南秋彩

（1.黃河交通學(xué)院 交通工程學(xué)院，河南 焦作454950；2.武漢大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430000）

在礦山采礦工程中，充填采礦法已取得了廣泛應(yīng)用[1-2]。充填體材料的物理和力學(xué)性能對(duì)礦山采礦工程的安全性有直接影響[3]。充填體漿料一般由水、骨料、膠凝材料和外摻料按一定比例配制拌和，在一定養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)固結(jié)硬化形成具有一定強(qiáng)度的充填體[4]。外摻料的加入可以通過各物料之間的物理化學(xué)反應(yīng)提高充填體材料在充填采礦工程中的適用性，經(jīng)過改性的材料不僅對(duì)于采礦的安全性有實(shí)際應(yīng)用意義，對(duì)于新型生態(tài)環(huán)保材料的研發(fā)也有一定貢獻(xiàn)，是實(shí)現(xiàn)礦山的無廢開采和減小安全隱患的理想途徑[5-7]。李茂輝等[5]人為了提高充填采礦的經(jīng)濟(jì)效益和粉煤灰的資源利用率，采用粉煤灰作為膠凝材料進(jìn)行充填體水化機(jī)理的研究和強(qiáng)度試驗(yàn)；徐文彬[8]通過不同水泥和膠結(jié)劑配比的充填漿料的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，分析了不同全尾砂充填體膠凝成巖的微觀規(guī)律；Swift 等[9]采用粉煤灰和石灰材料組成聚合劑以改良巖石裂縫的充填體的力學(xué)性能；Nabassé[10]通過對(duì)一定配合比的充填體試樣的直剪試驗(yàn)，給出了膠結(jié)充填體和巖壁界面的剪切強(qiáng)度（摩擦強(qiáng)度）的試驗(yàn)結(jié)果。

總的來說，在漿料材料中配合外加劑和外摻料是有效提高充填體材料在采礦工程中的適用性的重要手段，但其改良效果與骨料性質(zhì)和外加劑的種類與摻合量均有重要聯(lián)系，需要根據(jù)具體材料情況開展研究[11]。正交試驗(yàn)是對(duì)多因素和多水平的試驗(yàn)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的1 種方法，其最突出的優(yōu)點(diǎn)就是可以大大減少試驗(yàn)組數(shù)[11-13]。為此以金川礦的全尾砂為充填骨料材料的主要來源，采用正交試驗(yàn)的方法，系統(tǒng)研究了脫硫石膏、消石灰、粉煤灰和水泥對(duì)材料性能進(jìn)行改良的最佳配合比，希望通過試驗(yàn)改善充填體材料在抗折強(qiáng)度、收縮性和耐水性能方面的不良物理力學(xué)性能從而更好為充填采礦工程提供性能優(yōu)良、綠色環(huán)保的材料。

1 材料及其試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)的原料為金川礦的全尾砂、水泥、粉煤灰、石灰、脫硫石膏和水，粉煤灰和石膏材料由金川礦當(dāng)?shù)氐陌l(fā)電廠提供，石灰為生石灰粉，所用水泥為標(biāo)號(hào)32.5#普通硅酸鹽水泥。金川尾礦砂屬于酸性尾礦，其質(zhì)量系數(shù)為 0.93，活性系數(shù)為 0.46，屬于二類品質(zhì)尾礦。尾礦砂XRD 衍射圖譜如圖1，對(duì)尾礦進(jìn)行XRD 衍射圖譜分析，可以看出尾礦砂的礦物組成主要為石英、方解石、透輝石和綠泥石，也含有少量的硫礦、絹云母和黃鐵礦等。尾礦砂的顆粒粒級(jí)分布情況見表1，可以看出尾礦砂的顆粒粒徑主要分布在 0.5～10.0 mm 范圍內(nèi)，占到總體成分的 80%以上，而低于 0.5 mm 和高于 10.0 mm 直徑的尾砂顆粒的含量均較少。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 充填體試樣

圖1 尾礦砂XRD 衍射圖譜Fig.1 XRD diffraction pattern of tailing sand

表1 尾礦顆粒粒徑分布Table 1 Physical properties of tailing sand

將尾砂骨料、粉煤灰、石灰、脫硫石膏和硅酸鹽水泥、水和少量減水劑按一定比例在常溫下充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笾瞥沙涮顫{料?？刂乒腆w和水的比為1∶0.2，使?jié){料在盡量不損失強(qiáng)度的條件下得到較好的流動(dòng)性，采用攪拌機(jī)充分拌合漿料后注入相應(yīng)的模具中，在相對(duì)濕度為90%和溫度為（20±2）℃的條件下養(yǎng)護(hù)28 d。

