徐淼斐，金愛兵，郭利杰，劉光生，許文滸

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083；2.北京礦冶研究總院，北京 100160；3.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

全尾砂膠結充填體試樣強度的尺寸效應試驗研究

徐淼斐1，2，金愛兵1，郭利杰2，劉光生2，許文滸3

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083；2.北京礦冶研究總院，北京 100160；3.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

摘要：通過不同尺度的全尾砂膠結充填體配比試驗，研究相同質量濃度、砂灰比條件下實驗室充填體試樣強度與試樣形狀和尺寸的關系。結果表明：相同濃度與砂灰比的條件下，70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體試樣的強度最大，76.2mm×152.4mm圓柱體試樣強度次之，50.8mm×101.6mm圓柱體試樣強度最小。采用線性擬合方法建立了立方體試樣與?50.8mm圓柱體試樣，?76.2mm圓柱體試樣與?50.8mm圓柱體試樣之間的強度尺寸效應換算函數，對于探討膠結充填體尺寸對強度的影響，統一充填配比試驗標準，提高充填試驗的準確性具有重要借鑒意義。

關鍵詞：膠結充填；充填體強度；尺寸效應；超聲波波速

尺寸效應是指材料的性能參數在現實情況下不再是一個常數，而是隨著材料的幾何尺寸的變化而變化[1]。目前尺寸效應研究在混凝土和巖石等材料方面已經較為深入，并取得了較為豐富的研究成果。蘇捷[2]對混凝土標準立方體、柱體單軸抗壓進行了尺寸效應試驗和棱柱體彎折強度尺寸效應試驗。錢覺時等[3]研究了不同實驗條件下混凝土試樣強度尺寸效應問題，并提出采用數值方法輔助解決混凝土力學行為尺寸效應問題的觀點。楊圣奇等[4]在對不同高度的等直徑大理巖石進行尺寸效應研究后認為端部效應是引起巖石材料強度的尺寸效應的關鍵因素。Willam.J等[5]在研究實驗室條件下巖石和膠結脆性材料的試樣尺寸對強度和其他性能的影響時認為，MFSL(the multi-fractal scaling law)在模擬和預測強度-尺寸關系時具有較好的擬合效果，同時對于巖石和膠結脆性材料，強度隨試樣直徑增大將逐漸達到一個最小值。

當前針對充填體強度的影響因素研究多集中于膠結劑性質及含量(料漿配比)、料漿濃度、養(yǎng)護條件及養(yǎng)護期等[6-9]，在充填體尺寸效應方面的研究較少。郭利杰[10]針對廢石尾砂膠結充填體試樣強度的尺寸效應進行了初步研究，并給出一定適用范圍內的充填體尺寸效應換算系數。Bayram Ercikdi等[11]在分析尺寸分別為5cm×10cm和10cm×20cm的膠結充填體試樣的強度性能和超聲波波速時發(fā)現膠結充填體強度存在十分明顯的尺寸效應。Hassani等[12]在研究尾砂與砂混合膠結充填體試樣尺寸對強度的影響時發(fā)現當圓柱體直徑在15.2cm以內時試樣強度隨尺寸增大而增大，隨后隨尺寸增大而減小?？梢姵涮铙w尺寸效應機理較為復雜，并不能簡單地采用傳統的尺寸效應理論進行分析。目前國內礦山膠結充填體配比試驗多參考混凝土試樣制備標準采用邊長為70.7mm的立方體試樣[13-16]，而國外的相關研究則以高徑比為2，直徑為72～152mm圓柱體試樣為主[17-19]，探討這種差異性既有助于辨識國內外采礦學界對充填體作用機理不同的理解，也有助于探究不同形狀尺寸試樣的充填體強度特性的差別。

通過借鑒混凝土和巖石力學的尺寸效應研究方法，本文采用70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體、?76.2mm×152.4mm圓柱體和?50.8mm×101.6mm圓柱體3種試樣尺寸，對不同濃度、砂灰比條件下養(yǎng)護28d的充填體試樣進行單軸抗壓試驗和超聲波波速測驗，探討了對試樣尺寸和形狀對充填體試樣單軸抗壓強度的影響，初步建立了充填配比實驗的統一標準和不同尺寸的試樣強度之間的換算關系，可為后續(xù)充填體尺寸效應的深入研究提供參考。

