粗骨料充填料浆泌水特性及其对充填体性能的影响

徐毅安 邓博团

(1.安阳职业技术学院建筑工程系,河南 安阳 455000;2.西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西 西安 710054)

近年来,随着矿产资源的不断回采,使得地表堆存的选厂尾砂和废石等固体废弃材料日益增多,对矿山安全生产及其周边的自然环境带来了巨大的压力,严重制约了矿山的可持续发展[1-5]。粗骨料充填是将废石作为粗骨料,尾砂作为细颗粒按照一定的比例与水泥、水进行搭配制备成充填料浆,经过管道输送至采空区,从而达到充填采场支撑围岩的目的[6-8]。因此,充填体的强度对于维护采场稳定具有非常重要的作用。现有研究表明:水泥含量、质量浓度、外加剂等因素均能够对充填体强度产生显著的影响,并且水泥含量与质量浓度的增大能显著提高充填体的强度[9-11]。然而,充填料浆经过管道输送至采空区后,势必会发生沉降,尤其是粗骨料充填体中的粗颗粒沉降会更加明显,并且充填料浆中的自由水也会随着颗粒的沉降自行泌出,从而导致料浆浓度与室内设计值存在一定的误差。因此,有必要针对粗骨料充填料浆的泌水性能进行研究。

目前,不少学者对于充填体的强度及流变性能开展了较为系统的研究工作。侯永强等[12]开展了充填体的室内力学试验,得出纤维的掺入能够显著改善充填体的力学性能;赵康等[13]通过超细尾砂充填体的力学性能试验,得出纤维的掺入能够提高超细尾砂充填体的强度;王永岩等[14]针对尾砂充填体抗压强度低、水泥消耗较大的问题,通过室内试验对其配比参数进行了研究;胡亚飞等[15]通过响应面设计进行了充填体的配比试验,得出充填体强度的增长规律,并进行了参数优化。可见,现阶段对于充填料浆的研究多集中在固化强度上,对于充填料浆泌水特性的分析涉及较少,并且针对粗骨料充填料浆泌水特性的影响及其对充填体性能影响的研究较为薄弱。因此,本研究针对粗骨料充填料浆的泌水特性进行研究,分析料浆泌水率变化对充填体性能的影响规律,为粗骨料充填体性能分析及参数设计提供参考。

1 试验材料及方案设计

试验采用的材料为尾砂、废石及棒磨砂,废石和棒磨砂作为粗骨料与尾砂进行搭配使用作为充填骨料。试验材料的化学成分组成见表1。由表1可知:骨料间的化学成分具有一定的差异,但均主要由SiO2组成,不具备活性,能够作为充填骨料进行使用。

表1 试验材料的化学成分Table 1 Chemical composition of test materials %

试验设计开展3类配比参数下的充填料浆泌水试验,具体包括尾砂+水泥、废石+尾砂+水泥,主要分析浓度、水泥含量、粗颗粒掺量对料浆泌水性能的影响规律。尾砂+水泥的试验参数为:试验设计的料浆浓度为67%～70%,水泥掺量为270～330 kg/m3;废石+尾砂+水泥的试验参数一致,具体为:料浆浓度为76%～79%,砂灰比为4～5,粗骨料含量为40%～70%(等质量替代尾砂)。此外,在测试料浆泌水性能的同时,采用相同配比参数下的料浆进行坍落度测试,以探讨料浆泌水参数与其坍落度之间的关系,从而揭示泌水率对充填体流动性能的影响规律。

2 试验结果及分析

2.1 全尾+水泥料浆泌水参数变化特征

2.1.1 料浆质量浓度对泌水率的影响

不同水泥掺量下,尾砂充填料浆泌水参数的变化特征如图1所示。由图1可知:充填料浆质量浓度是影响料浆泌水率的关键因素之一,充填料浆泌水率与浓度间呈负相关关系,伴随着料浆浓度不断增大,料浆的泌水率呈不断下降趋势,原因在于料浆浓度越高,拌合用水量越少,充填料浆静置过程中,充填料颗粒能够吸收一部分水,因此随着浓度不断增大,可泌出的水也逐渐减少,从而导致充填料浆泌水率不断降低[16]。

