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探讨胶结充填体强度与超声波波速的关联性

2020-10-20 271 上传者：管理员

摘要：为研究胶结充填体超声波脉冲速度与单轴抗压强度之间的关系,设计了料浆质量分数、灰砂比、养护时间、减水剂掺量对超声波脉冲速度和单轴抗压强度的影响试验,结果表明:超声波脉冲速度与单轴抗压强度均随料浆质量分数、灰砂比、养护时间及减水剂掺量(饱和掺量之前)的增大而增大,但是与单轴抗压强度相比,超声波脉冲速度对这些因素的敏感性较弱;当减水剂掺量为饱和掺量(0.25%)时,超声波脉冲速度与单轴抗压强度均达到最大值;建立了基于超声波脉冲速度的胶结充填体单轴抗压强度预测模型,发现超声波脉冲速度与单轴抗压强度之间存在明显的二项式关系,相关系数达到了0.94;根据该模型,可用超声波脉冲速度准确快捷地预测胶结充填体的单轴抗压强度。

关键词：
单轴抗压强度
强度预测模型
料浆质量分数
矿业工程
胶结充填体
超声波脉冲速度
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选矿产生的尾砂通常被堆存于地表的尾矿库中,随着存放量的增加,尾矿库溃坝的风险越来越大;另外,尾矿库库容不足也是目前很多矿山面临的难题。一些尾砂含有有害物质,堆放在地表会污染土地及水资源。通过胶结充填技术,将尾砂与胶凝材料、水混合,形成一定浓度的充填料浆,通过泵送或自流的方式充入空区,既能保障空区安全,又解决了尾砂占用土地和污染环境的问题。

充填至空区的料浆经过一段时间后,会形成具有一定强度的材料。单轴抗压强度SUC是表征胶结充填体性质的重要参数。若SUC过低,无法有效支撑顶板;若SUC过高,会增加材料成本。目前获得胶结充填体SUC的方法是进行单轴抗压实验,尽管该方法准确性较高,但却费时费料,在需要进行大量实验时,成本问题愈加突出;因此,充填体SUC的预测具有重要的现实意义。梁栋等[1]利用回归分析,建立了多因素充填体强度预测模型,该模型考虑了尾砂级配、水灰比、料浆体积分数等因素。付自国等[2]引入固体填充率的概念,同时考虑了水灰比、养护龄期,建立了胶结充填体的三变量强度预测模型。魏微与师子刚[3]综合考虑了胶砂比及胶凝材料配比两个因素,建立了GA-BP神经网络强度模型。董越等[4]利用正交试验样本,综合考虑了水泥熟料、脱硫灰渣、芒硝和钢渣掺量,建立了正交试验协同BP神经网络的充填体强度预测模型。上述研究成果为充填体SUC的预测提供了很多有益参考,但均存在考虑因素过少、不易于现场实施等缺点,因此有必要提出一种普适性强、易于现场操作、准确性高的充填体SUC预测方法。

超声波技术具有无损检测的优点,在现场和实验室条件下均易于应用。通过测量超声波脉冲速度VUP来估计混凝土或岩石强度已成为目前的一种常用手段[5],但利用VUP来估算胶结充填体强度的研究甚少[6],掺聚羧酸减水剂的胶结充填体VUP性能研究也鲜有报道。基于此,本文开展了充填体SUC与VUP试验研究,建立了基于VUP的充填体SUC预测模型。

1、试验材料

本试验采用的材料有:全尾砂、水泥、水及减水剂等。其中全尾砂来自某铁矿,主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3组成,可视为惰性材料,其主要物理参数见表1。水泥为普通硅酸盐水泥,标号为42.5,其主要物理化学参数见表2。试验用水选择自来水,减水剂选用聚羧酸减水剂,固体质量分数为20%。

表1全尾砂主要物理参数

表2水泥主要物理化学参数

2、试验内容

2.1试验方案

分别考虑料浆质量分数、灰砂比、聚羧酸减水剂掺量对SUC和VUP的影响。预试验结果表明,当料浆质量分数为70%～78%时,充填料浆流动性良好。灰砂比根据矿山实际情况确定。试验方案见表3。

表3试验方案

注:减水剂掺量表示减水剂与水泥的质量百分比。

2.2试验过程

按照试验方案准备材料,先将干料(水泥与尾砂)放入搅拌机搅拌3min,待搅拌均匀后加入水和减水剂,搅拌5min;将制备好的料浆注入壁面涂有黄油的塑料模具中,模具尺寸为50mm×100mm(直径×高),注满后将试件振动数下以排出气泡;最后将模具口用胶带密封,放入标准养护箱中养护;达到养护时间时,取出脱模。首先进行VUP测试,测试前先磨平圆柱试样的端面,再涂凡士林以填补端面空隙;随后进行SUC试验。各配比均进行3次试验,以保证结果的准确性。

