李文臣，郭利杰，許文遠(yuǎn)

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；2.國(guó)家金屬礦綠色開采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

充填采礦法在地下金屬礦山得到了非常廣泛的應(yīng)用，尾砂膠結(jié)充填是以尾砂作為充填骨料，以水泥等膠凝材料作為膠結(jié)劑，用水拌和制成充填料漿填充采空區(qū)的工藝技術(shù)[1-3]。根據(jù)充填體位置和作用的不同，其需要的強(qiáng)度也不相同。一般而言，綜合考慮經(jīng)濟(jì)型和安全性，需要對(duì)充填體進(jìn)行合理的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制[4-6]。單軸抗壓強(qiáng)度是充填體質(zhì)量評(píng)價(jià)最常用的指標(biāo)之一。傳統(tǒng)的充填體原位強(qiáng)度測(cè)試需要通過在充填體上取芯來獲得試樣，取芯和試件加工過程勞動(dòng)量大且容易造成試件破損。探索研究更便捷的充填體原位強(qiáng)度監(jiān)測(cè)手段，有利于促進(jìn)找到更加便捷的充填體質(zhì)量控制技術(shù)。

自干燥效應(yīng)是指砂漿初凝以后，其內(nèi)部的活性礦物發(fā)生水化反應(yīng)，不斷消耗漿體內(nèi)部水分，從而導(dǎo)致其內(nèi)部相對(duì)濕度下降的現(xiàn)象[7-10]。隨著飽和度逐漸降低，硬化后的材料呈現(xiàn)出非飽和性。在《農(nóng)業(yè)大詞典》中基質(zhì)吸力的定義為：土壤基質(zhì)對(duì)水分的吸持力，即負(fù)的基質(zhì)勢(shì)?；|(zhì)勢(shì)的量綱以J/cm3表示時(shí)，可轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)單位。因?yàn)榛|(zhì)勢(shì)恒為負(fù)值，所以其壓強(qiáng)亦為負(fù)值。在定義負(fù)壓為吸力時(shí)，可消除負(fù)號(hào)，使用起來比較方便。從微觀角度看，非飽和土壤顆粒之間的孔隙中的水和孔隙存在氣-液分界面，這個(gè)氣-液分界面可以被稱為收縮膜。在水的表面張力作用下，收縮膜會(huì)產(chǎn)生一個(gè)指向水體內(nèi)部的力，即基質(zhì)吸力。對(duì)于密閉的膠結(jié)充填體而言，其強(qiáng)度和基質(zhì)吸力的發(fā)展，均是由膠凝材料水化導(dǎo)致的。為此，本文提出了基于基質(zhì)吸力對(duì)尾砂膠結(jié)充填體試樣的早期強(qiáng)度進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)的探索研究。

相關(guān)研究表明，礦渣、硅灰、粉煤灰等活性礦物摻和料和硫酸鹽等因素都可以對(duì)水泥基材料的自干燥過程產(chǎn)生影響[11-12]。本研究使用不同膠凝材料和不同硫酸鹽濃度的尾砂膠結(jié)充填體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過測(cè)試其基質(zhì)吸力與膠結(jié)充填試樣強(qiáng)度的關(guān)系，探討基于基質(zhì)吸力監(jiān)測(cè)尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度的可能性。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 膠凝材料

采用普通硅酸鹽水泥(水泥)和水淬高爐礦渣微粉(礦渣)1∶1比例混合作為膠凝材料進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。普硅水泥和礦渣的化學(xué)成分及各自相對(duì)密度等數(shù)據(jù)見表1。

1.1.2 骨料

本研究使用人造尾砂(二氧化硅)作為骨料，以此來消除不同礦山尾砂中不同礦物成分造成的干擾，人造尾砂中二氧化硅的含量是99.8%，其粒度分布如圖1所示。

表1 膠結(jié)材料的主要化學(xué)成分

圖1 尾砂粒度分布曲線

1.1.3 拌和水

本研究采用蒸餾水作為拌和水。以七水合硫酸亞鐵配制不同濃度的硫酸鹽溶液。

1.2 樣品制備與養(yǎng)護(hù)

按照水灰比7.6，水泥占固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的4.5%制備尾砂膠結(jié)充填料漿，根據(jù)膠凝材料和硫酸鹽濃度的不同共制作6組試樣，試樣編號(hào)和成分見表2。將充填體料漿在攪拌機(jī)混合均勻，然后裝入直徑為5 cm、高度為10 cm和高度為20 cm、直徑為10 cm兩種規(guī)格的圓柱形試模，其中直徑為10 cm的試模中心插入MPS-6傳感器，然后均用塑料蓋和防水膠帶將試模密封，防止試模內(nèi)水分的蒸發(fā)，將所有試樣置于20℃環(huán)境恒溫養(yǎng)護(hù)。

表2 尾砂膠結(jié)充填試樣編號(hào)和成分

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 力學(xué)測(cè)試

根據(jù)ASTM C 39，分別在1 d、3 d、7 d和28 d對(duì)直徑為5 cm、高度為10 cm的試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，壓力機(jī)加載速率為1 mm/min。

