尹升華，劉家明，邵亞建，張海勝，ARMELLE Belibi，寇永淵

(1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京，100083；3.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅金昌，737100)

地下開采是開采礦產(chǎn)資源的主要方式之一，但不可避免地會(huì)形成采空區(qū)，極易誘發(fā)地表塌陷。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1-2]，中國采空區(qū)總量超過350 億m3。2017年，中國礦山共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害7 521起，其中地面塌陷和滑坡事故共5 437 起，占礦山地質(zhì)災(zāi)害的72.3%。中國礦山固體廢棄物總量已超過250 億t，其中尾礦庫約1.2 萬個(gè)，尾礦庫總量超過100 億t，每年以6 億t 的速度遞增。目前，尾礦處置方式主要是將低濃度的尾礦料漿直接排放到尾礦庫中，形成不穩(wěn)定的高蓄能構(gòu)筑物，在極端天氣下會(huì)造成極其嚴(yán)重的事故。例如，2008-09-08，山西省臨汾市襄汾縣由于強(qiáng)降雨，致使尾礦壩失穩(wěn)，造成277 人死亡[3]。因此，礦山資源開采、采礦區(qū)及尾礦壩垮塌、固體廢棄物排放對(duì)環(huán)境的破壞是我國金屬礦山面臨的主要問題。充填開采是解決采空區(qū)和礦山固廢(如尾礦、廢石等)問題的有效方式。近些年，由于國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求和采礦行業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)的追求提高以及采礦技術(shù)的進(jìn)步，一種經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的充填采礦技術(shù)—膏體充填應(yīng)運(yùn)而生。膏體是一種塌落度為18~25 cm，粒級(jí)小于20 μm 的顆粒占比超過15%，屈服應(yīng)力在200 Pa以下，泌水率為5%的牙膏狀漿體[4-5]。如今膏體充填采礦已經(jīng)在世界各地的許多礦山得到廣泛應(yīng)用。例如，贊比亞謙比希銅礦采用膏體充填技術(shù)后，充填質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)70%、水泥用量降低28.52%、礦石回收率提高35%，大大提高了技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，保證了礦山高效持續(xù)生產(chǎn)。利用全尾砂廢石聯(lián)合處置膏體技術(shù)來控制地下開采活躍的采空區(qū)，不僅可以有效利用固體廢棄物，而且廢石等粗骨料還能大幅度提高充填體強(qiáng)度，改善充填料漿的流動(dòng)性[6]。但由于受地下開采的影響，原始的應(yīng)力平衡被打破，采空區(qū)常處于活動(dòng)狀態(tài)，這對(duì)回填體的工藝和性能提出新的要求[7]。為了提高充填體早期強(qiáng)度，改善流動(dòng)性，近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同物料配比進(jìn)行大量了研究。YI等[8]在料漿中加入聚丙烯纖維，發(fā)現(xiàn)充填體試塊抗拉強(qiáng)度顯著增強(qiáng)、峰后強(qiáng)度損失降低，試塊具有更大的延展性；鐘常運(yùn)等[9]等在物料中加入粉煤灰、激發(fā)劑等添加物，發(fā)現(xiàn)在激發(fā)劑下粉煤灰能替代部分水泥作為膏體膠凝劑從而提高膏體早期強(qiáng)度，降低水泥單耗及膏體充填成本；李公成等[10]等探究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)、灰砂比、尾砂與戈壁集料比以及泵送劑對(duì)抗壓強(qiáng)度和塌落度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)尾砂與戈壁集料比對(duì)塌落度影響最大；藍(lán)志鵬等[11]將配料用水由普通自然水推廣到磁化水，發(fā)現(xiàn)磁化水能有效改善膏體料漿流變性能，降低料漿屈服應(yīng)力和塑性黏度，提高膏體料漿管道輸送可靠性。由于受到復(fù)雜的理化性質(zhì)以及膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、泵送劑摻量、水泥摻量等多種因素影響，再加上各礦山的主要物料來源與配比參數(shù)不同，從而導(dǎo)致膏體的性能千變?nèi)f化。由于金川硫化銅鎳礦床埋藏深，地應(yīng)力高，水平方向的構(gòu)造應(yīng)力最大達(dá)到50 MPa，礦巖異常破碎，目前，金川二礦區(qū)采用下向分層進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦方法。如今金川二礦區(qū)年出礦能力達(dá)450 萬t 以上，已成為我國有色金屬地下礦山年生產(chǎn)能力最大的礦山，但由于實(shí)際生產(chǎn)能力大大超過設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，采、充循環(huán)作業(yè)時(shí)間和充填體養(yǎng)護(hù)時(shí)間嚴(yán)重縮短，導(dǎo)致充填體的早期強(qiáng)度不夠而造成垮塌等安全事故，給礦山的安全生產(chǎn)組織造成極大的困難。因此，要想改善礦山井下采場的安全生產(chǎn)環(huán)境，加快礦山的采充循環(huán)速度，滿足“強(qiáng)采強(qiáng)出”性能，進(jìn)行安全高效的生產(chǎn)，研究充填體早期抗壓強(qiáng)度就顯得十分必要，其主要參考指標(biāo)為3 d 和7 d 單軸抗壓強(qiáng)度[12]。本文作者首先開展膏體物料的理化性質(zhì)研究，提出能夠全面描述物料特性作用的綜合指標(biāo)，為膏體的早期抗壓強(qiáng)度研究提供基礎(chǔ)；其次，以金川鎳礦全尾砂、廢石為工程背景，選擇膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水泥摻量、尾骨比(全尾砂與廢石和棒磨砂質(zhì)量之比)以及泵送劑摻量4 個(gè)可控制和調(diào)節(jié)的主要影響因素，考察4個(gè)因素對(duì)膏體早期抗壓強(qiáng)度的影響。采用正交設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)膏體的早期抗壓強(qiáng)度進(jìn)行理論分析，從而尋求各因素的最佳添加范圍，再運(yùn)用多元非線性回歸分析預(yù)測(cè)在多因素耦合作用下早期抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，為采空區(qū)充填提供依據(jù)。最后，通過物料微觀結(jié)構(gòu)電鏡掃描等手段研究該充填體膏體的固化機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料

