废石尾砂胶结充填体强度与水灰比关系研究

吴祥辉 朱 斌 王鹏华

(1.西北有色地质矿业集团有限公司；2.渭南市环境科学研究所)

充填料浆一般由水、水泥和骨料3部分组成，这3种材料的不同配比形成不同性能的料浆。在实际生产中，骨料、水和水泥的用量存在最优配合比，以达到成本最低、强度最高和工业要求。水灰比对胶结体初期强度起着重要的作用。水灰比为单位体积料浆中水与水泥的质量比。在灰砂比和料浆浓度等条件相同的情况下，水灰比对胶结体强度影响很大。大量的研究和实际经验表明，胶结体强度随水灰比的减小而增加。如果水灰比过小，直接影响水泥的水化反应和料浆流动性能；如果水灰比过大，料浆将会出现严重的离析现象，胶结体强度大大降低，直接影响使用效果[1-4]。因此，深入研究胶结体强度与水灰比关系，寻求料浆组成最佳配比，对工业生产有重要的指导意义和实际应用价值。

1 试验材料及方法

试验中所使用的骨料为废石(-8 mm)和尾砂。室内试验测定废石集料的密度为2.799 t/m3，孔隙度为0.376；试验测定的尾砂密度为2.441 t/m3，孔隙度为0.478。

本次试验选定废石尾砂比为7∶3，料浆质量浓度设计为76%、77%、78%、79%、80%、81%、82% ，单位体积料浆水泥用量分别为60，80，100，120，140，160，180，200，220，240，260，280，300 kg。试验中，根据自密实充填特点，试块装模时自然装填，不振动，不捣实。根据充填技术标准，用电子秤计量(精确到克)，人工搅拌，选用100 mm×100 mm×100 mm钢制模具制作试件，用SBY-300型恒温恒湿标准养护箱按温度28 ℃、湿度85%条件对试块进行标准养护[5]。

2 试验测试结果及分析

用NYL-600型压力试验机对试件28 d抗压强度值进行测定，得到91个试验值，结果见表1。

表1 试块28 d单轴抗压强度

续表

根据试验方案及结果，作出水灰比与强度关系散点图(图1)。根据图形走势，初选4种函数模型对水灰比与强度关系进行回归拟合。

图1 水灰比与强度关系散点

(1)幂函数模型为

y=axb,

(1)

式中，x为水灰比；y为试块28 d强度，MPa；a、b为回归系数。

使用回归分析软件进行回归拟合，结果见图2。方差分析结果见表2。

图2 幂函数拟合结果

项目自由度平方和均方差FProb>F回归22 326.936 081 163.468 044 917.907 60残差8921.055 430.236 58未修正和912 347.991 5修正和90644.643 69

方程显著性检验为F=4 917.91>F0.995(2,89)=6.07>F0.99(2,89)=5.18，属高度显著[6]。

(2)双曲线函数模型为

(2)

式中，x为水灰比；y为试块28 d强度，MPa；T1、T2为回归系数。

使用分析回归软件进行回归拟合，结果见图3。方差分析结果见表3。

图3 双曲线函数拟合结果

项目自由度平方和均方差FProb>F回归22 203.444 781 101.722 39678.350 170残差89144.546 721.624 12未修正和912 347.991 5修正和90644.643 69

方程显著性检验为F=678.35>F0.995(2,89)=6.07>F0.99(2,89)=5.18，属高度显著。

(3)倒指数函数模型为

y=aeb/x,

(3)

式中，x为水灰比；y为试块28 d强度，MPa；a、b为回归系数,b>0。

使用分析回归软件进行回归拟合，结果见图4。方差分析结果见表4。

图4 倒指数函数拟合结果

项目自由度平方和均方差FProb>F回归22 289.125 591 144.562 791 730.476 560残差8958.865 920.661 41未修正和912 347.991 5修正和90644.643 69

方程显著性检验为F=1 730.48>F0.995(2,89)=6.07>F0.99(2,89)=5.18，属高度显著。

(4)一阶衰减指数函数为

y=A1e-x/t1+y0，

(4)

式中，x为水灰比；y为试块28 d强度，MPa；A1、t1、y0为回归系数。

使用分析回归软件进行回归拟合，结果如图5所示。方差分析结果见表5。

图5 一阶衰减指数函数拟合结果

项目自由度平方和均方差FProb>F回归32 333.411 37777.803 794 694.518 90残差8814.580 140.165 68未修正和912 347.991 5修正和90644.643 69

方程显著性检验为F=4 694.52>F0.995(3,88)=5.01>F0.99(3,88)=4.33，属高度显著。

3 结 论

(1)由方差分析结果可知，4种函数模型均有较大的显著性检验值F，查表可知，拟合方程均高度显著[6]。

(2)用幂函数模型表达水灰比与强度关系，具有一定的适用性，相关系数平方为0.966 97，误差平方和只占到总离差平方和不到4%，能较为准确地反映出两者之间的内在关系，同时也验证了Arioglu模型的适用性[7-8]。

(3)双曲线函数模型拟合结果相关系数偏低，误差平方和占到总离差平方和近23%，说明该函数模型不适合表达水灰比与强度的关系。

(4)倒指数函数模型拟合相关系数较双曲线模型有大幅提高，但误差平方和占到总离差平方和近10%，误差仍然较大。

(5)一阶衰减指数函数模型具有最高的拟合相关系数0.976 87，误差平方和占到总离差平方和不到3%，说明使用该函数模型表达水灰比与强度之间关系，误差最小，结果最精确，拟合度最高。

(6)模型中尚未考虑灰砂比和骨料堆积密实度2个重要因素对充填体强度的影响，强度预测结果难免出现一定偏差。因此，作为今后进一步研究的方向，综合分析多因素对充填体强度的影响，全面反映各因素与强度之间的关系，该模型仍有完善空间。