膏体早期超声波特性研究

牛雷雷，朱万成，张 瑞，赵园春，李 智，韩明讯(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

矿山开采过程中不仅会形成大量的采空区，而且会产生大量尾矿，大量采空区会引起地表沉降甚至塌陷，而尾矿堆积在尾矿库占用土地资源并污染环境。将尾矿制备成充填体充入采空区，不仅解决了尾矿对土地资源的占用而且有益于环境保护，采空区被充入尾矿后会改善围岩的稳定性进而减弱地表沉降[1-2]。膏体充填材料具有浓度高、流动状态为柱塞结构、料浆不离析、填充体压缩率低等特点，使得膏体充填成为一种受欢迎的充填采矿法。膏体充填在短期内形成具有一定强度的支护体以维持围岩稳定和防止地表沉降，膏体作为支护体，其稳定与否是充填效果好坏的重要依据，因此有关膏体固化过程的研究已成为当前的热点[3-6]。

膏体硬化过程受诸多因素的影响，国内外学者主要从水化、硬化以及力学特性等角度出发，通过改变膏体原料的配比开展相关试验，研究膏体硬化过程的应力、应变、刚度和强度等宏观力学行为的变化规律[7-10]。现有研究集中于较长养护周期的膏体特性探讨[11-15]，由于膏体养护初期的力学参数较难测定，膏体在制备完成短期内的水化反应及初凝过程尚未研究清楚，因此，本文针对膏体48 h内的变化进行测试，研究其养护初期的特性。

声发射和超声波测速均被视为能够测定和评估岩石及混凝土材料声学特性的有效手段[16-22]。然而对于膏体这种软弱材料，早期的硬化过程没有明显的脆性特征和强度特性，声发射现象很难观测到[23]。超声波可以用来量化砂浆、混凝土等胶凝材料的硬化过程[24-25]，并且超声波特性与胶凝材料的硬化过程有明显的相关性[26-28]。ROBEYST等[29]通过利用超声波技术测定不同矿渣掺量的混凝土验证了用超声特性表征胶凝材料凝结过程的有效性，并发现凝结过程与波速-时间曲线之间存在对应关系。BELIE等[30]利用超声波研究了不同外加剂对喷射混凝土用砂浆的凝结和硬化过程，结果表明超声能量与砂浆凝结过程密切相关，这说明超声特性对砂浆的硬化过程较敏感。DELRO等[31]通过利用超声设备检测混凝土，表明混凝土试件的抗压强度与P波波速之间存在指数关系。KRAUß[32]借助超声技术确定了混凝土的初始水化程度，并提出了确定最终凝结时间上下界的方法。AGGELIS等[33-34]基于超声波技术研究了声波在新制混凝土中的弥散特性。REINHARDT[35]建立了一种基于超声波检测的混凝土质量控制装置，实测结果表明初凝时间可由波速确定，而终凝时间不易定量表征。KAMADA等[36]从宏观和微观两个层面探究了超声波传播特性与水泥砂浆凝结、硬化特性之间的关系，认为波形最大幅值可充分反映水泥砂浆抗剪强度的变化。ZHANG等[37]和LIU等[38]利用胶凝材料现场超声监测试验，分析了水灰比、温度、骨料、矿物附加剂等因素对早期混凝土微观结构演化特征的影响。虽然超声波检测技术已被广泛应用于混凝土类材料的特性检验中，并且一系列研究结果充分说明了胶凝类材料与超声特性之间的相关性，但是膏体与混凝土基材料微观结构及性质之间存在较大差异，所以开展膏体相关的超声特性研究仍然十分必要。因此，本文采用超声无损监测装置对制备48 h内膏体初凝过程展开研究，分析不同胶结剂含量和不同养护龄期膏体的声学特性，进而为膏体早期的强度形成和初凝测试提供参考。

1 试验系统及试样制备

1.1 充填体超声特性检测试验系统

超声无损检测系统被广泛用于混凝土材料物理力学性能测定之中，本文将其应用于充填体硬化过程测试。如图1所示，充填体超声特性检测试验系统由超声发射源、发射探头、膏体试件、接收探头、示波器和计算机分析系统等装置组成。超声信号由发射源发出，分两条路径传入示波器，一条直接传入示波器，另一条依次经发射探头、试件、接收探头传入示波器，由此形成闭合回路，示波器采集到的超声波波形存储在计算机中。超声波信号经过膏体之后波形特性会产生变化，通过持续监测膏体在48 h内的超声波波形，分析充填体硬化过程中的声波特性。

图1 充填体超声特性检测试验系统示意图Fig.1 Experimental system of ultrasonic wave characteristic test

