尾砂胶结充填体抗拉强度试验及其影响因素研究

唐国星，郭利杰，刘光生，杨小聪

(1.北京矿冶研究总院，北京 100160；2.金属矿绿色开采国家国际联合研究中心，北京 102628；3.矿冶科技集团有限公司，北京 102628)

0 引 言

充填采矿是一种随着回采工作面的推进，逐步用充填材料充填采空区的采矿方法，能够在处理采空区的同时减少尾砂堆存，已成为金属矿绿色开采的重要技术载体[1-5]。充填材料以料浆的形式被输送至采空区后，经过一段时间的养护形成胶结充填体。胶结充填体能够支撑围岩、控制采场地压，亦可作为下一步回采的顶板或工作平台[6]，其强度和稳定性对于矿山的安全生产至关重要。

刘同友[7]指出无论是胶结充填体的压缩破坏还是弯曲破坏均是由于拉应力或剪应力、拉应变或剪应变超过其承载极限引起的。当尾砂胶结充填体大面积揭露时，可能发生拉伸断裂性质的滑动破坏[8]。而在使用下向充填法的矿山中，回采后暴露的充填体顶板需要承受拉伸应力，抗拉强度不足会直接导致顶板破坏[9]，进而引发安全事故。因此，准确评估胶结充填体抗拉强度是进行安全充填设计的重要前提。同时，尾砂胶结充填体的抗拉强度与灰砂比、质量浓度、龄期等因素密切相关，研究灰砂比、质量浓度与龄期对尾砂胶结充填体抗拉强度的影响，分析充填体抗拉强度与这三种影响因素的敏感性关系将有助于矿山提高充填质量、节约充填成本。

国内外已有一些关于尾砂胶结充填体抗拉强度的研究。姚志全等[10]、邓代强等[11]采用巴西劈裂试验测得了不同配比的尾砂胶结充填体的抗拉强度，并分析了灰砂比与劈裂抗拉强度之间的关系。然而有学者指出，劈裂时试样处于拉-压混合应力状态，不能得到试样的真实抗拉强度[12-13]；或试样不能从中心起裂，不满足巴西劈裂试验抗拉强度计算公式的使用条件[14-16]。因此，PAN等[17]使用将压缩转换成拉伸的方法进行直接拉伸试验，测得水泥含量为6.9%和9.7%的膏体充填体7 d、14 d和28 d时的抗拉强度，并进一步得到了抗拉强度随龄期的变化规律。

从以上研究来看，对于尾砂胶结充填体抗拉强度及敏感性分析的研究或受制于试验方法，或没有足够的数据证明规律的普遍性。为填补尾砂胶结充填体抗拉强度领域的研究空白，本文设计了一种适用于尾砂胶结充填体的压-拉转换直接拉伸试验，以金厂河金矿全尾砂为原料，对多种配比龄期的尾砂胶结充填体的抗拉强度进行测试，分析尾砂胶结充填体抗拉强度随灰砂比、质量浓度、龄期的变化关系，并研究了三种因素对尾砂胶结充填体抗拉强度影响的强弱。

1 尾砂物理化学性质

本文使用的尾砂来自云南黄金金厂河金矿，化学元素定量分析测试结果见表1。尾矿中Ca、Si等元素含量较多，说明尾矿活性物质多，S元素含量为0.2%，K、Na等碱性元素含量少，从化学性质上分析，尾砂属于较好的充填骨料。图1为尾砂粒径分布情况。由图1可知，200目以下(尾砂粒径d≤0.074 mm)尾砂颗粒占比75.51%，400目以下(d≤0.038 mm)尾砂颗粒占比57.75%。本文使用的胶凝材料为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，试验用水为北京市自来水。

表1 尾砂化学元素定量分析测试结果Table 1 The results of chemical element quantitative analysis of tailings

