不同形状尺寸充填试样强度研究

叶光祥，解联库，郭利杰，刘光生，王 贺

(1.赣州有色冶金研究所，江西 赣州 241000；2.北京矿冶研究总院，北京 100160)



不同形状尺寸充填试样强度研究

叶光祥1，解联库2，郭利杰2，刘光生2，王 贺2

(1.赣州有色冶金研究所，江西 赣州 241000；2.北京矿冶研究总院，北京 100160)

通过开展不同形状、尺寸充填试样单轴抗压试验，进行全尾砂胶结充填体强度尺寸效应研究，探究全尾砂胶结充填体尺寸效应现象及不同形状与尺度充填试样间的强度换算。研究表明：在料浆砂灰比和浓度相同条件下，大尺寸充填试样抗压强度高于小尺寸充填试样；各形状及尺寸充填试样强度呈幂函数关系，强度间换算关系与砂灰比及料浆浓度无关，可由同一函数表达。

全尾砂胶结充填体；单轴抗压强度；尺寸效应；强度换算

尺寸效应指的是在材料的性能测试中，一些性能参数随着材料结构尺寸的变化而发生变化的现象[1-2]。充填体试样的强度不仅与充填体料浆浓度、料浆砂灰比、充填体养护龄期等因素有关，还与充填体尺寸和形状有关，这一现象就叫做充填体的强度尺寸效应。早在1925年，Gonnerman就注意到了水泥混凝土材料的强度尺寸效应现象，由此诸多学者开始了关于材料强度尺寸效应的研究[3]。研究的重点主要集中在两个方面：材料强度尺寸效应规律及材料强度尺寸效应影响因素。在混凝土的抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度的尺寸效应研究中，抗压强度尺寸效应的研究成为大家最为关注的一项指标，因此此次试验重点研究充填体抗压强度尺寸效应研究。

关于充填体强度尺寸效应的研究，郭利杰[4]研究了尾砂胶结充填体强度与试样尺寸和几何形状之间的关系，研究指出，充填体强度随着试样尺寸的增加而减小，呈非线性变化。成祖国[5]通过对试验室充填体试样制备与矿山现场充填过程的不同，研究了实验室充填体试样与现场充填体强度差别，试验证明，矿山现场充填体强度明显低于实验室充填测试结果。

现阶段，矿山充填体强度性能指标主要来源于实验室条件下小尺寸试样的充填配比实验。但由于行业还未形成关于该实验的任何规范和标准，各实验室所用充填试模形状、大小不一。各试验室所用充填试模主要分为立方体试模和圆柱体试模，常用立方体试模规格有7.07cm×7.07cm×7.07cm、10.0cm×10.0cm×10.0cm和15.0cm×15.0cm×15.0cm，圆柱试模直径大小不等，高径比为2∶1。试模形状及尺寸的不同造成各试样性能指标也不一样，如何让实验室小尺寸试样结果对真实的采空区充填体结构有更好的指导意义和实用性，开展尺寸效应对充填材料强度的影响实验及不同形态充填试样强度换算具有重要意义。

1 试验方案设计

1.1 充填配比材料

尾砂：试验所用尾砂为某铜矿一期尾矿库中全尾砂，密度2.88g/cm3，容重1.91 g/cm3，孔隙率33.68%。

水泥：水泥为矿山当地产32.5级普通硅酸盐水泥，容重为3.0 g/cm3。

水：水为实验室用水，密度1.0g/cm3。

1.2 充填试模设计

本文主要针对充填体强度尺寸效应进行研究，并试图建立不同形状和尺寸充填试样强度间联系，根据国内现阶段实验室常用试模形状和尺寸，本研究采用3种形状及尺寸试模进行试验，如图1所示。图1(a)为混凝土标准立方体试模，7.07cm×7.07cm×7.07cm立方体。图1(b)和(c)为自制圆柱体试模，φ5.13cm×10cm圆柱试模由PVC管加工而成，φ7.08cm×14.2cm圆柱试模由PV管加工而成。加工流程为：用车床进行切割制成设计长度短管，采用与其配套使用的水头作为模底，并用螺旋钻打孔，采用水管专用胶(硬聚氯乙烯胶粘剂)进行粘合，上部采用配套使用的水管接头作为浮模。