1.2 试样制备

本文制作的膏体试样由人工硅尾砂、胶结剂和水等三部分组成。其中，胶结剂是普通硅酸盐水泥Ⅰ型，试验用水为自来水，胶结尾砂为重量含量百分数为99.8%的人工硅尾砂。本文试验所用尾砂和闫保旭等[5]论文中所用尾砂相同，几乎不含可能对试验分析造成干扰的其他化学成分，同时与山东黄金集团有限公司新城金矿尾矿的粒径分布相似，为以后试验结果在新城金矿充填采矿过程中充填体力学特性测试提供参考。如图2所示，借助Malvern Mastersizer 2000激光分析仪测试了人工硅尾砂的组成及粒径分布，粒径尺寸小于20 μm的细粒质量含量约为42%，根据粒径累计曲线、式(1)和式(2)，计算得到颗粒不均匀系数为17.7，曲率系数为1.3。

(1)

(2)

图2 人工硅尾砂粒径尺寸分布曲线Fig.2 Particle size distribution curves of silica tailings(资料来源：文献[26])

为了研究胶结剂含量对养护龄期在48 h以内的膏体超声特性的影响，分别制作了胶结剂含量为3%、5%和7%的三组膏体试样，其中膏体试样中固体含量为75%。首先，利用图3(a)所示的电子天平按照表1中的尾砂、胶结剂和水比例称取，表1中水灰比计算公式见式(3)；其次，将水、尾砂和胶结剂放入图3(a)所示搅拌设备中搅拌均匀，搅拌均匀后的膏体如图3(b)所示；再次，制备好的膏体迅速浇筑入50 mm×100 mm×100 mm的有机玻璃模具，并放入恒温恒湿箱进行养护；最后，每间隔2 h利用充填体超声特性检测试验系统对膏体试样进行测试(图3(c))。

水灰比=

(3)

式中，固体含量为试件中尾砂和胶结剂占试件质量的百分比。

图3 材料称量和搅拌设备及制备的膏体Fig.3 Weighing and stirring equipment and prepared cemented paste backfill

2 试验结果与讨论

2.1 膏体养护48 h内超声波波速变化特性

如图4(a)所示，A组试样中胶结剂含量为3%，随着膏体试样养护时间的增长，测得的超声波P波波速增大，波速与养护时间成指数曲线。由于膏体浓度为75%，制备完成后水含量较高， 超声波在液相介质中传播速度低于固相介质，因此，随着时间的推移，膏体中的胶结剂、尾砂和水等化学成分发生化学反应，试件内部水化产物逐渐增多，水含量降低，固相介质在整个膏体试件中占比增大，超声波在膏体试件中的传播速度增大。 在0～1 300 min内，P波波速随着时间的增大而近似线性增长，而在1 500 min后，P波波速的增长速率出现下降的趋势，但是整体上在48 h内超声波P波波速一直处于上升的趋势。这就表明在膏体试件养护的48 h之内，试件内部的水化反应尚未完全结束，但是养护的化学反应随着养护时间的增长逐渐衰弱。

表1 膏体试样原料配比Table 1 Raw material ratio of paste sample

如图4(b)所示，B组试样中胶结剂含量为5%，超声波P波速度同样随着养护时间增长而增大，并且其变化趋势和图4(a)中曲线相似，但是由于膏体试样中胶结剂含量增大，对试样中水化反应起到一定的抑制作用，导致B组试样超声P波的波速增长速率低于A组试样。

如图4(c)所示，C组试样中胶结剂含量为7%，随着膏体试样养护时间的增长，测得的超声波P波波速先保持稳定然后突然急速增大，最后再次保持稳定，这与前2组试样的波速随养护时间变化情况出现明显差异。在试样制作完成时，C组试样测得的波速初值相比A组试样和B组试样增大了约25%，但在前1 000 min内，波速几乎保持不变；在1 000～2 880 min内，波速急剧变化，增长速率先增大后减小，在接近2 000 min时出现增速最大值。 这可能是因为前1 000 min内，水化反应处于初期，水泥水化反应产物较少，导致的超声波波速增长较小；同时水化过程需要消耗较多水，进而产生较多的孔隙，导致超声波波速衰减较大。当胶结剂含量为7%时，水化反应产生孔隙，对波速衰减的影响和水化产物对波速增加的影响相当，超声波波速保持近似稳定。由于胶结剂含量增加产生的水化产物增多，因此C组试样测得的波速初值比A组和B组大。随着时间的增长，水化产物增多，尾砂颗粒和水化产物混合更加充分，试样整体的致密性急剧增强，超声P波波速急速增大。随着时间的推移，试样内部的水化反应逐渐减弱，导致水化产物的生成速度下降，超声P波波速增长速率也下降，但是养护48 h之内，试样内部的水化反应并未完全结束，因此波速仍在增长[26]。