1.2.2 強(qiáng)度試驗(yàn)

強(qiáng)度試驗(yàn)所采用的儀器是液壓伺服式萬能試驗(yàn)機(jī)。強(qiáng)度試驗(yàn)所用樣品規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體，參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO）》國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[15]。在進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，先測(cè)定抗折強(qiáng)度，然后取折斷棱柱體的兩半分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。每組抗折強(qiáng)度試驗(yàn)使用3 個(gè)試件，結(jié)果以平均值為準(zhǔn)，當(dāng)某一試件強(qiáng)度與均值強(qiáng)度差值大于10%，將其剔除再取均值。同樣的，每組抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定6 個(gè)抗壓強(qiáng)度值，結(jié)果以6 個(gè)測(cè)定值的平均值為準(zhǔn)，若有1 個(gè)測(cè)定值與平均值相差大于10%，將此測(cè)定值剔除，取剩下的5 個(gè)值的平均值。當(dāng)5 個(gè)測(cè)定值中繼續(xù)存在與均值相差大于10%的數(shù)據(jù)時(shí)，此組結(jié)果作廢，重新進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.3 測(cè)定收縮率

養(yǎng)護(hù)成型后測(cè)量棱柱體試樣澆筑完成時(shí)的干燥收縮值，每組試驗(yàn)測(cè)定3 個(gè)試件的收縮率，結(jié)果以3個(gè)試件的平均值為準(zhǔn)，若有1 個(gè)測(cè)定值與平均值之差大于10%，將其剔除；若有2 個(gè)測(cè)定值超過20%，則該組試驗(yàn)無效，重新制模測(cè)定。收縮率εst應(yīng)按（1）式進(jìn)行計(jì)算。

式中：L0為初始長度；Lt試件成型后t 時(shí)間的長度；L 試件的標(biāo)準(zhǔn)長度；Ld為2 個(gè)收縮頭埋入砂漿中的長度之和；εst為養(yǎng)護(hù)t 時(shí)間的自然干燥收縮值；t為養(yǎng)護(hù)時(shí)間，取28 d。

1.2.4 耐水試驗(yàn)

在測(cè)試材料抗沖刷性能的試驗(yàn)中采用70.7 mm×70.7 mm× 70.7 mm 的立方體試件，每組試驗(yàn)準(zhǔn)備3 個(gè)試樣，養(yǎng)護(hù)28 d 后分別稱重。試驗(yàn)采用自制模擬降雨沖刷裝置，控制沖水水壓為 0.04 MPa，噴頭距離試件 50 cm，控制沖刷時(shí)間為 30 min，每次試驗(yàn)相當(dāng)于1 次特大暴雨的降水量。對(duì)2 個(gè)試件同時(shí)進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，待沖刷結(jié)束后對(duì)2 個(gè)試件稱量質(zhì)量。由于沖刷進(jìn)行過程中試樣會(huì)吸水增加含水量，因此必須對(duì)沖刷試驗(yàn)的質(zhì)量損失進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定方法是在1#、2#試樣沖刷進(jìn)行的同時(shí)，將3#試件浸泡于水中，試驗(yàn)結(jié)束后稱重。采用沖刷的質(zhì)量損失獲取生土材料的沖刷系數(shù)。

式中：αst為養(yǎng)護(hù)t 時(shí)間的沖刷系數(shù)，試驗(yàn)中t 取28 d，αst的值越大代表材料抗沖刷的能力越弱；ms為試樣的標(biāo)定質(zhì)量，g；ma為試件沖刷試驗(yàn)后的平均質(zhì)量，g。

2 充填體材料的最優(yōu)配合比

2.1 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)是根據(jù)試驗(yàn)中的條件、因素和水平制定正交試驗(yàn)表和試驗(yàn)計(jì)劃，從而進(jìn)行試驗(yàn)的方法，其優(yōu)勢(shì)是可以在較少的試驗(yàn)次數(shù)的情況下獲取最優(yōu)的試驗(yàn)結(jié)果。本試驗(yàn)根據(jù)材料的具體情況設(shè)計(jì)了4因素4 水平的正交試驗(yàn)以獲取，正交試驗(yàn)因素和水平見表2。