1.3 充填配比试验

此次充填配比试验控制参数主要有料浆砂灰比和料浆浓度，依据国内充填试验及矿山常用充填料浆浓度和砂灰比，选定充填配比参数值，料浆浓度为65%、68%、70%和72%，砂灰比为4∶1、6∶1、8∶1和10∶1，进行三种试模充填配比全面试验。

图1 充填试样模型形状与尺寸

1.4 试样制作

按照充填配比试验要求进行试样的制作、脱模、养护，养护条件为湿度≥90%，温度为20±1℃，养护龄期为28天。

2 充填体强度尺寸效应研究

试样28天养护期结束，选用YAW-600微机控制电液伺服压力试验机对试样进行单轴抗压试验，共得到4×4×3=48组试验结果。试验结果见表1。

表1 单轴抗压试验结果

2.1 料浆浓度对充填试样强度尺寸效应影响分析

在相同料浆浓度条件下，各尺寸充填体料浆砂灰比—单轴抗压强度关系曲线如图2所示。

由图2曲线可以看出：①同一料浆浓度下，各尺寸充填体强度均随着砂灰比的增大而减小，两者呈指数函数关系，随着砂灰比的不断增大，充填体强度趋于稳定，此时强度趋于稳定；②相同料浆浓度和砂灰比情况下，比较圆柱体试样抗压强度大小发现：φ7.08cm×14.2cm圆柱体>φ5.13cm×10cm圆柱体，这说明全尾砂胶结充填体单轴抗压强度存在尺寸效应，实验室条件下全尾砂胶结充填体试样单轴抗压强度随着试样尺寸的增加而增加；③对比φ7.08cm×14.2cm圆柱体试样与7.07cm×7.07cm×7.07cm立方体试样单轴抗压强度，发现7.07cm×7.07cm×7.07cm立方体试样强度更大。这是由于试件受端部效应影响引起的。当试样由上、下两个铁板加压时，铁板与试件端部之间存在摩擦力，试件端部存在剪应力，阻止试件端部侧向变形，试件端部应力是不均匀的，只有在离开端面一定距离的部位，才会出现均匀应力。圆柱体试样高径比为2∶1，比立方体试样高径比大，试样中部出现均匀应力状态，受端部效应影响较小，因而其单轴抗压强度相比较小。

2.2 料浆浓度对充填试样强度尺寸效应影响分析

在相同料浆砂灰比条件下，各尺寸充填体料浆浓度—单轴抗压强度关系曲线如图3所示。通过图3可以看出：①随着料浆浓度的增大，各尺寸充填体强度增大，两者呈指数关系；②观察充填体强度随料浆浓度的变化曲线，可知，当料浆浓度小于69%时，充填体强度随料浆浓度缓慢增长；当料浆浓度大于69%时，充填体强度随料浆浓度急速增加。

图2 不同尺寸充填体强度随砂灰比变化对比图

图3 不同尺寸充填体强度随料浆浓度的变化

初步分析认为：当料浆浓度较低时，料浆分层离析较为严重，不同粒径颗粒分布不均，造成试样孔隙增多、残缺增大，因而试样强度较低，增幅不大。当料浆浓度高于该浓度时，料浆分层离析大大减小，试样强度也有了大幅提高。

2.3 圆柱体试样与立方体试样强度换算

分别以圆柱体试样和立方体试样单轴抗压强度为x轴和y轴。以相同料浆浓度和砂灰比条件下，圆柱体与立方体抗压强度为强度换算点坐标x值和y值，并拟合曲线，拟合曲线如图4所示。