图4 不同胶结剂含量膏体超声波速Fig.4 Ultrasonic wave velocity of paste with different cement content

综上所述，在养护时间48 h之内，随着养护时间的增长，超声P波的传播速度增大；随着胶结剂含量的增多，水化反应初期超声P波的传播速度增长速率降低；超声P波速度-养护龄期曲线变化从侧面可以反映试样中水化反应程度。

图5 不同胶结剂含量膏体超声频谱Fig.5 Ultrasonic spectrum of paste with differentcement content

2.2 膏体养护48 h内超声波频谱特性

如图5所示，将透过膏体试样接收到的超声波波形进行傅里叶变换，研究频域内养护时间和胶结剂含量对超声波特性的影响。如图5(a)所示，在500 min之内，超声波主要有2个频带，主频带为18～20 kHz，次频带为30～40 kHz，由于养护时间处于500 min之内，试样处于水化反应的初期，试样内部的水较多，同时存在水化产物、尾砂和胶结剂导致试样内部成分比较复杂，频率在20～30 kHz之间的超声波通过试样时衰减厉害。随着养护时间的增长，水化反应产物的增多和水分的减少，超声波透过试样之后频谱变得连续，同时主频带范围扩大，主要处于18～40 kHz，表明通过超声波频谱的变化可以推测水化反应的时间及剧烈程度。如图5(b)和图5(c)所示，养护时间500 min之内，超声波同样有2个频带，主频带为30～50 kHz，次频带为18～20 kHz，频率在20～30 kHz之间的超声波同样衰减剧烈。随着养护时间的增长，超声波的频带范围聚集到18～40 kHz之间。总体上，随着养护时间的增长，透过试样的超声波频谱有离散向中间集聚。在养护时间为1 250～2 000 min之间，图5(a)中频谱带比较连续，主要集中在18～40 kHz，同时频谱带变化不大；在图5(c)中，频谱带首先从2个频谱带18～20 kHz和30～50 kHz变化到1个频谱带18～20 kHz，然后再扩展到18～40 kHz。从图5(a)和图5(c)的对比可以看出，随着试样胶结剂含量的增加，试样的水化反应受到影响，结合图4中超声波波速的变化可知，胶结剂含量为3%试样的水化反应过程较平稳，胶结剂含量为7%试样的水化反应在养护时间1 250～2 000 min之间反应剧烈，造成超声波波速和频谱有较大的变化，超声波频谱向中间集聚的时间增长。

2.3 膏体养护48 h内超声波幅值衰减特性

超声波通过处于初凝期的膏体之后，波包中首个波形的幅值会衰减，超声波首波幅值的衰减程度可以在一定程度反应试样的初凝情况。如图6所示，随着养护龄期的增长，超声波首波幅值增加，这是由于在养护时间48 h之内，膏体中尾砂、水和胶结剂产生水化反应，导致膏体中的水减少而水化产物增多，因此随着龄期的增长，膏体的弹性模量和强度增大，超声波通过膏体首波幅值衰减幅度变小，首波幅值变大。对于不同胶结剂含量的膏体，相同养护龄期下，超声波通过膏体后幅值相近，表明在膏体初凝的48 h之内和胶结剂含量为3%～7%时，胶结剂的含量对超声波首波幅值衰减影响不大，超声波首波幅值对胶结剂含量不敏感。

图6 不同胶结剂含量膏体超声首波幅值Fig.6 Ultrasonic first wave amplitude of paste withdifferent cement content

3 结 论

本文对胶结剂含量和养护龄期不同的膏体试样开展了48 h内的超声波测试，分析了超声波的波速、频谱和首波幅值变化，得到的结论如下所述。

1) 在养护时间48 h之内，随着养护时间的增加，超声P波波速显著增大；随着胶结剂含量的增多，养护初期超声波的传播速度增长速率降低；超声P波速度-养护龄期曲线变化从侧面可以反应试样中水化反应程度。

2) 随着养护时间的增长，透过试样的超声波频谱有离散向中间集聚，随着试样胶结剂含量的增加，超声波频谱集聚时间增长。

3) 在养护时间48 h之内，透过膏体试样的超声波首波幅值随着养护龄期的增长而增大，但是首波幅值对胶结剂含量不敏感。

致谢在充填体的制备和测试过程中，东北大学的闫保旭和仝文慧给予大量帮助，在此特别感谢。