减水剂对掺膨润土胶结充填体强度及流动性能的影响研究

曹宝栋 郭 攀

(1.内蒙古交通职业技术学院交通运输工程系,内蒙古 赤峰 024000;2.郑州大学水利与土木工程学院,河南 郑州 450000)

尾砂胶结充填技术不仅能够有效处理地表尾矿库堆存的全尾砂,并且能够安全、高效地回采井下矿体,已成为矿山首选的采矿方法[1-3]。当井下矿体顺利回采后,形成了一定区域面积的采空区,而当尾砂胶结充填料浆经过输送管道充入采空区后,充填料浆固化后存在不完全接顶的问题[4-5]。当充填体固化后与采空区顶板不接顶,存在的较大范围空隙会导致充填体无法充分发挥其支撑围岩、改善围岩应力状态的作用,不仅会对充填采矿作业造成一定的潜在危险,而且无法有效发挥充填体的作用,存在浪费资源的问题[6-9]。

在现有的改善充填接顶的技术措施中,添加膨润土是一种直接有效的方法,但在充填料浆中掺入一定的膨润土后会对充填体的力学性能产生不利影响。张友锋等[10]开展了多次冲击下掺膨润土胶结充填体力学特性的试验研究,得出充填体的抗冲击次数随膨润土掺量增加呈先降后增趋势,并且掺膨润土的充填体动态抗压强度增强因子均大于未掺膨润土充填体。徐文峰等[11]开展了含膨润土充填料浆泌水特性的试验研究,认为料浆浓度对总泌水率的影响最大,其次是膨润土掺量,灰砂比最小。余姚等[12]分析了膨润土对胶结充填体力学特性的影响,认为一定含量的膨润土有利于改善充填体的力学性能。此外,外加剂也能够有效改善充填体的力学及流动性能,如减水剂不仅能够提升充填体的流动性能,也能够在一定程度上改善充填体的力学性能。李茂辉等[13]开展了外加剂对新型全尾砂充填胶凝材料强度的影响研究,得出氨基磺酸盐减水剂能够显著改善充填料浆的流动性能。杨志强等[14]研究认为泵送减水剂不仅能够改善膏体料浆的流动性能,也能够提高其固化强度。何廷树等[15]研究反映出萘系减水剂的加入可以明显提升料浆的流动性能,并且提高硬化后充填体的强度。范作鹏等[16]开展了高效减水剂对全尾砂充填料性能的影响研究,认为减水剂有利于提高料浆的流动性。综上分析可知,不少学者针对减水剂、膨润土对充填体力学及流动性能的影响开展了较为系统的研究工作,并取得了一定的进展,但目前关于减水剂对掺膨润土胶结充填体强度及流动性能的分析比较薄弱,有待开展深入研究。

本研究在前人成果的基础上,开展减水剂对掺膨润土胶结充填体强度及流动性能的试验研究,分析减水剂、膨润土对胶结充填体强度及流动性能的影响规律。

1 试验材料

试验采用的充填骨料为全尾砂,其化学成分见表1,粒径分布特征见表2。由表1和表2可知:尾砂化学成分中没有对充填体强度不利的化学元素,并且尾砂的曲率和不均匀系数均在合理参数取值范围内,说明尾砂适合作为充填骨料制备充填体。减水剂类型为聚羧酸高效减水剂(粉体)。胶凝胶凝材料为P.C.32.5R普通硅酸型水泥。膨润土为常用的膨润土,主要成分为蒙脱石。

表1 尾砂的化学成分组成Table 1 Chemical composition of tailings %

表2 粒径分布特征Table 2 Particle size distribution characteristics

2 试验方案

充填体的基础配比参数设计为:灰砂比为1∶4、1∶5、1∶6、1∶8,质量浓度为75%。膨润土的掺量设计为0%、5%、10%、15%。减水剂掺量设计为0%、0.15%、0.25%、0.35%。此外,膨润土及减水剂的掺量均为胶凝材料的质量分数。充填体试样的制备过程为:将膨润土与水泥、尾砂混合后进行搅拌,在搅拌均匀后加入水制备成充填料浆,在测定完料浆的坍落度后将料浆放入模具中制备充填体试样,并测定试样3、7、28 d的抗压强度。