全尾砂取自金川選礦廠濃密后泵池，廢石及棒磨砂等粗骨料取自二礦區(qū)充填站料倉，泵送劑取自二礦區(qū)尾礦車間的泵站，水泥為PC32.5 普通硅酸鹽復(fù)合水泥。依據(jù)化學(xué)分析方法采用X 線熒光光譜實(shí)驗(yàn)(XRF)進(jìn)行主要化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。從表1可以看出：全尾砂主要成為SiO2，MgO 和Fe2O3；廢石主要成分為SiO2，CaO 和MgO；棒磨砂主要成分為SiO2，Al2O3和CaO。圖1所示為全尾砂、廢石、棒磨砂XRD 衍射圖譜，從圖1可以看出：全尾砂主要物相為鋁黃長石、石英、鎂鋁硅酸鹽；廢石主要物相為二輝橄欖石、鎳綠泥石、大理巖；棒磨砂主要物相為石英、鈉長石。由此可知全尾砂、廢石、棒磨砂礦物活性低，是很好惰性充填材料。參考SL352-2006“土工混凝土試驗(yàn)規(guī)程”測(cè)定其相對(duì)密度、松散容重、松散堆積密實(shí)度、孔隙率等物理力學(xué)性質(zhì)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可以看出：全尾砂、廢石、棒磨砂各相對(duì)密度相當(dāng)，全尾砂孔隙率較大。利用LMS-30 型激光粒度分析儀對(duì)全尾砂進(jìn)行粒度分析，采用人工標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)廢石和棒磨砂進(jìn)行粒度分析，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出：全尾砂主要為粒徑小于100 μm的顆粒，其中粒徑為12~50 μm顆粒占多數(shù)，屬于超細(xì)全尾砂；廢石主要為粒徑大于3 mm，小于15 mm的顆粒，其中5~15 mm的顆粒占多數(shù)；棒磨砂主要為粒徑大于0.45 mm，小于6.00 mm 的顆粒，其中1~3 mm 的顆粒占多數(shù)。綜合分析可知，充填料級(jí)配均勻，能用于井下充填，有利于料漿制備和強(qiáng)度提高。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案及設(shè)備

