王 洋, 吳 迪, 唐志新, 李志勇, 肖 明, 董京浩, 楊建文, 劉鵬飛

(1.哈密紅石礦業(yè)有限公司， 新疆 哈密 839000； 2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083；3.沈陽長豐建設(shè)評(píng)價(jià)有限公司新疆分公司， 新疆 烏魯木齊 830000)

1 前言

近年來，在我國實(shí)施無廢、綠色開采的資源開發(fā)戰(zhàn)略格局下，充填采礦法得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。在充填采礦法的研究中，充填體的強(qiáng)度問題是充填采礦技術(shù)的核心問題之一。Thomas E G的研究發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)充填體的強(qiáng)度具有較大影響，尤其是當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度低于10 ℃時(shí)。在此溫度條件下，水泥水化反應(yīng)十分緩慢，對(duì)充填體強(qiáng)度影響較大[1]。微波加熱技術(shù)作為一種前沿技術(shù)，與傳統(tǒng)加熱相比，微波加熱具有過程可控、選擇性加熱、升溫速度快、穿透力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[2]。微波技術(shù)應(yīng)用在水泥基材料(如混凝土、砂漿)的熱固化中，可以為這些材料提供均勻、快速的加熱環(huán)境[3-11]，成為快速提高水泥基材料早期強(qiáng)度的有效手段。然而，充填體與混凝土和砂漿有所不同，主要表現(xiàn)在充填體所使用骨料以及充填骨料的性能、配合比和應(yīng)用條件上。因此，微波技術(shù)在混凝土領(lǐng)域的研究結(jié)果并不直接適用于充填體。本文通過正交實(shí)驗(yàn)的方式，探究了充填體內(nèi)部因素(充填體的灰砂比、料漿濃度)和主要外部因素(微波加熱功率、微波加熱時(shí)間以及微波介入時(shí)間)對(duì)全尾砂膠結(jié)充填體力學(xué)特性的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)歸納微波熱效應(yīng)對(duì)充填體的力學(xué)性能的影響規(guī)律，并且得到各影響因素對(duì)充填體強(qiáng)度的影響能力大小。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)流程

此次實(shí)驗(yàn)具體步驟如下：首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行試樣制備和力學(xué)性能測(cè)試。在微波加熱環(huán)節(jié)中，將試樣(帶模具)加熱完成從微波爐中取出后，用紅外測(cè)溫儀測(cè)量試樣表面溫度，并做好記錄；在試樣養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)中，利用直尺對(duì)脫膜后的充填體進(jìn)行尺寸測(cè)量，做好記錄。然后對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試過程中做好相應(yīng)記錄。最后，完成測(cè)試后及時(shí)關(guān)閉電腦和單軸壓力機(jī)，并清洗所有相應(yīng)設(shè)備。每組實(shí)驗(yàn)做3次，最后取平均值來保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，具體實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

2.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)確定了影響充填體力學(xué)性能的5個(gè)因素，分別為微波功率、微波加熱時(shí)間、微波介入時(shí)間、充填料漿濃度以及灰砂比。對(duì)每個(gè)影響因素設(shè)計(jì)4個(gè)水平，研究各影響因素對(duì)充填體力學(xué)性能的影響規(guī)律，各因素水平見表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

利用“正交設(shè)計(jì)助手”設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，選擇l16(45)為正交表[12-13]，以充填體養(yǎng)護(hù)7天齡期的抗壓強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展5因素4水平正交實(shí)驗(yàn)，共計(jì)16組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方案見表2。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差以及方差分析，確定各影響因素對(duì)充填體力學(xué)性能的影響規(guī)律。

表2 充填體力學(xué)性能影響因素正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)原材料：本次實(shí)驗(yàn)尾砂全部來自新疆紅石礦業(yè)梅嶺銅礦，水泥為425號(hào)普通硅酸鹽水泥。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器：電子秤(精度0.001 g)、量筒(1 000 mL)、攪拌機(jī)、模具(10 cm×10 cm×10 cm)、微波爐(Midea M1- 221A)、紅外測(cè)溫儀(FLUKE- 561)、標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱(YH- 60B型)、微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)(TAW- 2000)、打氣筒、直尺等。