图1 尾砂粒径分布Fig.1 Particle size distribution of tailings

2 试验方法

通过设计试验装置使试验机对试验装置的压缩变为对试样的拉伸是直接拉伸试验的一种新思路[17-19]。本文使用压-拉转换的方式对尾砂胶结充填体进行直接拉伸试验，原理如图2所示。由图2可知，固定试样上部，在试样下部施加压力，测试段即处于拉伸状态，据此设计加工了试验装置与充填体养护模具，如图3所示。养护模具由两块头板、两块侧板和一块底板组成，板与板之间通过螺栓与螺母连接。模具形似“工字形”，端部向轴线两侧凸出，便于后续的固定和加载。试模组装完成后将硅脂涂抹进连接处的缝隙中，增加试模的密封性。试样养护完成后拆下侧板与底板，露出测试段即可进行试验。如此设计是因为尾砂胶结充填体强度较低，碍于特殊的形状难以从试模中取出，并且头板与试样成为一体，真正受拉的只有测试段。

图2 “工字形”试样及试验原理Fig.2 “I-shaped”test specimen and loading principle

图3 “工字形”试模Fig.3 “I-shaped”curing mold

试验装置由两个相似的支架组成(图4)，每个支架各有一个底盘和固定盘，两盘通过螺柱连接并互相平行。固定盘是试验装置的核心，由两片相同的零件组成，其上有与试样端部尺寸一致的T形槽。安装固定盘时，两片零件在“工字形”试样两端由外向内拼接，T形槽与试样端部紧密接触，从而将试样固定。试验时，位于上方的支架受压，将荷载传递于试样下端，而位于下方的支架固定试样的上部，试样处于拉伸状态。为减少自身重力对试验过程与结果的影响，试验装置采用铝合金加工制作(图5)。

图4 试验装置支架Fig.4 Loading brackets

图5 试验装置安装过程Fig.5 Installation process

3 试验方案

为了使试验结果更具有普遍性与代表性，本文制备灰砂比为1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，质量浓度为68%、70%、72%、75%的尾砂胶结充填料浆，分别养护7 d、14 d、28 d后进行拉伸试验，共计48种工况，每种工况设置5个试样。将按照要求制备、搅拌均匀的料浆分两次倒入“工字形”试模中，每次各注入1/2，并用玻璃棒捣实。为防止料浆发生沉淀，在浇模过程中需要不断搅拌料浆。试模浇筑后放入温度(20±0.5)℃，湿度90%以上的养护箱中养护24 h，将试样表面刮平继续养护至既定龄期。

本文使用美国汉堡Master Loader 5030试验机，采用位移加载的方式，加载速率为0.2 mm/min。抗拉强度计算公式见式(1)。

(1)

式中：σDT为试件的抗拉强度，kPa；F为试件的峰值荷载，kN；ms和mz分别为试件与装置的质量，kg；g为重力加速度，m/s2；S为试件的断面面积，cm2。

4 试验结果

拉伸断裂后的“工字形”试样如图6所示。图6中1号试样和2号试样未在测试段破坏，3号试样～5号试样在测试段断裂。所有试样断面十分平整，几乎与拉伸方向垂直，表明试样是在拉伸应力作用下发生的破坏。试样在测试段外破坏的原因是头板与试样局部分离，没能起到限制轴向位移的作用。剔除不在测试段发生破坏的试样后取平均值作为每组试样的抗拉强度。

图6 灰砂比1∶4、质量浓度70%、养护龄期28 d条件下的充填体试样Fig.6 Cemented tailings backfill specimens with cement-sand ratio of 1∶4,slurry solid content of 70% and curing ages of 28 d

由于灰砂比为1∶10、质量浓度为68%、养护龄期为7 d时的尾砂胶结充填体试样强度过低，受试验装置重力影响在很小的压力下即会断裂，或在安装时发生破坏，所以无法获得其强度值。其余47种工况的尾砂胶结充填体抗拉强度见表2。由表2可知，尾砂胶结充填体的抗拉强度随灰砂比、质量浓度与龄期的变化均发生明显变化，并呈现一定的规律。为单独研究灰砂比、质量浓度、龄期对尾砂胶结充填体抗拉强度的影响并总结其规律，将待研究的因素设为变量，固定其他两种影响因素，分析抗拉强度随待研究因素的变化情况。

