矿山充填新型胶凝材料添加量与充填体抗压强度关系研究

高志荣 蓝国龙 张 亭

（1.西北矿冶研究院；2.甘肃省深井高效开采与灾变控制工程实验室；3.内蒙古东升庙矿业有限责任公司）

矿产资源被誉为工业的粮食和血液［1］，矿业的发展，虽然为现代工业提供原材料，但是对生态环境产生了严重破坏。如何平衡矿山开采与环境保护之间的关系，成为本领域急需攻克的技术难题。

充填采矿法的成熟、规模和集成化应用无疑为矿业可持续发展指明了方向。据不完全统计，充填采矿法在有色金属地下矿山采出矿石比重从90年代的17%逐渐上升至45%［2］。充填采矿法固有无废、少废、安全、资源回收率高等优点，但由于充填成本较高，特别是胶结充填法中胶凝材料的价格，使许多矿山企业承担不起，导致未能采用。

寻求一种适合矿山充填要求且低成本的新型胶凝材料成为胶结充填采矿的关键。由于粉煤灰具有比表面积大、吸附性能良好等特点，在水泥、混凝土和建材生产有着广泛的应用。粉煤灰硅酸盐水泥因具有早期强度低、后期强度增进率大、和易性好、干缩性小、抗淡水和抗硫酸盐的腐蚀能力强和水化热低等独特性能而得到广泛应用。因此，粉煤灰的独特性亦能适合于矿山井下充填，在采空区胶结充填处理中，正好可以利用粉煤灰后期强度增进率大、强度高的特性，在确保满足充填体强度要求的前提下，适当地减少胶凝材料的添加量，从而降低充填成本。

该研究将以粉煤灰为主要对象，研发一种用于矿山井下充填的新型胶凝材料，并对利用新材料浇筑成的试块抗压强度及其添加量之间的数量关系进行探索，开辟粉煤灰在矿山胶结充填领域的利用途径。

1 试验原料

1.1 尾 砂

试验采用全尾砂，即选矿工艺流程处理完之后的拟排至尾矿库含所有粒径的尾砂。取样过程中为了保证取到全尾砂，避免矿浆中粗颗粒尾砂过早沉降、细颗粒尾砂漂流从而导致出现分级，采用桶接取尾矿浓密机底流矿浆。接取矿浆经沉淀去除水分、再经晾晒后用于试验。配制浇筑试块时需对尾砂所含水分进行检测，以确保所配浆体浓度的准确性。

尾砂的粒径分布不仅影响料浆的和易性，而且影响管道输送，充填体密实性、强度等，是充填设计中一项重要参数。试验中采用光谱粒度分析仪对尾砂粒径进行测定，检测结果见表1。

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1.2 胶凝材料

试验所用的胶凝材料是一种主要成分为粉煤灰的新型材料。此新型胶凝材料是在粉煤灰中加入一定量的活化剂和石膏，活化剂主要作用是激发粉煤灰的胶结性，石膏主要是改善流动性。

粉煤灰是由煤炭燃烧后从炉膛烟道气体中收集的一种粉末，是以硅、铝、钙等一种或多种氧化物为主要成分，具有一定细度、胶凝性能的粉体材料［3］。大量存在于煤电厂、冶炼厂和城市集中供热锅炉等用煤大户企业。据我国用煤情况，燃用1 t 煤约产生250～300 kg粉煤灰［4］。

随着我国工业的发展，粉煤灰排放量逐年增加，成为当前我国排量较大的工业废渣。大量的粉煤灰不加处理，会产生扬尘污染大气，排入水系造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害［5-8］。

2 配比试验

2.1 试验内容及试块制作

2.1.1 试验内容

在经过数次探索试验后，最终确定的试验方案是尾砂与胶凝材料的质量比为1∶4，1∶6，1∶8，1∶12，1∶16 共5 种，配制砂浆中固体质量浓度为64%，68%，72%3种，共计15组配比试验。

根据探索试验中试块前期强度增长较慢的特性，试块强度测试龄期按照7，14，28 d 设计。为保证每组不同龄期的试块至少有3 个能进行有效强度检测，开始浇筑时统一浇筑4 个，留有1 个备用。本次配比试验浇筑试块共计180个。

2.1.2 试块制作

按照试验方案确定的配比和浓度，采用精度为0.01 g的电子天平秤分别称取胶凝材料、尾砂和水。

将精确称量的3 种原料加入JJ-5 型水泥胶砂搅拌机进行充分搅拌，搅拌均匀后倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 砂浆试模。浇筑试块终凝脱模后，放入恒温恒湿养护箱养护到设计期龄取出后进行强度的检测［9］。试块砂浆搅拌及浇筑过程如图1 所示。

2.2 试块强度检测

试块强度检测采用RMT-301 力学实验系统，由计算机控制的多功能电液伺服试验机，主要用于混凝土和岩石一类材料的力学性能试验［9］。该系统试验过程中自动绘制试验参数曲线、计算试验数据，全程由计算机操作控制。