图1 不同水泥掺量下料浆泌水率随质量浓度的变化特征Fig.1 Variation characteristics of slurry bleeding rate with mass concentration under different cement content

2.1.2 水泥掺量对泌水率的影响

不同充填料浆质量下,料浆的泌水率随水泥掺量的变化特征如图2所示。由图2可知:水泥掺量的变化也会对泌水率产生一定的影响,即泌水率随着水泥掺量的增加表现出不断减小的趋势,说明水泥掺量也是料浆泌水率的影响因素。当料浆质量浓度为67%时,随着水泥掺量由270 kg/m3增加至310 kg/m3,料浆的泌水率降低了14.3%;当料浆质量浓度为68%时,随着水泥掺量由270 kg/m3增加至310 kg/m3,料浆的泌水率降低了24.3%;当料浆质量浓度为69%时,随着水泥掺量由270 kg/m3增加至310 kg/m3,料浆的泌水率降低了17.8%;当料浆质量浓度为70%时,随着水泥掺量由270 kg/m3增加至310 kg/m3,料浆的泌水率降低了47.6%。可见,料浆泌水率的降幅随着水泥掺量的增加逐渐增大,说明浓度越高时,增加水泥掺量会增大其对泌水率的不利影响。水泥的水化反应会消耗自由水,因此水泥掺量的增加会导致料浆自由水减少,从而降低了泌水率[17]。

图2 不同质量浓度下泌水率随水泥掺量的变化特征Fig.2 Characteristics of bleeding rate with cement content under different mass concentrations

2.2 废石+尾砂料浆泌水参数变化特征

2.2.1 料浆质量浓度对泌水率的影响

废石尾砂充填料浆泌水率随质量浓度的变化特征如图3所示。由图3可知:在不同的砂灰比及粗骨料掺量下,质量浓度与泌水率间呈现出明显的负相关关系,即料浆的泌水率随着质量浓度的增加表现出不断减小趋势,说明质量浓度的增大会对泌水率参数产生不利的影响。在砂灰比为4和5的情况下,当粗骨料掺量为40%时,料浆质量浓度由76%增加至79%,泌水率降低了60.9%、46.4%;当粗骨料掺量为50%时,料浆质量浓度由76%增加至79%,泌水率降低了67.7%、55.2%;当废石掺量为60%时,料浆质量浓度由76%增加至79%,泌水率降低了62.4%、55.7%;当粗骨料掺量为70%时,料浆质量浓度由76%增加至79%,泌水率降低了42.3%、35.4%。因此,随着粗骨料掺量的增加,泌水率的降幅表现出不断减小趋势,说明粗骨料掺量的增加能够降低质量浓度增加对泌水率带来的不利影响。在废石掺量为70%的条件下,料浆的泌水率降幅最小,说明随着浓度增加,此时浆体的泌水率不会随着浓度的增加而大幅度降低,充填料浆仍然处于过饱和状态,具有较好的流动性[18]。

图3 废石尾砂充填料浆泌水率随质量浓度的变化特征Fig.3 Variation characteristics of bleeding rate of waste rock tailing filling slurry with mass concentrations

2.2.2 砂灰比对料浆泌水率的影响

粗骨料掺量为40%～70%时,不同砂灰比下料浆泌水率的变化特征如图4所示。由图4可知:当粗骨料掺量和质量浓度均固定不变时,砂灰比为5的料浆泌水率远高于砂灰比为4的料浆泌水率,说明砂灰比的增大提高了料浆的泌水率。料浆泌水率随着砂灰比的增大而增大,其原因在于砂灰比越大,意味着水泥含量也逐渐降低,参与水化反应的自由水含量也逐渐降低,因此在静置过程中会有更多的自由水泌出,从而导致料浆泌水率随着砂灰比的增加而增大。

图4 不同粗骨料掺量下充填料浆泌水率随砂灰比的变化特征Fig.4 Variation characteristics of bleeding rate of filling slurry with sand-cement ratio under different coarse aggregate content