通過正交試驗(yàn)的四水平四因素的分析可以得到12 組試樣的配合比，正交試驗(yàn)結(jié)果見表3。

經(jīng)過分析由表3 可以看出：

1）各外摻料的含量對(duì)生土材料的抗折強(qiáng)度影響的大小排序?yàn)椋核啵久摿蚴啵痉勖夯遥臼摇?/p>

表2 正交試驗(yàn)的因素和水平Table 2 Factors and levels of the orthogonal experiment

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal experiment results

2）對(duì)抗壓強(qiáng)度影響的大小排序?yàn)椋好摿蚴啵舅啵痉勖夯遥臼摇?/p>

3）對(duì)收縮系數(shù)影響的大小排序?yàn)椋悍勖夯遥臼遥久摿蚴啵舅唷?/p>

4）對(duì)沖刷損失系數(shù)影響的大小排序?yàn)椋好摿蚴啵痉勖夯遥臼遥舅唷?/p>

2.2 最優(yōu)方案確定

在正交試驗(yàn)中的設(shè)計(jì)因素和水平與強(qiáng)度、收縮和抗沖刷的性能指標(biāo)有關(guān)，應(yīng)選擇最有利于重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)提高的水平。對(duì)于充填體材料，主要應(yīng)解決其抗折強(qiáng)度、收縮性能和抗沖刷性能不足的問題，從表3 的正交試驗(yàn)結(jié)果可知，抗折強(qiáng)度的最優(yōu)方案為A4B2C3D3，即水泥摻量20%、石灰摻量6%、粉煤灰摻量10%和脫硫石膏摻量10%；收縮強(qiáng)度的最優(yōu)方案為A0B4C4D4，即水泥摻量10%、石灰摻量8%、粉煤灰摻量15%和脫硫石膏摻量15%?？箾_刷性能的最優(yōu)方案為 A2B3C4D3，即水泥摻量15%、石灰摻量6%、粉煤灰摻量15%和脫硫石膏摻量10%。綜合考慮各因素，結(jié)合實(shí)際的改性作用，本試驗(yàn)最優(yōu)配比確定為：A4B2C3D3，即水泥摻量20%、石灰摻量4%、粉煤灰摻量10%和脫硫石膏摻量10%。

對(duì)最優(yōu)配合比下的澆筑成型的改性充填體材料分別進(jìn)行強(qiáng)度、收縮和抗沖刷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與改性前的各性能指標(biāo)同時(shí)繪制在直方圖內(nèi)進(jìn)行對(duì)比研究，改性前后性能指標(biāo)的直方圖如圖2?？梢钥闯?，經(jīng)過最優(yōu)配合比下的外摻料改性的材料在各項(xiàng)指標(biāo)均有明顯改良，其中抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別提高了1.8 和2.4 倍；收縮率和沖刷損失率分別減小了3.7 和 2.3 倍。說明經(jīng)過最優(yōu)配合比外摻量改良的生土材料，解決了傳統(tǒng)充填體材料在抗折，收縮和耐沖刷型性能方面的不足。

圖2 改性后性能指標(biāo)變化幅度的直方圖Fig.2 Histogram of index after the test

2.3 充填體材料的改性機(jī)理

2.3.1 物理改性和化學(xué)改性

進(jìn)行充填體材料改性的機(jī)理分為物理改性機(jī)理和化學(xué)改性機(jī)理，物理改性機(jī)理主要是指水泥和粉煤灰的細(xì)顆粒填充在全尾砂骨料中，改善了充填體的級(jí)配，使得充填體內(nèi)部孔隙大大減小，從而對(duì)充填體強(qiáng)度起到一定的提升作用。本試驗(yàn)采用的骨料為全尾砂，尾礦砂的顆粒粒徑主要分布在0.5～10.0 mm 范圍內(nèi)，由于礦砂粒徑較大，使得顆粒之間的孔隙也相對(duì)較大。而普通粉煤灰的顆粒較細(xì)小，其粒徑一般在 0.1～0.5 mm 左右,普通水泥顆粒的粒徑一般小于1 mm。粉煤灰和水泥的細(xì)小顆粒進(jìn)入骨料裂隙和粗顆粒間隙后，使得顆粒之間的黏聚力提升，顆粒間的摩擦力增大，骨料之間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度提高，導(dǎo)致充填體試樣的強(qiáng)度變大。但隨著水泥和粉煤灰比例增加，尾砂的含量相對(duì)減少，這樣會(huì)導(dǎo)致充填體不夠密實(shí)，對(duì)提高強(qiáng)度起到反作用。