3 试验数据统计及初步分析

3.1 抗压强度统计

经RMT-301力学实验系统对所有期龄试块进行单轴抗压强度检测，按照现行国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2010），同组3 个试块强度最大值和最小值与中间值之差不超过15%的取算数平均值，有一个超过15%的取中间值，否则该组试件的强度不应作为评定的依据，须重新进行浇筑和检测［9］。

经统计，配比试验方案试块单轴抗压强度见表2。

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3.2 机理及数据分析

3.2.1 凝结硬化机理

试验中试块凝结硬化的主要原因是胶凝材料中粉煤灰所含的硅酸盐、铝酸盐和钙的氧化物，其硬化机理与水泥基本相似，不同点在于前期水化反应的表现。高钙粉煤灰通常加水后能有比较强烈的反应，而低钙粉灰这种水化反应则比较弱［10］。硬化后期，新型胶凝材料才开始表现出粉煤灰优良的性能，随着期龄的增长强度逐渐增大。试验中将部分试块养护至60 d 进行检测，其抗压强度较28 d 提高了69%～127%。

3.2.2 数据分析

从试验数据可以看出，影响试块强度的主要因素为浓度和配比。随着料浆浓度的增大，总体上试块各龄期的强度也逐渐增大；当料浆浓度一定时，胶凝材料在一定的范围内添加量越多，试块强度越大［9，11］。浓度对试块强度的影响主要表现在早期，而决定最终强度的主要还是配比，即胶凝材料的添加量。

4 强度增长数量关系研究

4.1 线性回归方程的建立

基于新型胶凝材料的凝结硬化机理研究和试块单轴抗压强度数据的初步分析，在一定范围内，试块抗压强度与胶凝材料的添加量存在某种线性数量关系。假设抗压强度（y）与主要影响因素胶凝材料的添加量（x）之间存在线性关系，则有

式中，e为估计y而产生的误差，在实际估算中是无法预测的，因而忽略。

每组配比胶凝材料添加量（xi）与对应的抗压强度（yi），即（xi，yi）为（x，y）样本中的一组数据，因而有

式中，n为样本组数，xi、yi为自变量x和因变量y的观察值或实际值（对于任何一个观察值都有一个拟合值或预测值［12］）；xˉ、yˉ为自变量x和因变量y的平均值。

将胶凝材料的添加量（xi）与对应的抗压强度（yi）代入式（2）～式（6）中，计算得到不同期龄线性方程式的a、b值。

经计算，7 d 时，a= -0.11，b= 3.5，y=3.5x-0.11；14 d 时，a= -0.42，b= 9.81，y= 9.81x-0.42；28 d 时，a=-0.71，b=20.60，y=20.6x-0.71。

4.2 相关性检验

利用相关系数检验法对建立的一元线性方程进行检验。相关系数是描述2 个变量之间线性相关关系密切程度的数量指标，用R表示。R的绝对值越接近1，表明其线性关系越好［13-14］。

相关系数检验公式为

将对应样本数据代入式（6）中，得到期龄7，14，28 d的相关系数：R7=0.72，R14=0.86，R28=0.93。

查阅相关系数检验表，R临界值为0.8。大于临界值，则变量x和y之间的线性关系成立；否则，不成立。

根据计算结果和临界值，期龄为7 d 的线性回归方程不成立，变量x（胶凝材料添加量）和y（单轴抗压强度）之间不存在线性关系，主要原因在于新型胶凝材料中粉煤灰前期水化反应不稳定。方程中线性关系最密切的是期龄28 d，其次是期龄14 d，从线性关系的密切程度侧面印证了粉煤灰凝结硬化时间较长、后期强度较高的特性。

5 结 论

（1）通过对试验原料选取方法、试块制作步骤及主要注意事项的介绍，让矿业领域专业人员较为详尽地了解试验内容。试验方案具有较强的可操作性和借鉴性，为同类型的试验研究提供了较高的参考价值。

（2）通过对试块凝结硬化机理的研究和抗压强度的统计分析，利用一元线性回归法拟合出新型胶凝材料添加量x和抗压强度y之间增长变化的数量关系，7 d 时，y=3.5x-0.11；14 d 时，y= 9.81x-0.42；28 d时，y=20.6x-0.71，可快速计算不同抗压强度要求下胶凝材料的添加量，为矿山胶结充填提供理论数据支撑。

（3）利用相关系数检验法得出新型胶凝材料添加量x和抗压强度y方程中线性关系最密切的是期龄28 d，其次是期龄14 d，从线性关系的密切程度侧面印证了粉煤灰凝结硬化时间较长、后期强度较高的特性。

（4）该探索研究在工程上大规模化的应用，既解决了粉煤灰大量堆放所引发的一系列环境问题，同时为采用胶结充填采矿法的矿山找到一种相对低成本的胶凝材料，降低了矿山井下充填成本，可以更广泛推广充填采矿法的应用。