3、试验结果分析

3.1料浆质量分数对SUC和VUP的影响

图1为充填体在灰砂比(1∶6)固定的情况下,VUP与SUC随料浆质量分数(70%～78%)与养护时间(3d、28d)的变化曲线。由图1可知,SUC随料浆质量分数的增大而增大,如当料浆质量分数从70%增加到78%、养护时间为3d时,SUC相应地从0.89MPa增加到2.25MPa。这是因为料浆质量分数增大会减少体系内水分含量,从而降低了孔隙率[7]。此外,SUC与养护时间也成正相关,即养护时间越长,SUC越高。如当料浆质量分数固定为70%,养护时间从3d增加到28d时,SUC相应地从0.89MPa增加到了1.76MPa。这是由于随着时间的增加,胶凝材料的水化产物越来越多,进一步填充了体系的孔隙,使得充填体愈加密实,从而提高了强度[8]。

从图1中还可以看出,VUP和SUC与料浆质量分数、养护时间的关系相似。当料浆质量分数与养护时间均增加时,VUP也随之增大。如当料浆质量分数从70%增加到78%、养护时间为3d时,VUP相应地从2007.88m/s增至2338.71m/s;当料浆质量分数固定为70%、养护时间从3d增加到28d时,VUP相应地从2007.88m/s增加到2343.14m/s。由此可以看出,VUP与SUC必然存在一定联系。

图1料浆质量分数与养护时间对SUC和VUP的影响

3.2灰砂比对SUC和VUP的影响

当料浆质量分数固定为74%时,无论养护时间为3d还是28d,SUC随灰砂比(1∶4～1∶10)的减小呈不断降低的趋势,如图2所示。

图2灰砂比与养护时间对SUC和VUP的影响

由图2可知,当养护时间为3d、灰砂比从1∶4减小到1∶10时,SUC从2.13MPa减小到0.45MPa。灰砂比是胶凝材料与尾砂骨料的比例,因此当灰砂比增大时,水泥掺量也增加,在其他条件相同的情况下,必定会产生更多的水化产物(如C-S-H凝胶),从而提高强度[9]。VUP随灰砂比、养护时间的增加而增大。如当养护时间为3d、灰砂比从1∶10增加到1∶4时,VUP从1949.51m/s增加到2330.42m/s。由此进一步表明,充填体的SUC与VUP之间存在一定关联。

3.3聚羧酸减水剂对SUC和VUP的影响

图3为灰砂比与料浆质量分数固定(1∶8、72%)时,不同减水剂掺量下SUC和VUP的变化情况。由图3可以看出,SUC随减水剂掺量的增加呈先增加后略下降的趋势,表明存在一个饱和减水剂掺量,使充填体强度达到最大,文献[10]也揭示了类似规律。由图3可知,饱和减水剂掺量为0.25%。聚羧酸减水剂是通过静电排斥作用和位阻作用分散颗粒絮团,释放“包裹水”,从而达到减水的目的[11]。此外,聚羧酸减水剂还可促进水泥水化,生成更多的水化产物,从而提高强度[12]。VUP随减水剂掺量的变化规律与SUC相似。

图3减水剂掺量对SUC和VUP的影响

尽管VUP随料浆质量分数、灰砂比、养护时间及减水剂掺量的变化趋势与SUC类似,但是各自的变化量级存在差异;VUP、SUC对4个影响因素的敏感性是不一样的,有必要进一步探究充填体VUP与SUC之间的关系。

3.4SUC和VUP之间的关系

为研究SUC和VUP之间的关系,将不同配比下充填体的VUP与SUC绘于同一坐标图中,见图4。从图4可以看出,VUP越大,SUC越大。为进一步量化这种关系,分别采用指数、线性、对数及二项式函数对数据进行拟合,结果见表4。由表4可知,充填体VUP与SUC之间存在明显的二项式关系,相关系数达到了0.94,这表明利用充填体的VUP来预测SUC是合理且准确的。

图4充填体VUP与SUC的关系曲线

表4基于VUP的SUC预测模型

注:x代表VUP,m/s;y代表SUC,MPa。

4、结论

a.充填体的VUP随着料浆质量分数、灰砂比、养护时间及减水剂掺量(饱和掺量之前)的增大而增加。但是与SUC相比,VUP对这些因素的敏感性较弱。

b.存在一个饱和聚羧酸减水剂掺量,使得VUP与SUC最大。即当减水剂掺量小于该值时,VUP与SUC随之增加而增大;而当超过该值时,VUP与SUC随之减小而减小。本试验中的饱和聚羧酸减水剂掺量为0.25%。

c.充填体VUP与SUC之间存在明显的二项式关系,表达式为SUC=4×10-6VUP2-0.0156VUP+14.551。根据该模型,可以利用VUP准确且快捷地预测胶结充填体的SUC。

参考文献：

[1]梁栋,乔登攀,谢锦程.级配对胶结充填体强度的影响分析及胶结强度模型[J].化工矿物与加工,2019,48(10):23-27.

[2]付自国,乔登攀,郭忠林,等.超细尾砂胶结充填体强度计算模型及应用[J].岩土力学,2018,39(9):3147-3156.

[3]魏微,师子刚.基于GA-BP神经网络模型的充填体强度预测[J].化工矿物与加工,2018,47(4):22-25.

[4]董越,杨志强,高谦.正交试验协同BP神经网络模型预测充填体强度[J].材料导报,2018,32(6):1032-1036.