图4(a)为φ5.13cm×10cm圆柱体试样与7.07cm×7.07cm×7.07cm立方体试样间的强度换算拟合曲线。图4(b)为φ7.08cm×14.2cm圆柱体试样与7.07立方体试样单轴抗压强度换算拟合曲线。结合图4、表3，我们发现：各形状及尺寸的全尾砂胶结充填体单轴抗压强度呈幂函数关系。两曲线拟合参数R2>0.95，曲线拟合效果较好；各浓度条件下强度换算点交错分布于拟合曲线两边，所有点离散程度很低。

图4 圆柱体试样与立方体试样单轴抗压强度换算

通过以上分析，可以认为在实验条件下(砂灰比4∶1～10∶1，料浆浓度65%～72%)，不同形状或尺寸的充填体间强度换算与砂灰比和料浆浓度无关，可由同一函数表达。

3 结论

研究通过三种形状和尺寸充填试样配比试验，进行试样抗压强度试验，共得到48组试验结果，通过对试验数据的分析，主要得到以下结论。

1)相同料浆浓度和砂灰比情况下，不同形状尺寸全尾砂胶结充填体单轴抗压强度大小关系为：7.07cm×7.07cm×7.07cm立方体>φ7.08cm×14.2cm圆柱体>φ5.13cm×10cm圆柱体，全尾砂胶结充填体单轴抗压强度存在尺寸效应。

2)各形状及尺寸的全尾砂胶结充填体单轴抗压强度呈幂函数关系，且在砂灰比为4∶1～10∶1及料浆浓度为65%～72%条件下，各形状及尺寸的全尾砂胶结充填体单轴抗压强度换算与砂灰比及料浆浓度无关，可由同一函数表达。

[1] 石建新.浆体膨胀充填材料性能研究与应用[M].徐州：中国矿业大学出版社，2013.

[2] 黄煜镔.混凝土脆性与力学参数的尺寸效应及其相互关系的研究[D].重庆：重庆大学，2002.

[3] 冷发光，邢锋，冯乃谦,等.粉煤灰高性能混凝土试件强度尺寸效应研究[J].混凝土，2000(12)：18-19，54.

[4] 郭利杰.尾砂胶结充填体抗压强度的尺寸效应研究[J].铀矿冶，2008，27(12)：61-63.

[5] 成祖国.矿山充填体强度与实验室充填体试件强度对比研究[J].采矿技术，2012，12(5)：25-26，70.

国家自然资源和地理空间基础信息库建成

从国家发改委获悉，我国第一个跨部门、军民结合的大型国家级基础性信息库——国家自然资源和地理空间基础信息库建设项目通过验收并正式投入运行。

国家自然资源和地理空间基础信息库是国家确定建设的国家电子政务四大基础信息库之一，由国家发展改革委牵头，会同国土资源部等10个国务院有关部门、单位和军队有关方面共同建设，其运行服务对于促进我国国民经济和社会信息化建设，进一步提高宏观管理和决策水平，提升我国可持续发展的能力具有重要意义。

Study on the strength of packing specimens in different shape or size

YE Guang-xiang1，XIE Lian-ku2，GUO Li-jie2，LIU Guang-sheng2，WANG He2
(1.Ganzhou Research Institute of Non-Ferrous Metallurgy,Ganzhou 341000,China;2.Beijing General Research Institure of Mining & Metallurgy，Beijing 100160，China)

This paper focuses on the size effect for compress strength of cemented tailings backfill，which obtained by uniaxial compression test with packing specimens in different shape or size，aiming to explore the size effect for compress strength of cemented tailings backfill phenomenon and the strength conversion among the backfill with different shape or size.The test results show that the compress strength of a bigger size filling body is higher than that of a smaller one；The relationship of uniaxial compress strength among is a power function，the strength conversion of backfill between different shape or size can be expressed by a same function which is independent with tailing-cements ratio and slurry concentration.

cemented unclassified tailings backfill；compress strength；size effect；strength conversion

2014-09-09

国家科技支撑计划项目资助(编号：2013BAB02B02)

叶光祥(1989-)，男，江西赣州人，研究生，主要从事矿山岩石力学和矿山充填开采研究。E-mail：ygx912441832@163.com。

TD853.343

A

1004-4051(2015)10-0128-04