化學(xué)改性主要是指尾砂中摻入石灰、粉煤灰和脫硫石膏后，在澆筑攪拌過程中發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，在材料內(nèi)部對(duì)強(qiáng)度、收縮和抗沖刷性能進(jìn)行了改良。且粉煤灰與水泥等物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在充填體中形成了大量凝膠體，起到了骨架的作用，從而減少制品的收縮[15]；選擇石灰作為堿性激發(fā)劑，使得粉煤灰和水泥與水充分混合后獲得足夠的早期強(qiáng)度，由于粉煤灰中的硫酸鹽和熟石灰發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，增強(qiáng)了生土骨架之間的黏聚力[16]；脫硫石膏是發(fā)電廠對(duì)排放的煙氣中所含的 SO2進(jìn)行濕法脫硫后產(chǎn)生的工業(yè)副產(chǎn)物，其主要成分是二水硫酸鈣晶體，它的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)和天然石膏很相似。石膏摻入材料后可以作為一種膠凝材料，與水反應(yīng)生成脫硫石膏的硬化體，從而提高生土材料的強(qiáng)度和抗沖刷性能[17]。

2.3.2 充填體材料的微觀結(jié)構(gòu)

為了深入分析充填材料的改性機(jī)理，分別對(duì)普通材料和最優(yōu)配合比改性的材料進(jìn)行了內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)。采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)試樣進(jìn)行掃描，得到的2 種樣本的微觀結(jié)構(gòu)如圖3，放大倍數(shù)為800 倍。圖3（a）的材料呈現(xiàn)的團(tuán)粒和多孔結(jié)構(gòu)是影響充填體材料強(qiáng)度、收縮、抗沖刷性能的重要原因。發(fā)育的團(tuán)粒和多孔結(jié)構(gòu)不利于充填體在支撐采空區(qū)周圍巖體，減輕圍巖變形的功能。經(jīng)過物理和化學(xué)改性的充填材料掃描電子顯微圖片如圖3（b），可以看出不規(guī)則的細(xì)顆粒緊密地交叉黏聚在一起，表面上附有絮凝狀的脫硫石膏晶體，形成了黏聚強(qiáng)度，使得材料整體性大大增加，從而增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度和抗沖刷性能。由于尾礦砂顆粒的尺寸較大，顆粒的堆積形成了大量孔隙。而顆粒尺寸較小的球狀粉煤灰和水泥結(jié)合體填充在孔隙中也增強(qiáng)了材料的密實(shí)度，這是材料收縮性能提高的根本原因。由此可見，孔隙結(jié)構(gòu)的改變是充填材料收縮性能改善的根本原因，粒間黏聚力增強(qiáng)是強(qiáng)度和抗沖刷性能提高的根本原因。

圖3 改性前的材料微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 The microstructure before and after tests

3 結(jié) 論

1）獲得充填材料的改性的最優(yōu)配合比為：水泥20%、石灰4%、粉煤灰10%、脫硫石膏10%以及尾砂骨料56%，澆筑時(shí)的水固比為1∶0.2。材料經(jīng)過改性后抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別提高了1.8 和2.1倍；收縮率和沖刷損失系數(shù)分別減小了3.5 和2.4倍，經(jīng)過正交試驗(yàn)后，充填體的各項(xiàng)指標(biāo)均有所改善。

2）分別討論了物理改性機(jī)理和化學(xué)改性機(jī)理。物理改性主要通過細(xì)顆粒在骨料中的填充作用；化學(xué)改性主要通過水泥、石灰、粉煤灰和脫硫石膏在澆筑攪拌時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大料凝膠體。物理和化學(xué)改性共同起到了改良材料的強(qiáng)度、收縮和抗沖刷性能的作用。

3）采用掃描電子顯微鏡從微觀結(jié)構(gòu)變化的角度對(duì)充填材料改性的機(jī)理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)的改變是生土材料收縮性能改善的根本原因，粒間黏聚力的增強(qiáng)是強(qiáng)度和抗沖刷性能提高的根本原因。