目前金川二礦區(qū)水泥單耗量為310 kg/m3，礦用物料為單棒磨砂，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78%~81%，3 d強(qiáng)度為1.8~2.2 MPa，充填料單一、水泥成本高且早期強(qiáng)度一般。為了降低水泥成本、提高早期強(qiáng)度、分析各因素對(duì)充填體早期強(qiáng)度影響，采用正交設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案[13]。根據(jù)試驗(yàn)因素和水平的個(gè)數(shù)，選擇4 因素4 水平正交表L16(44)進(jìn)行正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，正交設(shè)計(jì)因素與水平如表3所示。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是按設(shè)計(jì)配制的料漿澆灌入長×寬×高為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)模具內(nèi)，脫模后的試塊分別放至養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃，養(yǎng)護(hù)濕度為90%。分別養(yǎng)護(hù)3 d 和7 d后，用WEW-600D 萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)定3 d和7 d齡期的單軸抗壓強(qiáng)度[14]。

圖1 物料XRD分析結(jié)果Fig.1 XRD analysis results of each material

表2 各充填料物理性質(zhì)Table2 Physical properties of each filling material

圖2 各物料粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of each material

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，測(cè)試全尾砂粗骨料膠結(jié)充填體試塊塌在3 d 和7 d 的單軸抗壓強(qiáng)度，其測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表3 正交設(shè)計(jì)因素及水平Table3 Levels of orthogonal design factors

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

按照單一變量原則，總共16 組數(shù)據(jù)，每個(gè)水平4 組數(shù)據(jù)，4 組數(shù)據(jù)的抗壓強(qiáng)度平均值即為該水平的抗壓強(qiáng)度平均值Ki(i=1,2,3,4)。根據(jù)表4中數(shù)據(jù)分析結(jié)果，以各自變量因素水平為X軸坐標(biāo)，以3 d 和7 d 時(shí)間順序?yàn)閅軸坐標(biāo)，以強(qiáng)度平均值(k1，k2，k3和k4)為Z軸坐標(biāo)，構(gòu)建三維曲面可視化模型，其結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出：3 d抗壓強(qiáng)度R3和7 d 抗壓強(qiáng)度R7均已達(dá)到要求(R3≥1.5 MPa，R7≥2.5 MPa)且均大于等于礦上現(xiàn)用配比強(qiáng)度。由圖3(a)結(jié)果可知：在相同條件下，水泥摻量越多其早期抗壓強(qiáng)度越大，當(dāng)水泥摻量為270~290 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度增加緩慢，當(dāng)水泥摻量為290~330 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度增加迅速。這是因?yàn)樗酁槟z凝材料，摻量越多，其固結(jié)緊密，抗壓強(qiáng)度就高，說明水泥摻量是抗壓強(qiáng)度的主要影響因素之一。由圖3(b)結(jié)果可知：在水泥摻量、尾骨比(全尾砂與廢石和棒磨砂質(zhì)量之比)、泵送劑摻量相同條件下，膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大其早期抗壓強(qiáng)度越大，且當(dāng)膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為77%~79%時(shí)，早期抗壓強(qiáng)度呈線性增長；當(dāng)膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為79%~81%時(shí)，早期抗壓強(qiáng)度呈指數(shù)增長[15]，即膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)是抗壓強(qiáng)度的另一主要影響因素。由圖3(c)可知：m(全尾砂)∶m(廢石)∶m(棒磨砂)為5.0:2.5:2.5~4:3:3(棒磨砂占比為25%~30%)時(shí)7 d抗壓強(qiáng)度存在最優(yōu)值，且3 d 到7 d 抗壓強(qiáng)度均勻增大；另外，7 d抗壓強(qiáng)度隨棒磨砂占比的增加而先上升后下降，這是因?yàn)楫?dāng)棒磨砂占比為20%~30%時(shí)，添加了粗骨料，物料級(jí)配連續(xù)且均勻從而增加早期抗壓強(qiáng)度；當(dāng)棒磨砂占比為30%~35%時(shí)，相鄰粗尾礦顆粒間距過大且隨著膠結(jié)基質(zhì)厚度的增加，膠結(jié)基質(zhì)強(qiáng)度對(duì)整體膏體貢獻(xiàn)增大，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低[16]。由圖3(d)可知：早期抗壓強(qiáng)度隨著泵送劑摻量的增加而緩慢上升，當(dāng)泵送劑摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，膏體中絮團(tuán)被破壞，尾砂顆粒和水泥顆粒粒徑的分布趨于有序，從而孔隙率降低；當(dāng)泵送劑摻量增加到2%時(shí)，膏體中顆粒絮團(tuán)的尺寸再次縮小，但絮團(tuán)數(shù)量增多，形成的結(jié)構(gòu)孔隙率也隨之減??；當(dāng)泵送劑摻量為2.0%~2.5%時(shí)，此時(shí)漿體中已經(jīng)沒有大的絮團(tuán)，大量小絮團(tuán)的存在阻隔了大顆粒(棒磨砂、廢石)與水泥的膠結(jié)，造成早期抗壓強(qiáng)度略減小[17-18]。由試驗(yàn)結(jié)果可知，泵送劑的加入使膏體早期強(qiáng)度有所提高，但當(dāng)泵送劑摻量增加到2.5%時(shí)，7 d抗壓強(qiáng)度略有降低，因此泵送劑的合理摻量為1.5%～2.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table4 Orthogonal experimental results

