基于正交试验的充填材料改性最优配合比及其机理研究_南秋彩.pdf

第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 在矿山采矿工程中，充填采矿法已取得了广泛 应用[1-2]。充填体材料的物理和力学性能对矿山采矿 工程的安全性有直接影响[3]。充填体浆料一般由水、 骨料、胶凝材料和外掺料按一定比例配制拌和， 在 一定养护时间内固结硬化形成具有一定强度的充填 体[4]。外掺料的加入可以通过各物料之间的物理化 学反应提高充填体材料在充填采矿工程中的适用 性，经过改性的材料不仅对于采矿的安全性有实际 基金项目 河南省高等学校重点科研资助项目 （18B560006） ； 河南 省科技攻关资助项目 （182102310800） 基于正交试验的充填材料改性最优配合比 及其机理研究 南秋彩 1， 2 （1．黄河交通学院 交通工程学院， 河南 焦作 454950； 2．武汉大学 岩土与结构工程安全湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430000） 摘要 为了改善充填体在抗折强度、 收缩和抗冲刷性能方面的不足， 用现代材料改性技术对充 填体材料进行最优配合比的研究。采用脱硫石膏、 石灰、 粉煤灰、 水泥和尾矿砂粗骨料作为试验 材料， 通过正交试验的方法系统研究了几种外掺料在骨料中的比例料对试件强度性能、 收缩率 的抗水性能的影响程度， 并采用扫描电子显微镜对改性的微观机理进行了探究。试验结果表明 改性充填体材料的最佳配合比为 骨料 56％、 粉煤灰掺量 4％、 石灰掺量 10％、 石膏掺量 10％、 水 泥掺量 20％。外掺料分别从物理和化学 2 方面对生土材料的性能进行了改良； 孔隙结构的改变 和粒间黏聚力的增强是强度、 收缩和抗水性能提高的根本原因。 关键词 充填材料； 正交试验； 改性机理； 扫描电镜； 改性技术 中图分类号 TD315．3文献标志码 A文章编号 1003－496X （2020） 04－0052-05 Research on Optimum Mix Proportion and Modification Mechanism of Backfill Materials Based on Orthogonal Tests NAN Qiucai1,2 （1．Department of Traffic Engineering, Huanghe Jiaotong University, Jiaozuo 454950, China;2.Hubei Key Laboratory of Geotechnical and Structural Engineering Safety, Wuhan University, Wuhan 430000, China） Abstract To improve the strength, shrinkage and erosion resistance of backfill material, the research on the optimum mix ratio was studied by modern material modification technology． Using desulphurized gypsum, lime, fly ash, portland cement and tailings sand coarse aggregate as experimental materials to study the influence of the proportion of several admixtures in aggregate on the strength and shrinkage of the specimen by orthogonal tests． The microscopic mechanism of the modification was investigated by scanning electron microscope． The results show that the optimum mixing ratio of the modified filling material is 56 aggregate, 4 fly ash, 10 lime, 10 gypsum and 20 cement． External admixtures have improved the properties of raw soil materials from physical and chemical aspects, and the change of pore structure and the enhancement of particle adhesion are the fundamental reasons for the improvement of strength, shrinkage and water resistance． Key words backfill material; orthogonal test; modification mechanism; SEM; material modification technology DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．04．011 南秋彩．基于正交试验的充填材料改性最优配合比及其机理研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4） 52-56． NAN Qiucai． Research on Optimum Mix Proportion and Modification Mechanism of Backfill Materials Based on Orthogonal Tests ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 52-56．