1.3.2 基質(zhì)吸力原位監(jiān)測(cè)

將MPS-6傳感器導(dǎo)線穿過試模的封蓋，連接到Em50數(shù)據(jù)采集器上，封蓋上的小孔用膠密封，設(shè)置Em50數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔，實(shí)時(shí)自動(dòng)采集尾砂膠結(jié)充填體早期基質(zhì)吸力的發(fā)展。

1.3.3 含水率和孔隙率測(cè)試

依據(jù)《巖石含水率測(cè)定方法》(MT 43—1987)和《巖石孔隙率測(cè)定方法》(MT 41—1987)。

2 結(jié)果與分析

2.1 充填體試樣早期強(qiáng)度發(fā)展

圖2展示了6組尾砂膠結(jié)充填試樣1 d、3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度結(jié)果。從圖2中可知：6組試樣的單軸抗壓強(qiáng)均隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增高，并且不同膠凝材料和硫酸鹽濃度導(dǎo)致各組試樣的強(qiáng)度發(fā)展具有顯著的差別。對(duì)比CPB-0、CPB-0.5和CPB-2.5的強(qiáng)度發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，硫酸亞鐵對(duì)以普通硅酸鹽水泥作膠結(jié)劑的尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度有顯著的破壞作用；而對(duì)比SCPB-0、SCPB-0.5和SCPB-2.5的強(qiáng)度發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，濃度為0.5%硫酸亞鐵對(duì)于水泥和礦渣混合而成的膠凝材料有顯著的激發(fā)作用。

2.2 充填體試樣基質(zhì)吸力發(fā)展

圖2 尾砂膠結(jié)充填體試樣早期強(qiáng)度

圖3 尾砂膠結(jié)充填體試樣早期基質(zhì)吸力

圖4 尾砂膠結(jié)充填體試樣早期含水率

圖3展示了6組尾砂膠結(jié)充填試樣早期基質(zhì)吸力的發(fā)展過程。從圖4中可知：6組試樣的基質(zhì)吸力均隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增高，而且不同膠凝材料和硫酸鹽濃度導(dǎo)致各組試樣的基質(zhì)吸力的發(fā)展過程具有顯著的差別。硫酸鹽濃度為0的試樣成型24 h后基質(zhì)吸力快速增長(zhǎng)，在28 d時(shí)達(dá)到147 kPa并趨于穩(wěn)定，而硫酸鹽濃度為0.5%和2.5%的試樣，分別在試樣澆筑3 d和5 d后基質(zhì)吸力才有較為顯著的增長(zhǎng)，28 d時(shí)分別達(dá)到77 kPa和53 kPa并趨于穩(wěn)定。而對(duì)比SCTB-0、SCTB-0.5和SCTB-2.5三組試樣基質(zhì)吸力的發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，濃度為0.5%硫酸亞鐵對(duì)于水泥和礦渣混合而成的膠凝材料的激發(fā)作用在基質(zhì)吸力的發(fā)展上也有相應(yīng)的表現(xiàn)，即圖2中SCTB-0.5在5 d前后充填體強(qiáng)度陡增，而圖3中SCTB-0.5基質(zhì)吸力也是在第5 d前后出現(xiàn)陡增。

2.3 尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度和基質(zhì)吸力關(guān)聯(lián)性分析

對(duì)比圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，6組試樣的強(qiáng)度和基質(zhì)吸力發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)出較為顯著的相似性。這是由于尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度的發(fā)展和基質(zhì)吸力的發(fā)展都是其內(nèi)部膠凝材料水化過程的結(jié)果。水泥遇水后即開始進(jìn)行水化反應(yīng)，C3S、C2S、C3A、C4AF等礦物與水反應(yīng)生成C-S-H凝膠、鈣礬石和Ca(OH)2等礦物，而礦渣中的活性SiO2、Al2O3與Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)，以上反應(yīng)都會(huì)消耗一定量的水，使體系內(nèi)的自由水含量降低。圖4展示了6組試樣在1 d、3 d、7 d和28 d試樣含水率的變化過程，從圖4中可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，6組試樣的含水率總體上均不斷降低。當(dāng)充填料漿硬化以后，以上水化反應(yīng)生成的產(chǎn)物就將使充填體更加密實(shí)，導(dǎo)致其孔隙率的下降。圖5展示了6組試樣孔隙率在早期的變化過程，從圖5中可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，6組試樣的孔隙率總體上均不斷降低。根據(jù)基質(zhì)吸力的定義可知，材料含水率的而降低和孔徑的減小將導(dǎo)致基質(zhì)吸力的增大[7-8]。

由此可見，尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度的形成是膠凝材料水化反應(yīng)的結(jié)果，而基質(zhì)吸力的發(fā)展也是膠凝材料水化反應(yīng)的結(jié)果。除此之外，基質(zhì)吸力的升高會(huì)引起充填體黏聚力的升高，即導(dǎo)致試樣強(qiáng)度的升高[7]。由此可見，尾砂膠結(jié)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度與基質(zhì)吸力之間可能存在一定的關(guān)聯(lián)規(guī)律。