3.2 多元非線性回歸分析

回歸分析是在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用最小二乘法原理建立因變量與自變量之間的函數(shù)關(guān)系。利用MATLAB 中nlinfit 函數(shù)以及3 d 和7 d 抗壓強(qiáng)度與各因素之間的關(guān)系進(jìn)行二次多項(xiàng)式逐步回歸分析[19]。分別設(shè)水泥摻量、膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、棒磨砂占比、泵送劑摻量為自變量A，B，C和D，3 d 抗壓強(qiáng)度、7 d 抗壓強(qiáng)度分別為目標(biāo)函數(shù)Y1和Y2進(jìn)行多元非線性回歸擬合，得到多元非線性二次多項(xiàng)式回歸方程：

采用相同的回歸方式，對(duì)3 d 和7 d 抗壓強(qiáng)度的目標(biāo)函數(shù)Y3和Y4進(jìn)行冪函數(shù)模型回歸擬合，得到冪函數(shù)模型回歸方程：

圖3 不同因素不同期齡的膏體抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive strengths of paste at different ages with different factors

再以相同的回歸方式，對(duì)3 d 和7 d 抗壓強(qiáng)度的目標(biāo)函數(shù)Y5和Y6進(jìn)行指數(shù)函數(shù)模型回歸擬合，得到指數(shù)函數(shù)模型回歸方程：

建立回歸模型后，利用MATLAB 中regress 函數(shù)，由最小二乘法對(duì)其進(jìn)行參數(shù)估計(jì)確定回歸系數(shù)求出預(yù)測(cè)值后，再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、假設(shè)檢驗(yàn)、回歸系數(shù)檢驗(yàn)判斷擬合函數(shù)是否顯著，其統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表5。由表5可以看出：二次多項(xiàng)式回歸模型、冪函數(shù)回歸模型、指數(shù)函數(shù)回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)(R2)和校正復(fù)相關(guān)系數(shù)(R2Adj)均在0.72 以上，各回歸模型的P均小于0.01，擬合效果均顯著；與冪函數(shù)回歸模型和指數(shù)函數(shù)回歸模型相比，二次多項(xiàng)式回歸模型的R2和R2Adj更接近“1”，F(xiàn)大于對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)下限，故選用二次多項(xiàng)式模型為本次試驗(yàn)預(yù)測(cè)的回歸模型。以表4中的數(shù)據(jù)代入二次多項(xiàng)式擬合方程，求解方程擬合值。圖4所示為回歸方程擬合值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比。由圖4可見回歸方程具有較高精度，擬合效果非常顯著。

表5 各回歸擬合方程統(tǒng)計(jì)分析Table5 Statistical analysis of regression fitting equations

根據(jù)回歸統(tǒng)計(jì)分析的判別系數(shù)以及擬合效果，確定選擇二次多項(xiàng)式模型回歸方程Y1和Y2為最終配比優(yōu)化的單目標(biāo)函數(shù)。多元非線性回歸分析中給出了針對(duì)各目標(biāo)函數(shù)的單目標(biāo)優(yōu)化最大值，但在實(shí)際應(yīng)用過程中需要綜合考慮3 d抗壓強(qiáng)度和7 d抗壓強(qiáng)度，通過多目標(biāo)非線性優(yōu)化來確定最優(yōu)配比。其非線性目標(biāo)函數(shù)f(A,B,C,D)的計(jì)算公式如下：