表2 不同配比龄期尾砂胶结充填体抗拉强度Table 2 Tensile strength of cemented tailings backfill with different proportions and curing ages

4.1 灰砂比对尾砂胶结充填体抗拉强度的影响

图7为养护龄期分别为7 d、14 d、28 d时，质量浓度为68%、70%、72%、75%的试样抗拉强度与灰砂比的关系。从图7可以看出，在质量浓度和龄期相同时，尾砂胶结充填体抗拉强度随着灰砂比的增大而增大，这是因为灰砂比越大，料浆中胶凝材料的含量越高，经过水化反应会产生更多的水化硅酸钙凝胶(C—S—H凝胶)，尾砂颗粒的连接更牢固，而且水泥水化产物越多，尾砂胶结充填体中的孔隙越少，强度越高[20]。

图7 抗拉强度随灰砂比的变化关系Fig.7 The relationship between tensile strength and cement-sand ratio

对数据进行线性拟合，拟合结果见表3。由表3可知，线性相关性系数R2全部在0.95以上，说明在一定质量浓度与龄期条件下，灰砂比与尾砂胶结充填体抗拉强度之间存在较强的线性关系，可用式(2)表示，与巴西劈裂试验得到的结果相似[10-11]。

表3 抗拉强度与灰砂比的拟合结果Table 3 The results of tensile strength and cement-sand ratio fitting

y=a1+b1x

(2)

式中：y为抗拉强度;x为水泥含量;a1、b1取决于质量浓度、龄期等因素。

4.2 龄期对尾砂胶结充填体抗拉强度的影响

图8给出了质量浓度分别为75%、72%、70%、68%时，灰砂比为1∶4、1∶6、1∶8、1∶10的试样抗拉强度随龄期的变化情况。由图8可知，当质量浓度与灰砂比一定时，7～14 d尾砂胶结充填体抗拉强度的增长率高于14～28 d，这是因为前期水泥水化反应并不充分，充填体内仍持续发生水化反应生成C—S—H凝胶，强度提高较快；而后期随着尾砂胶结充填体内未反应的水泥含量减少，水化反应速率逐渐降低，强度增长放缓。

图8 抗拉强度随龄期的变化关系Fig.8 The relationship between tensile strength and curing ages

根据强度变化规律对试验结果进行对数拟合，结果见表4。由表4可知，尾砂胶结充填体抗拉强度与质量浓度之间呈对数函数关系，见式(3)。

表4 抗拉强度与龄期的拟合结果Table 4 The results of tensile strength and curing ages fitting

y=b2ln(t-a2)

(3)

式中：y为抗拉强度；t为龄期；a2、b2取决于质量浓度、灰砂比等因素。

4.3 质量浓度对尾砂胶结充填体抗拉强度的影响

图9给出了灰砂比为1∶4、1∶6、1∶8、1∶10时，养护龄期为7 d、14 d、28 d时试样抗拉强度随质量浓度变化情况。由图9可知，尾砂胶结充填体的抗拉强度随质量浓度的提高而增加，并且大多数情况下抗拉强度的增长率也逐渐提高。由于缺少灰砂比1∶10、养护龄期7 d时的试验数据，因此只对其余11种情况的试验结果进行指数拟合(表5)。结果发现，只有灰砂比1∶10、养护龄期28 d这一种情况拟合结果不符合式(4)。

表5 抗拉强度与质量浓度拟合结果Table 5 The results of tensile strength and slurry solid content fitting

y=c+a3eb3r(a3>0)

(4)

式中：y为抗拉强度；r为质量浓度；a3、b3、c取决于龄期、灰砂比等因素。

由图9可知，质量浓度为75%处的抗拉强度增长率明显高于另外3种质量浓度，并且根据拟合曲线的函数关系，在质量浓度达到75%之后，较小的浓度提升都会显著增加尾砂胶结充填体的抗拉强度。在对比相邻灰砂比(如1∶4与1∶6、1∶6与1∶8)尾砂胶结充填体的抗拉强度时，低灰砂比质量浓度75%尾砂胶结充填体的抗拉强度要大于高灰砂比质量浓度70%、68%时的抗拉强度，说明在相同的抗拉强度需求下，将质量浓度提高至75%以上可以降低水泥含量，减少充填成本。