3 试验结果与分析

3.1 膨润土对充填料浆流动性能的影响

不同膨润土含量下的料浆坍落度变化特征如图1所示。由图1可知:膨润土掺量与料浆坍落度呈现出明显的负相关关系,即随着膨润土掺量增加,料浆坍落度表现出明显降低趋势,说明掺入膨润土会对料浆的流动性能产生不利影响。当膨润土掺量固定不变时,料浆的坍落度指标随着砂灰比增大表现出逐渐增大趋势,说明水泥含量降低会导致坍落度出现增大趋势。原因在于水泥水化反应会消耗浆体的自由水,而砂灰比增大意味着水泥含量逐渐降低,从而导致浆体内的自由水消耗量减少,因此料浆的坍落度表现出增大趋势。膨润土对料浆坍落度造成不利影响的原因在于膨润土颗粒具有一定的吸水性,颗粒的吸水特性会消耗一部分自由水,从而对料浆的流动性能产生不利影响[17-19]。

图1 料浆的坍落度与膨润土掺量间的关系曲线Fig.1 Relationship curves between slump of slurry and bentonite content

3.2 减水剂对充填料浆流动性能的影响

加入减水剂后充填料浆坍落度指标的变化特征如图2所示。从图2(a)中可以看出,当砂灰比固定不变时,随着减水剂含量增加,料浆的坍落度表现出明显增大趋势,说明掺入一定量的减水剂能够改善料浆的流动性能。当砂灰比为4时,随着减水剂掺量从0%增加至0.35%,料浆的坍落度总体上增大了2.4%;当砂灰比为5时,随着减水剂掺量从0%增加至0.35%,料浆的坍落度总体上增大了2.6%;当砂灰比为6和8时,随着减水剂掺量从0%增加至0.35%,料浆的坍落度总体上增大了3.9%和4.2%。因此,水泥含量的差异也能够影响减水剂对料浆坍落度的改善效果,即减水剂掺量对料浆流动性能的改善效果随着水泥含量减小而增大。从图2(b)中可以看出,减水剂的掺入也能够改善含膨润土的胶结充填料浆的流动性,即料浆的坍落度也随着减水剂掺量增加而增大,说明减水剂的掺入可以有效处理膨润土对料浆流动性的不利影响。

图2 含减水剂的充填料浆坍落度指标变化特征Fig.2 Variation characteristics of slump of filling slurry containing water reducing agent

3.3 膨润土对胶结充填体抗压强度的影响

充填体3、7、28 d抗压强度与膨润土含量的关系曲线如图3至图5所示。

图3 充填体3 d抗压强度与膨润土含量间的关系曲线Fig.3 Relationship curves between 3 d compressive strength of backfill and bentonite content

由图3可知:当膨润土含量固定不变时,随着砂灰比增大,充填体的3 d抗压强度表现出明显降低趋势,并且在不同的膨润土含量下,充填体的抗压强度降幅存在一定的差异。当膨润土含量分别为0%、5%、10%及15%时,随着砂灰比由4增大至8,充填体的3 d抗压强度分别下降了55.3%、0.63%、73.5%及72.3%,反映出当膨润土含量越高时,充填体3 d抗压强度下降的幅度也就越大。此外,当砂灰比固定不变时,充填体3 d抗压强度与膨润土之间表现出明显的负相关关系,即充填体3 d抗压强度随着膨润土含量增加而降低,说明膨润土含量增加会对充填体3 d抗压强度产生不利影响。由图4和图5可知:当砂灰比固定不变时,胶结充填体7 d和28 d抗压强度随着膨润土含量增加也均表现出明显降低趋势,说明膨润土掺量增加也对充填体7 d及28 d抗压强度产生了不利影响。此外,当膨润土含量分别为0%、5%、10%、15%时,随着砂灰比由4增大至8,充填体的7 d抗压强度分别下降了48.1%、48.9%、51.3%、52.3%,充填体的28 d抗压强度分别下降了42.8%、45.3%、48.6%、49.7%。由此可见,当膨润土含量越高时,充填体7 d及28 d抗压强度下降幅度越大,说明充填体7 d及28 d抗压强度对砂灰比的敏感性随着膨润土含量增加而增大。然而,通过对比可以看出,随着养护龄期增加,充填体3、7、28 d抗压强度随着膨润土掺量增加而下降的幅度随着龄期延长而降低,说明养护龄期延长能够在一定程度上降低膨润土对充填体抗压强度的不利影响。