膏體充填混合料主觀權(quán)重系數(shù)T分別取為0.4(3 d抗壓強(qiáng)度)和0.6(7 d抗壓強(qiáng)度)，則按式(7)計(jì)算得到總目標(biāo)函數(shù)為

圖4 早期強(qiáng)度二次多項(xiàng)式回歸方程擬合值與實(shí)際值對(duì)比Fig.4 Comparison of fitting value and actual value of early strength quadratic polynomial regression equation

在數(shù)據(jù)值域{A，(270 kg/m3，330 kg/m3)；B，(75%，81%)；C，(6.0:2.0:2.0，3.0:3.5:3.5)；D，(1.0%，2.5%)}內(nèi)求解多元非線性總目標(biāo)函數(shù)的最值，當(dāng)A，B，C和D取量分別為330 kg/m3，81%，3.0:3.5:3.5 和2.5%時(shí)，目標(biāo)函數(shù)f(A,B,C,D)有最大值，對(duì)應(yīng)的擬合模型早期強(qiáng)度最大值為8.97 MPa；當(dāng)A，B，C和D取量分別為270 kg/m3，75%，6.0:2.0:2.0和1.0%時(shí)；目標(biāo)函數(shù)f(A,B,C,D)有最小值，對(duì)應(yīng)的擬合模型早期強(qiáng)度最小值為2.87 MPa。由此可以得出：擬合模型所得出的所有值均滿足7 d強(qiáng)度要求(R7≥2.5 MPa)，因此，最佳配比根據(jù)輸送條件而定。

4 分析討論

4.1 物料微觀分析

對(duì)全尾砂、棒磨砂、廢石充填粗骨料進(jìn)行電鏡掃描分析觀察試樣微觀組織結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出：全尾砂的微觀結(jié)構(gòu)為層狀，個(gè)別地方為柱狀結(jié)構(gòu)，整體規(guī)整，全尾砂中的玻璃相與結(jié)晶體相間分布[20]；棒磨砂的微觀形貌基本都是柱狀或針狀，表面大部分有針狀晶體凸起，致使凸起與凸起之間的縫隙易于被破壞的絮團(tuán)填充和未被破壞的絮團(tuán)聚集，形成致密的結(jié)構(gòu)，從而增加抗壓強(qiáng)度；廢石的結(jié)構(gòu)為塊狀，部分個(gè)體為片狀，整體較規(guī)整，表面凹凸不平。根據(jù)理化性質(zhì)可知，廢石不均勻系數(shù)比較大，級(jí)配分布不均勻，微細(xì)顆粒越容易填充在廢石的孔隙間，減少廢石間的摩擦作用，起到潤滑效果，表現(xiàn)為流動(dòng)性較好，即屈服應(yīng)力及塑性黏度相應(yīng)減小[21-22]。

4.2 充填體固化機(jī)理

經(jīng)過分析可知，膏體混合粗骨料充填體結(jié)構(gòu)的形成，大致要經(jīng)過3個(gè)過程。

1)水泥顆粒凝膠的形成。水泥遇水之后，立即發(fā)生水化反應(yīng)。水泥顆粒表面的C3A和C3S等發(fā)生溶解，并向水溶液中擴(kuò)散，其中的陽離子如Ca2+比SiO32-，SO42-和AlO33-等陰離子擴(kuò)散得快，因而，在水泥顆料表面的陰離子濃度比陽離子的高，形成負(fù)電層，而擴(kuò)散的Ca2+和其他陽離子再吸附在粗骨料表面形成帶正電荷的吸附層，此時(shí)，帶電離子的顆粒通過液相擴(kuò)散與溶液中的水泥顆粒相互碰撞排斥、吸引，這種吸引與排斥作用導(dǎo)致水泥顆粒、全尾砂顆粒形成絮團(tuán)結(jié)構(gòu)[23]。

2)膏體結(jié)構(gòu)的形成與穩(wěn)定。水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2和C-S-H 凝膠經(jīng)過吸附擴(kuò)散作用包裹黏結(jié)全尾砂、棒磨砂、廢石等顆粒。由XRF 化學(xué)分析可知，棒磨砂含有大量的SiO2和Al2O3，當(dāng)水泥水化產(chǎn)物擴(kuò)散吸附在棒磨砂表面時(shí)，具有活性的SiO2和Al2O3發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng)：