1試驗方案及結果討論

1.1試驗材料

試驗材料：水泥、全尾砂和水。尾砂采用某銅礦的全尾砂，其物理力學參數和顆粒級配分別見表1和表2。水泥采用32.5級復合硅酸鹽水泥。

表1　全尾砂物理力學參數

表2　全尾砂粒級組成

1.2試驗設計

考慮到當前國內外充填配比實驗的現狀，本文采用70.7mm×70.7mm×70.7mm、?50.8mm×101.6mm和?76.2mm×152.4mm 3種尺寸進行充填體制備與強度試驗。

充填體的配比參數主要包括料漿的砂灰比(即灰砂比的倒數)與質量濃度。其砂灰比分別為：4、6、8、10，質量濃度分別為：65%、68%、70%和72%。每組相同參數的試樣個數為3個，以3個試樣強度的平均值作為最終強度值，試驗共需澆筑試樣為144個。

試樣制備：① “四分法”取樣。在從砂堆中取樣時，將砂堆攪拌均勻后均分成四部分，再依順序取樣；②攪拌。先人工干式攪拌，后使用攪拌機進行濕式攪拌，攪拌采用JJ-15型行星式水泥攪拌機，攪拌時間為7 min；③澆筑及脫模。澆筑采用人工邊攪拌邊澆筑的方式，依照一定順序對同一組3個試樣進行澆筑。澆筑完成后，料漿靜置48h后脫模。

試塊養(yǎng)護：養(yǎng)護條件為：濕度≥90%，溫度為20±1℃，養(yǎng)護時間為28天。

強度測試：采用YAW-600微機控制電液伺服壓力試驗機進行單軸抗壓試驗。

1.3試驗結果

對3種充填體進行了單軸抗壓強度試驗后，結果見圖1。當濃度一定時，3種不同形狀和尺寸的充填體試樣的強度值均隨砂灰比的增大而減小。保持濃度與砂灰比不變時，立方體的強度值最大，底面直徑為76.2mm的圓柱體強度值次之，底面直徑為50.8mm的圓柱體強度值最小，隨著濃度不斷增大，這種強度差異性更加明顯。

1.4結果討論

1.4.1立方體與圓柱體之間的強度尺寸效應

目前，對巖土材料強度尺寸效應機理的分析主要有2類：一是源于材料內部的微觀非均質性，二是試樣受壓時的端部約束，材料強度的尺寸效應通常是這兩種影響因素的綜合作用。由于水泥水化反應的固結充填作用與顆粒沉降的重力壓密作用，充填體僅存在部分因人工攪拌殘留的孔隙。通常情況下，孔隙率越小則密實程度越好，材料的強度也越高，反之則越低，而超聲波在固體內部的傳播速度與其密實性存在正相關關系[22]。本文采用超聲回彈綜合測強法測定了立方體與?50.8mm圓柱體超聲波波速，結果見圖2。

由圖2可知，在其它條件一定時，立方體試樣的超聲波波速均小于?50.8mm圓柱體，即立方體試樣的密實性低于?50.8mm圓柱體，說明在不考慮立方體形狀的應力集中對強度的影響時，材料內部的微觀非均質性并不是造成兩者強度差異的主要原因。

圖1　不同試樣尺寸的充填體強度對比圖

圖2　立方體與小圓柱體超聲波波速對比圖

在立方體試樣單軸受壓過程中，試樣應處于一維應力狀態(tài)，但試樣與剛性墊塊之間的摩擦效應使試樣兩端形成三維應力區(qū)，約束了試樣受壓產生的泊松比效應，受壓產生的裂紋沿試樣側面向中部迅速擴展而不沿軸向貫穿試樣，在側面形成整體鱗片狀剝落，內部主體則保持一定的完整性，在一定程度上提高了試樣承壓能力[4，20]。

由于圓柱體高徑比為2，試樣中部應力區(qū)接近為一維應力分布，端部效應可忽略不計[4，21]，因此在其受壓時出現典型的沿試樣軸向的“Y”型或直線型貫穿劈裂破壞。