2.2.3 粗骨料掺量对料浆泌水率的影响

废石尾砂料浆泌水率随粗骨料掺量的变化特征如图5所示。由图5可知:废石尾砂料浆的泌水率与粗骨料掺量具有明显的正相关关系,即料浆的泌水率随着粗骨料掺量的增加呈不断增大趋势,说明粗骨料掺量的增加能够增大料浆的泌水性。在砂灰比在4和5情况下,当质量浓度为76%时,粗骨料掺量由40%增加至70%,料浆的泌水率分别增大了72.6%、67.9%;当质量浓度为77%时,粗骨料掺量由40%增加至70%,料浆的泌水率分别增大了74.2%、68.6%;当质量浓度为78%时,粗骨料掺量由40%增加至70%,料浆的泌水率分别增大了71.1%、64.1%;当质量浓度为79%时,粗骨料掺量由40%增加至70%,料浆的泌水率分别增大了81.2%、72.2%。可见,掺入废石后,料浆的泌水率虽然呈上升趋势,但在不同质量浓度下,浆体泌水率的增幅具有较大差别,浓度越高,泌水率的增幅也越大。因此,若在采用全尾砂混合骨料充填时,在强度满足要求的前提下,可增加废石掺量,不仅能有效改善充填体强度,也能改善浆体的流动性。

图5 废石尾砂料浆泌水率随粗骨料掺量的变化特征Fig.5 Variation characteristics of bleeding rate of waste rock tailing slurry with coarse aggregate content

2.3 泌水率变化对料浆流动性能的影响

当砂灰比为4、充填料浆质量浓度为76%时,随着粗骨料掺量由40%增加至70%,料浆的泌水率分别为2.81%、4.21%、7.95%及10.25%,对应的坍落度分别为 16.0、24.9、27.0、28.1 cm(图 6(a));当砂灰比为5、质量浓度为76%时,随着粗骨料掺量由40%增加至 70%,料浆的泌水率分别为 3.66%、5.16%、9.11%及 11.41%,对应的坍落度分别为19.4、25.0、27.0、28.5 cm(图6(b))。 而当料浆坍落度高于25 cm时,浆体具有较好的输送性能[17]。综合分析坍落度与料浆泌水率的关系可知,当浓度为76%时,砂灰比4、5对应的充填料浆合理的泌水率参数范围分别为4.21%～10.25%及5.16～11.41%。因此,通过分析料浆泌水率与坍落度之间的关系,并根据泌水率参数的变化可大致判断料浆的输送性能。

图6 不同砂灰比下不同料浆泌水率与坍落度间的关系Fig.6 Relationship between bleeding rate and slump of different slurry under different sand-cement ratio

3 结 论

(1)采用全尾砂作为骨料进行泌水率试验时,充填料浆泌水率与浓度呈负相关关系,随着料浆浓度不断增大,料浆的泌水率呈不断下降趋势。此外,泌水率的降幅随着水泥掺量的增加逐渐降低,说明水泥含量的增加能够降低质量浓度对泌水率的不利影响。

(2)采用尾砂作为骨料、且泌水率相近时,料浆质量浓度明显低于废石尾砂料浆的质量浓度,说明掺入废石后能够有助于矿山实现高浓度料浆充填,可大幅度提高充填料浆浓度。

(3)当采用废石、尾砂作为骨料进行泌水率试验时,料浆的泌水率随着质量浓度的增加不断减小,但随着粗骨料掺量的增加,泌水率降幅呈不断减小趋势,说明粗骨料掺量的增加能够降低质量浓度增加对泌水率的不利影响。料浆泌水率随着水泥含量的增加不断降低,并且浓度越高时,增加水泥掺量会增大其对泌水率的不利影响。

(4)料浆泌水率与坍落度之间存在明显的正相关关系,即料浆的坍落度随着泌水率的增加表现出逐渐增大的趋势。通过分析料浆泌水率与坍落度之间的关系,并根据泌水率参数的变化可定性判断料浆的输送性能。