3.2 試樣制備

膠結(jié)充填體試樣制備包括四個(gè)部分，分別為砂漿攪拌、裝模成型、微波加熱、試樣養(yǎng)護(hù)。

(1)砂漿攪拌。先通過電子秤按一定比例精確稱量相應(yīng)質(zhì)量的尾砂與水泥，倒入攪拌機(jī)中，啟動(dòng)攪拌機(jī)，攪拌半分鐘，讓尾砂與水泥干料充分混合；然后用量筒量取對(duì)應(yīng)質(zhì)量的自來水，作為拌合水加入到攪拌機(jī)中，詳細(xì)配合比見上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。啟動(dòng)該動(dòng)攪拌機(jī)，先低速攪拌2 min，使充填材料充分混合，暫停1 min，將筒壁上料漿刮入筒中，然后再高速攪拌2 min，使料漿呈現(xiàn)均質(zhì)狀態(tài)。

(2)裝模成型。模具形狀為立方體，尺寸為10 cm×10 cm×10 cm，將上述攪拌均勻的充填料漿迅速灌入模具中，第一次灌入量大約為模具的2/3，然后用搗棒沿著模具邊緣插搗料漿，此后手動(dòng)震動(dòng)模具，目的是趕走充填料漿灌入過程中的氣泡，其中插搗料漿20次，手動(dòng)震動(dòng)約為10次；然后進(jìn)行第二次灌注將模具填滿，輕微震動(dòng)模具，然后用刮刀將模具表面抹平，同時(shí)用保鮮膜將模具包裹密封，防止水分流失，同一測(cè)試項(xiàng)目的試樣必須使用同一次的料漿。

(3)微波加熱。將制備好的充填體連帶模具一起放入微波爐中加熱，加熱條件和微波功率如表2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中所示，微波介入時(shí)間是指充填料漿裝入模具到進(jìn)行微波加熱之間的時(shí)間。

(4)試樣養(yǎng)護(hù)。所有試樣除進(jìn)行微波加熱步驟外，均置入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃(±1 ℃)、相對(duì)濕度為99%。所有試樣養(yǎng)護(hù)24 h后脫膜，通過模具底部的小口，利用高壓空氣將充填體吹出。在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至7 d齡期后進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

3.3 力學(xué)性能測(cè)試

充填體的力學(xué)特性指標(biāo)主要指充填體的抗壓強(qiáng)度以及彈性模量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)，均可通過試樣的應(yīng)力- 應(yīng)變過程曲線獲得?？箟簭?qiáng)度測(cè)試前，先將壓力機(jī)調(diào)試好，然后從養(yǎng)護(hù)箱中取出需要測(cè)試的試樣放置在壓力臺(tái)上，將軟件里應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值清零，然后進(jìn)行應(yīng)力- 應(yīng)變測(cè)試，測(cè)試過程中，壓力加載速率為100 N/s，直至試樣安全破壞。測(cè)試完成后，將對(duì)應(yīng)的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線保存好，通過應(yīng)力- 應(yīng)變曲線，求出充填體的最大應(yīng)力值(即最大抗壓強(qiáng)度)及彈性模量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

4.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試樣制備完成后按實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行微波加熱與養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)7 d后對(duì)充填體試樣進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，得到各影響因素下充填體的單軸抗壓強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 充填體力學(xué)性能影響因素正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)律分析

對(duì)正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析可以找出各影響因素對(duì)充填體力學(xué)性能的影響規(guī)律，并對(duì)其影響程度的大小進(jìn)行排序，故對(duì)此次正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析和方差分析。

1)極差分析

極差分析操作簡(jiǎn)單，結(jié)果直觀，缺點(diǎn)是不能估計(jì)實(shí)驗(yàn)的誤差。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差計(jì)算，得出此次正交實(shí)驗(yàn)的極差分析結(jié)果，分析結(jié)果見表4。其中，kn(n=1、2、3、4)表示影響因素各水平的均值，R表示各影響因素的極值，極值越大，對(duì)充填體單軸抗壓強(qiáng)度的影響就越大。