图4 充填体7 d抗压强度与膨润土含量间的关系曲线Fig.4 Relationship curves between 7 d compressive strength of backfill and bentonite content

图5 胶结充填体28 d抗压强度随膨润土含量的关系曲线Fig.5 Relationship curves between 3 d compressive strength of backfill and bentonite content

3.4 减水剂对胶结充填体抗压强度的影响

掺入膨润土与未掺膨润土的胶结充填体3、7、28 d抗压强度随着减水剂含量的变化特征如图6至图8所示。

图6 胶结充填体3 d抗压强度随减水剂含量的变化特征Fig.6 Variation characteristics of 3 d compressive strength of backfill with water reducer content

由图6可知:无论是否掺入膨润土,胶结充填体3 d抗压强度与减水剂含量之间均表现出明显的正相关关系,即胶结充填体3 d抗压强度均随着减水剂含量增加而不断增大,说明减水剂的掺入有利于提高充填体的3 d抗压强度。此外,无论减水剂取何掺量水平,胶结充填体的3 d抗压强度均随着砂灰比增大而减小,但充填体3 d抗压强度的降幅与减水剂掺量也有一定的关系。当添加膨润土时,随着减水剂掺量从0%增加至0.35%,砂灰比为4、5、6、8的充填体3 d抗压强度分别增大了2.1%、1.7%、1.6%及1.4%,掺入了膨润土的充填体3 d抗压强度则分别增大了1.9%、1.7%、2.1%、2.3%。因此,当掺入减水剂后,砂灰比越小的充填体强度增幅略高于砂灰比越高的充填体抗压强度增幅,并且膨润土的掺入不会影响减水剂对充填体3 d抗压强度的改善效果。此外,通过图7和图8可以看出:无论是否掺入膨润土,胶结充填体7 d和28 d抗压强度与减水剂含量之间也表现出明显的正相关关系,即胶结充填体7 d和28 d抗压强度也均随着减水剂含量增加而不断增大,说明减水剂的掺入有利于提高充填体的7 d和28 d抗压强度。因此,掺入减水剂能够改善充填体的抗压强度,膨润土的掺入不会影响减水剂对胶结充填体强度的改善效果,并且掺入减水剂也能够在一定程度上弥补膨润土对充填体抗压强度的不利影响。减水剂能够影响充填体强度的原因在于减水剂可以释放尾砂中的絮团水,使得水化产物能够与尾砂颗粒充分黏结,提高了充填体微观结构的致密性,从而提升了充填体的强度[5]。

图7 胶结充填体7 d抗压强度随减水剂含量的变化特征Fig.7 Variation characteristics of 7 d compressive strength of backfill with water reducer content

图8 胶结充填体28 d抗压强度随减水剂含量的变化特征Fig.8 Variation characteristics of 28 d compressive strength of backfill with water reducer content

4 结 论

(1)膨润土与料浆坍落度之间呈现出明显的负相关关系,当膨润土含量不断增大时,料浆坍落度表现出明显降低趋势,说明掺入膨润土会对料浆的流动性能产生不利影响。减水剂的掺入能够改善含有膨润土胶结充填料浆的流动性,并且减水剂的掺入可以缓解膨润土对料浆流动性的不利影响。

(2)掺入膨润土会对充填体强度产生不利影响,并且膨润土含量越高时,充填体强度的降低幅度越大。此外,养护龄期延长能够在一定程度上降低膨润土对充填体抗压强度的不利影响。

(3)掺入减水剂能够改善充填体的抗压强度,而膨润土的掺入不会影响减水剂对胶结充填体强度的改善效果,膨润土对强度的不利影响程度也随着减水剂含量增加而逐渐降低,说明减水剂可有效改善膨润土充填体的力学性能。