圖5 尾砂膠結(jié)充填體試樣早期孔隙率

2.4 早期強(qiáng)度與基質(zhì)吸力相關(guān)性規(guī)律

分別將6組試樣的早期強(qiáng)度與其基質(zhì)吸力值進(jìn)行分析，以基質(zhì)吸力為橫坐標(biāo)、以單軸抗壓強(qiáng)度為縱坐標(biāo)作圖，分析二者的相關(guān)性規(guī)律，結(jié)果如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，除CTB-0外，其他5組試樣的早期強(qiáng)度和基質(zhì)吸力之間均表現(xiàn)出顯著的線性相關(guān)規(guī)律，即可表示為下式。

Rc=ASu+B

式中：Rc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；Su為試件齡期，d；A、B為試驗(yàn)常數(shù)。

對(duì)圖6中結(jié)果進(jìn)行擬合可以得到各自的回歸方程和相關(guān)系數(shù)，見表3。值得注意的是，尾砂膠結(jié)充填體早期強(qiáng)度和基質(zhì)吸力線性相關(guān)方程會(huì)因膠凝材料成分、硫酸鹽濃度等因素的變化而變化。

圖6 強(qiáng)度與基質(zhì)吸力的相關(guān)規(guī)律

2.5 充填體試樣早期強(qiáng)度原位監(jiān)測(cè)探討

由于尾砂膠結(jié)充填體的早期強(qiáng)度與基質(zhì)吸力之間存在較為顯著相關(guān)關(guān)系，由此可以推測(cè)，通過尾砂膠結(jié)充填體早期基質(zhì)吸力的發(fā)展來推算其早期強(qiáng)度可能具有一定的可行性。即在尾砂膠結(jié)充填施工時(shí)，可以預(yù)先在充填體中埋設(shè)基質(zhì)吸力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充填體基質(zhì)吸力的發(fā)展。再根據(jù)該種充填材料早期強(qiáng)度與基質(zhì)吸力的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)基質(zhì)吸力值計(jì)算得到其早期強(qiáng)度。

本研究的試樣均在密閉的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，基于相同的實(shí)驗(yàn)材料，Ghirian等[13]進(jìn)行了非密閉的相似模擬實(shí)驗(yàn)，研究了尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度與基質(zhì)吸力關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中尾膠結(jié)充填體尺寸為高150 cm、直徑20 cm的圓柱體，模擬充填采場(chǎng)蒸發(fā)作用，柱體上部開放，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明：同一高度的尾砂膠結(jié)充填體基質(zhì)吸力與抗壓強(qiáng)度之間也存在較為顯著的線性相關(guān)性。Ghirian等[14]還使用了不同礦種的尾砂進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示，表明不同礦種的尾砂膠結(jié)充填試樣早期強(qiáng)度與基質(zhì)吸力之間也具有顯著的線性相關(guān)系。

表3 單軸抗壓強(qiáng)度與基質(zhì)吸力相關(guān)關(guān)系

圖7 充填體不同高度基質(zhì)吸力與強(qiáng)度的發(fā)展[13]

圖8 不同尾砂充填體基質(zhì)吸力與強(qiáng)度的發(fā)展[14]

當(dāng)然，實(shí)際充填采場(chǎng)中影響尾砂膠結(jié)充填體硬化過程的因素非常多，除了膠凝材料成分、充填用水成分、料漿濃度等，還受通風(fēng)、地下水等因素的影響，這些因素都將使得尾砂膠結(jié)充填體早期強(qiáng)度與基質(zhì)吸力的關(guān)聯(lián)規(guī)律更加復(fù)雜，因此還需要更深入的研究。

3 結(jié) 論

1) 密封養(yǎng)護(hù)條件下，不同膠凝材料、不同硫酸鹽濃度的膠結(jié)充填體早期強(qiáng)度的發(fā)展和其早期基質(zhì)吸力的發(fā)展具有相似的發(fā)展趨勢(shì)，二者的發(fā)展變化都是膠凝材料水化反應(yīng)的結(jié)果，都伴隨著充填體含水率和孔隙率的降低。

2) 密封養(yǎng)護(hù)條件下，尾砂膠結(jié)充填體的早期單軸抗壓強(qiáng)度與其基質(zhì)吸力存在顯著的線性相關(guān)規(guī)律，即二者關(guān)系可以用Rc=ASu+B表示。

3) 基于基質(zhì)吸力對(duì)尾砂膠結(jié)充填體試樣早期強(qiáng)度進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)具有可行性。實(shí)際充填采場(chǎng)中影響尾砂膠結(jié)充填體硬化過程的因素非常多，這些因素都將使得尾砂膠結(jié)充填體早期強(qiáng)度與基質(zhì)吸力的關(guān)聯(lián)規(guī)律更加復(fù)雜，因此要實(shí)現(xiàn)尾砂膠結(jié)充填體早期強(qiáng)度原位監(jiān)測(cè)，還需要更多的研究。