表4 充填體單軸抗壓強(qiáng)度極差分析

通過極值分析表4可以看出，各影響因素對(duì)充填體單軸抗壓強(qiáng)度影響的順序由大到小排列為充填料漿灰砂比、充填料漿濃度、微波功率、微波加熱時(shí)間、微波介入時(shí)間。相比而言，充填體內(nèi)部因素對(duì)充填體單軸抗壓強(qiáng)度的影響效果要大于外部因素的影響，同時(shí)充填料漿灰砂比的影響程度較充填料漿濃度的影響大。

為了更加直觀的看出各影響因素對(duì)充填體單軸抗壓強(qiáng)度性能的影響，以各影響因素為橫坐標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為縱坐標(biāo)，具體如圖2所示。

圖2 極差分析趨勢(shì)圖

從圖2可以看出，充填體的單軸抗壓強(qiáng)度隨著微波功率和加熱時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增加再降低的趨勢(shì)；隨灰砂比和料漿濃度的降低而降低；微波加熱介入時(shí)間越早，對(duì)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度提升越明顯。

2)方差分析

方差分析相比于極差分析，優(yōu)點(diǎn)在于方差分析能夠估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差，分析實(shí)驗(yàn)組內(nèi)和組間誤差大小，避免實(shí)驗(yàn)誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶來的干擾，確保數(shù)據(jù)的可靠性和真實(shí)性。

通過此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方法分析計(jì)算，得出充填體力學(xué)性能影響因素的方差分析結(jié)果，方差分析結(jié)果見表5。

表5 正交實(shí)驗(yàn)方差分析表

通過表5可以得知，在各影響因素中，充填料漿灰砂比與充填料漿濃度對(duì)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度具有顯著影響，而微波加熱時(shí)間、微波功率以及微波介入時(shí)間對(duì)充填體單軸抗壓強(qiáng)度的影響不顯著。

5 結(jié)論

本文通過正交實(shí)驗(yàn)論證了微波在充填體固化中的作用，其主要結(jié)論如下：

(1)微波加熱可以提升充填體溫度，早期的微波加熱有助于提高充填體的力學(xué)性能，適當(dāng)?shù)卦黾游⒉訜釙r(shí)間有助于充填體單軸抗壓強(qiáng)度的發(fā)展。但是，如果微波加熱時(shí)間過長，則會(huì)對(duì)充填體內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞，從而對(duì)充填體的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

(2)對(duì)充填體施加微波影響的時(shí)機(jī)非常重要，要充分考慮到充填體靜置養(yǎng)護(hù)與微波加熱之間的時(shí)間。微波加熱的介入時(shí)間越短，充填體早期的單軸抗壓強(qiáng)度越高。微波加熱在充填體固化早期可以顯著的提高充填體的單軸抗壓強(qiáng)度。

(3)微波加熱功率對(duì)充填體強(qiáng)度發(fā)展的影響也是非常重要的，充填體的單軸抗壓強(qiáng)度隨著微波加熱功率的升高呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，在一定的微波加熱功率范圍內(nèi)，施加微波影響可以顯著的提升充填體的單軸抗壓強(qiáng)度，但微波加熱功率一旦過大，就會(huì)對(duì)充填體的強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生不利影響，降低充填體強(qiáng)度，甚至低于正常養(yǎng)護(hù)條件下的充填體。

(4)充填體的抗壓強(qiáng)度受到充填料漿濃度的強(qiáng)烈影響，隨著充填料漿濃度的提升，充填體抗壓強(qiáng)度不斷增加，微波加熱對(duì)充填體強(qiáng)度發(fā)展具有積極作用，對(duì)7d齡期的充填體強(qiáng)度提升明顯，且隨著充填料漿濃度的增加，微波加熱對(duì)充填體抗壓強(qiáng)度的提升越明顯。

(5)充填體的抗壓強(qiáng)度受到充填料漿灰砂比的強(qiáng)烈影響，隨著充填料漿灰砂比的提升，充填體抗壓強(qiáng)度不斷增加，提升幅度呈現(xiàn)較好的一致性，微波加熱在充填料漿灰砂比較小的充填體中起消極作用，在充填料漿灰砂比較大的充填體中起積極作用，且充填料漿灰砂比越大，提升效果越明顯。

(6)充填體內(nèi)部因素對(duì)充填體單軸抗壓強(qiáng)度的影響效果要大于外部因素的影響；同時(shí)，在各影響因素中，充填料漿灰砂比與充填料漿濃度對(duì)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度具有顯著影響。