图9 抗拉强度随质量浓度的变化关系Fig.9 The relationship between tensile strength and slurry solid content

5 尾砂胶结充填体敏感性分析

通过上述分析得知，尾砂胶结充填体抗拉强度随灰砂比、质量浓度与龄期的变化各不相同，说明抗拉强度对这三种影响因素的敏感性不同。首先对比灰砂比与质量浓度的敏感性差异，比较灰砂比1∶4与质量浓度68%、灰砂比1∶6与质量浓度70%、灰砂比1∶8与质量浓度72%、灰砂比1∶10与质量浓度75%四种配比的抗拉强度。如此选择的原因在于这四组配比是将四种灰砂比和质量浓度按照一高一低的方式组合，对比这四种组合的抗拉强度可以定性分析灰砂比与质量浓度影响程度的大小。

从图10可以看出，大多数情况下随着灰砂比的降低，尾砂胶结充填体的抗拉强度也随之降低，抗拉强度降低的幅度随着质量浓度的提高而降低。当龄期为7 d和14 d时，灰砂比1∶10、质量浓度75%的尾砂胶结充填体抗拉强度并不是四种配比里的最低值，说明尾砂胶结充填体抗拉强度对灰砂比的敏感性高于质量浓度，但当质量浓度≥75%，质量浓度对尾砂胶结充填体抗拉强度的影响程度逐渐向灰砂比靠近。

图10 相同龄期，不同配比条件下尾砂胶结充填体抗拉强度Fig.10 Tensile strength of cemented backfill with different cement-sand ratio and slurry solid content at the same curing ages

之前的研究表明，质量浓度≥75%时尾砂胶结充填体抗拉强度的敏感性有较大变化，因此在比较对质量浓度与龄期的敏感性差异时选择质量浓度72%与龄期7 d、质量浓度70%与龄期14 d、质量浓度68%与龄期28 d三种工况下尾砂胶结充填体的抗拉强度。从图11中可以看到，尾砂胶结充填体抗拉强度的变化不尽相同，当灰砂比为1∶6和1∶10时，三种组合的抗拉强度几乎相等，表明尾砂胶结充填体抗拉强度对这两种因素的敏感性接近。因此，尾砂胶结充填体抗拉强度对灰砂比的敏感程度最高，对龄期的变化相对不敏感。

图11 相同灰砂比，不同质量浓度和龄期条件下的尾砂胶结充填体抗拉强度Fig.11 Tensile strength of cemented tailings backfill with different slurry solid content and curing ages at the same cement-sand ratio

6 结 论

针对尾砂胶结充填体抗拉强度测试以及变化规律方面存在的空白，本文提出了一种利用压-拉转换装置带模加载的直接拉伸试验法，设计加工了相应的试验装置与养护模具，使用该方法获得了47种工况尾砂胶结充填体的抗拉强度，并分析了抗拉强度分别随灰砂比、质量浓度、龄期的变化规律，得到了以下结论。

1)利用压-拉转换的方式对尾砂胶结充填体进行直接拉伸试验是可行的，但不便对抗拉强度小于100 kPa的充填体进行试验。

2)尾砂胶结充填体抗拉强度随灰砂比、质量浓度和龄期的变化关系可以分别用线性函数、指数函数和对数函数表示。

3)当质量浓度≥75%时，较小的浓度提升会显著增加尾砂胶结充填体的抗拉强度，在相同的抗拉强度需求下，将质量浓度提高至75%以上可以降低水泥用，降低充填成本。

4)灰砂比对于尾砂胶结充填体抗拉强度的影响最大，其次是≥75%的质量浓度，龄期与其他质量浓度对抗拉强度的影响相差不大。