骨料摻量由40%增加至70%,料漿的泌水率分別增大了81.2%、72.2%?？梢?摻入廢石后,料漿的泌水率雖然呈上升趨勢(shì),但在不同質(zhì)量濃度下,漿體泌水率的增幅具有較大差別,濃度越高,泌水率的增幅也越大。因此,若在采用全尾砂混合骨料充填時(shí),在強(qiáng)度滿足要求的前提下,可增加廢石摻量,不僅能有效改善充填體強(qiáng)度,也能改善漿體的流動(dòng)性。

圖5 廢石尾砂料漿泌水率隨粗骨料摻量的變化特征Fig.5 Variation characteristics of bleeding rate of waste rock tailing slurry with coarse aggregate content

2.3 泌水率變化對(duì)料漿流動(dòng)性能的影響

當(dāng)砂灰比為4、充填料漿質(zhì)量濃度為76%時(shí),隨著粗骨料摻量由40%增加至70%,料漿的泌水率分別為2.81%、4.21%、7.95%及10.25%,對(duì)應(yīng)的坍落度分別為 16.0、24.9、27.0、28.1 cm(圖 6(a));當(dāng)砂灰比為5、質(zhì)量濃度為76%時(shí),隨著粗骨料摻量由40%增加至 70%,料漿的泌水率分別為 3.66%、5.16%、9.11%及 11.41%,對(duì)應(yīng)的坍落度分別為19.4、25.0、27.0、28.5 cm(圖6(b))。 而當(dāng)料漿坍落度高于25 cm時(shí),漿體具有較好的輸送性能[17]。綜合分析坍落度與料漿泌水率的關(guān)系可知,當(dāng)濃度為76%時(shí),砂灰比4、5對(duì)應(yīng)的充填料漿合理的泌水率參數(shù)范圍分別為4.21%～10.25%及5.16～11.41%。因此,通過分析料漿泌水率與坍落度之間的關(guān)系,并根據(jù)泌水率參數(shù)的變化可大致判斷料漿的輸送性能。

圖6 不同砂灰比下不同料漿泌水率與坍落度間的關(guān)系Fig.6 Relationship between bleeding rate and slump of different slurry under different sand-cement ratio

3 結(jié) 論

(1)采用全尾砂作為骨料進(jìn)行泌水率試驗(yàn)時(shí),充填料漿泌水率與濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,隨著料漿濃度不斷增大,料漿的泌水率呈不斷下降趨勢(shì)。此外,泌水率的降幅隨著水泥摻量的增加逐漸降低,說明水泥含量的增加能夠降低質(zhì)量濃度對(duì)泌水率的不利影響。

(2)采用尾砂作為骨料、且泌水率相近時(shí),料漿質(zhì)量濃度明顯低于廢石尾砂料漿的質(zhì)量濃度,說明摻入廢石后能夠有助于礦山實(shí)現(xiàn)高濃度料漿充填,可大幅度提高充填料漿濃度。

(3)當(dāng)采用廢石、尾砂作為骨料進(jìn)行泌水率試驗(yàn)時(shí),料漿的泌水率隨著質(zhì)量濃度的增加不斷減小,但隨著粗骨料摻量的增加,泌水率降幅呈不斷減小趨勢(shì),說明粗骨料摻量的增加能夠降低質(zhì)量濃度增加對(duì)泌水率的不利影響。料漿泌水率隨著水泥含量的增加不斷降低,并且濃度越高時(shí),增加水泥摻量會(huì)增大其對(duì)泌水率的不利影響。

(4)料漿泌水率與坍落度之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系,即料漿的坍落度隨著泌水率的增加表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。通過分析料漿泌水率與坍落度之間的關(guān)系,并根據(jù)泌水率參數(shù)的變化可定性判斷料漿的輸送性能。