1.4.2圓柱體之間的強度尺寸效應

兩種圓柱體試樣的超聲波波速測試結果見圖3。由于?76.2mm圓柱體尺寸更大，在固結過程中其內部顆粒受到上部顆粒的重力壓密作用更加明顯，強度也大于?50.8mm圓柱體。

由圖3可知，當濃度為65%時，不同尺寸圓柱體的波速值較為接近，且?76.2mm圓柱體的波速略低于?50.8mm圓柱體，說明當料漿濃度較低時，料漿的重力壓密作用不明顯，也造成兩者之間的強度值較為接近(圖1(a)、圖1(b))。隨著料漿濃度的增大，?76.2mm圓柱體的波速值逐漸大于?50.8mm圓柱體。當濃度達到72%時，?76.2mm圓柱體的波速值已遠大于?50.8mm圓柱體，這是因為濃度增大使得料漿重力壓密作用更加明顯，使?76.2mm的圓柱體的密實程度比?50.8mm圓柱體更好，強度值也更高。

2不同尺寸之間的充填體強度關系模型

水泥含量是影響膠結充填體強度的關鍵性因素，料漿濃度是次影響因素[23-24]。依據上述對試樣形狀和尺寸對強度影響機理的分析，并考慮?50.8mm×101.6mm圓柱體在消除端部效應和減少原料使用量方面具有的優(yōu)勢，本文以該尺寸的試樣強度為基準，采用線性擬合方法建立同一濃度不同砂灰質量比條件下，其余兩種試樣強度與?50.8mm圓柱體強度的函數換算關系(圖4和圖5)和不同尺寸之間的充填體強度換算函數(表3和表4)。

表3　強度換算函數關系及擬合分析表

表4　強度換算函數關系及擬合分析表

從圖4和表3的結果可知，當質量濃度一定時，不同砂灰質量比的?50.8mm圓柱體與立方體試樣的強度呈線性關系，且線性擬合較好。

由圖5和表4可知，在一定濃度不同砂灰比的條件下，不同圓柱體之間的強度換算也呈線性關系且擬合度較好。需要注意的是，本文主要探討的是小尺度條件下尺寸對充填體試樣的強度影響，對于大尺寸充填體的強度尺寸效應問題則有待進一步研究。

圖3　圓柱體之間的超聲波波速對比圖

圖4　立方體與圓柱體強度換算函數線性擬合圖

圖5　強度換算函數關系及擬合分析表(76.2mm圓柱體與50.8mm圓柱體)

3結論

1)在相同質量濃度和砂灰比條件下，立方體試樣的充填體強度最大，高徑比為2，?76.2mm的圓柱體試樣強度次之，?50.8mm的圓柱體試樣強度最小。

2)對于立方體試樣，端部效應明顯，使其強度大于圓柱體試樣。對于高徑比為2的圓柱體試樣，?76.2mm的圓柱體強度較大，這是由較大尺寸的試樣在澆筑過程中，料漿顆粒沉降時受到的重力壓密作用更大，從而使密實程度大于較小尺寸充填體造成的。3)一定質量濃度不同砂灰比條件下，不同形狀和尺寸的充填體試樣強度存在高度線性的換算關系，建立了立方體試樣與圓柱體試樣的強度以及不同尺寸圓柱體試樣之間的強度換算函數。

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Sample size effect on strength of full tailings cemented backfill

XU Miao-fei1，2，JIN Ai-bing1，GUO Li-jie2，LIU Guang-sheng2，XU Wen-hu3

(1.School of Civil & Environmental Engineering，University of Science & Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100160，China；3.School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)

Abstract:This paper presents size effect in the strength of cemented backfill in laboratory testing.The result of test showed that：when concentration and tailings cement mass ratio remained in consensus，the cubes were observed to produce consistently higher strengths than the cylinders，while the 50.8mm×101.6mm cylinders samples possessed less strengths than the 76.2mm×152.4mm samples.Using the method of linear approximation，two size effect conversion functions of the strengths between the cubes and the 50.8mm×101.6mm cylinders，and also between the cylinders were established，which can be a new trigger point of researching size effect in strength of cement backfill and a benefit of the testing standards unification.

Key words：cemented backfill；filling strength；size effect；ultrasonic wave velocity

收稿日期：2015-06-07

中圖分類號：TD853

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)05-0087-06