圖5 不同物料SEM圖像Fig.5 SEM pictures of different materials

混合粗骨料中隨著水分的不斷補(bǔ)給，水泥水化產(chǎn)物不斷形成，加快了上述化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，形成的化合物吸附在棒磨砂表面，達(dá)到了一定的膠凝效果。根據(jù)棒磨砂理化性質(zhì)可知，棒磨砂為良好的惰性材料，其活性的SiO2和Al2O3數(shù)量較少，即反應(yīng)迅速達(dá)到平衡，進(jìn)而僅穩(wěn)固膠結(jié)但不影響自身抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)廢石理化性質(zhì)可知，廢石含有大量的SiO2，CaO 和MgO，由于自身CaO 雜亂無章地鑲嵌在廢石內(nèi)部，其活性很低，只能起到部分膠結(jié)作用。廢石化學(xué)成分與Ca(OH)2發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng)：

廢石中活性的SiO2化學(xué)反應(yīng)與棒磨砂中活性SiO2反應(yīng)一致。具有活性的Ca 離子脫離廢石，擴(kuò)散到液相中，補(bǔ)償了陽離子數(shù)量，進(jìn)而促進(jìn)陰陽離子擴(kuò)散速度同步，以致更快達(dá)到平衡。

全尾砂含有大量的SiO2，MgO 和Fe2O3，由于粒徑大部分為12~50 μm，屬于超細(xì)尾砂，極易黏結(jié)在廢石和棒磨砂的孔隙之間，同時(shí)水泥膠凝材料中含有適量的石膏(CaSO4)，進(jìn)一步與水化產(chǎn)物發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

全尾砂中的活性Al2O3與Ca(OH)2反應(yīng)生成的水化鋁酸鈣與石膏繼續(xù)反應(yīng)，并生成水化硫鋁酸鈣(鈣礬石)。由于水化硫鋁酸鈣的形成，消耗了全尾砂水化后的主要水化產(chǎn)物即水化鋁酸鈣，加速了全尾砂水化過程。而且新生成的水化硫鋁酸鈣還會(huì)增加混合料結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，再加上混合粗骨料本身存在抗壓強(qiáng)度，大大提高充填體早期抗壓強(qiáng)度[24]。

3)料漿的稠化硬化。經(jīng)過混合料之間復(fù)雜的水化反應(yīng)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后進(jìn)入料漿的稠化硬化階段。隨著時(shí)間的推移，這個(gè)階段充填體的黏度發(fā)生了很大變化，其流變特性也隨之改變；其料漿強(qiáng)度逐漸硬化。這就是宏觀上混合充填材料逐漸稠化硬化的過程[25]。

5 結(jié)論

1)全尾砂屬于超細(xì)尾砂，極易黏結(jié)在粗骨料表面；棒磨砂可以填充于廢石之間，減少廢石之間的摩擦。充填料之間粒徑分布均勻，物料逐級(jí)填充，有利于料漿的制備和抗壓強(qiáng)度的提高。

2)早期抗壓強(qiáng)度的主要影響因素為水泥摻量、膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)。早期抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量和膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，呈正相關(guān)。m(全尾砂)∶m(廢石)∶m(棒磨砂)及泵送劑摻量2個(gè)因素存在最佳范圍，最佳范圍分別為5.0∶2.5∶2.5~4∶3∶3 和1.5%~2.0%。

3)選用多元非線性二次多項(xiàng)式模型為本文試驗(yàn)預(yù)測(cè)的回歸模型。目標(biāo)函數(shù)f(A,B,C,D)存在最小值，其最小值為2.87 MPa，擬合模型所得出的所有值均滿足7 d抗壓強(qiáng)度(R7)要求(R7≥2.5 MPa)。

4)Ca2+和OH-與活性SiO2，Al2O3和Fe2O3發(fā)生反應(yīng)，起到部分膠結(jié)的作用。Ca(OH)2使料漿的環(huán)境呈堿性狀態(tài)，促進(jìn)活性MgO 的水解，生成的Mg(OH)2留存在粗骨料縫隙中，再加上水解消耗的自由水，大大提高了早期抗壓強(qiáng)度。