移动扫码阅读 52 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 图 1尾矿砂 XRD 衍射图谱 Fig．1XRD diffraction pattern of tailing sand 应用意义，对于新型生态环保材料的研发也有一定 贡献，是实现矿山的无废开采和减小安全隐患的理 想途径[5-7]。李茂辉等[5]人为了提高充填采矿的经济 效益和粉煤灰的资源利用率，采用粉煤灰作为胶凝 材料进行充填体水化机理的研究和强度试验；徐文 彬[8]通过不同水泥和胶结剂配比的充填浆料的强度 试验结果，分析了不同全尾砂充填体胶凝成岩的微 观规律； Swift 等[9]采用粉煤灰和石灰材料组成聚合 剂以改良岩石裂缝的充填体的力学性能； Nabass[10] 通过对一定配合比的充填体试样的直剪试验，给出 了胶结充填体和岩壁界面的剪切强度（摩擦强度） 的试验结果。 总的来说，在浆料材料中配合外加剂和外掺料 是有效提高充填体材料在采矿工程中的适用性的重 要手段，但其改良效果与骨料性质和外加剂的种类 与掺合量均有重要联系，需要根据具体材料情况开 展研究[11]。正交试验是对多因素和多水平的试验进 行方案设计的 1 种方法，其最突出的优点就是可以 大大减少试验组数[11-13]。为此以金川矿的全尾砂为 充填骨料材料的主要来源，采用正交试验的方法， 系统研究了脱硫石膏、消石灰、粉煤灰和水泥对材 料性能进行改良的最佳配合比，希望通过试验改善 充填体材料在抗折强度、收缩性和耐水性能方面的 不良物理力学性能从而更好为充填采矿工程提供性 能优良、 绿色环保的材料。 1材料及其试验方法 1．1试验材料 试验的原料为金川矿的全尾砂、 水泥、 粉煤灰、 石灰、脱硫石膏和水，粉煤灰和石膏材料由金川矿 当地的发电厂提供，石灰为生石灰粉，所用水泥为 标号 32．5普通硅酸盐水泥。金川尾矿砂属于酸性 尾矿， 其质量系数为 0．93， 活性系数为 0．46， 属于二 类品质尾矿。尾矿砂 XRD 衍射图谱如图 1， 对尾矿 进行 XRD 衍射图谱分析， 可以看出尾矿砂的矿物组 成主要为石英、 方解石、 透辉石和绿泥石， 也含有少 量的硫矿、绢云母和黄铁矿等。尾矿砂的颗粒粒级 分布情况见表 1，可以看出尾矿砂的颗粒粒径主要 分布在 0．5～10．0 mm 范围内，占到总体成分的 80 以上，而低于 0．5 mm 和高于 10．0 mm 直径的尾砂 颗粒的含量均较少。 1．2试验方法 1．2．1充填体试样 将尾砂骨料、 粉煤灰、 石灰、 脱硫石膏和硅酸盐 水泥、水和少量减水剂按一定比例在常温下充分搅 拌均匀后制成充填浆料。控制固体和水的比为 1∶ 0．2， 使浆料在尽量不损失强度的条件下得到较好的 流动性，采用搅拌机充分拌合浆料后注入相应的模 具中， 在相对湿度为 90和温度为 （202 ）℃的条件 下养护 28 d。 1．2．2强度试验 强度试验所采用的仪器是液压伺服式万能试验 机。强度试验所用样品规格为 40 mm40 mm160 mm 的棱柱体， 参照 GB/T 176711999 水泥胶砂强 度检验方法 （ISO） 国家标准进行[15]。在进行强度测 试时， 先测定抗折强度， 然后取折断棱柱体的两半分 别进行抗压强度试验。每组抗折强度试验使用 3 个 试件， 结果以平均值为准， 当某一试件强度与均值强 度差值大于 10， 将其剔除再取均值。同样的， 每组 抗压强度试验测定 6 个抗压强度值，结果以 6 个测 定值的平均值为准，若有 1 个测定值与平均值相差 大于 10， 将此测定值剔除， 取剩下的 5 个值的平 均值。当 5 个测定值中继续存在与均值相差大于 10的数据时， 此组结果作废， 重新进行试验。 1．2．3测定收缩率 养护成型后测量棱柱体试样浇筑完成时的干燥 表 1尾矿颗粒粒径分布 Table 1Physical properties of tailing sand 颗粒粒径 d/mm成分比例/ d≤0．05 0．05＜d≤0．1 0．1＜d≤0．2 0．2＜d≤0．5 0．5＜d≤1．0 1．0＜d≤2．0 2．0＜d≤5．0 5．0＜d≤10．0 d＞10．0 0．5 3．5 2．5 5．6 21．3 12．7 11．6 26．9 3．8 53 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 表 3正交试验结果 Table 3Orthogonal experiment results 组别 各材料掺量/ 抗折 强度 /MPa 抗压 强度 /MPa 收缩 率/ 冲刷损 失系数 / 水泥石灰 粉煤灰 石膏 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 10 10 10 10 15 15 15 15 20 20 20 20 25 25 25 25 0 4 6 8 0 4 6 8 0 4 6 8 0 4 6 8 0 5 10 15 0 5 10 15 0 5 10 15 0 5 10 15 0 5 10 15 0 5 10 15 0 5 10 15 0 5 10 15 1.53 2.23 2.51 2.79 2.14 2.45 2.67 2.82 2.43 2.60 2.78 2.69 2.22 2.64 2.71 2.57 2.66 4.45 4.77 4.82 2.81 4.67 4.76 4.80 4.34 4.66 4.87 6.02 4.30 5.15 6.45 6.46 5.5 3.3 2.5 1.8 5.8 3.5 2.8 1.9 5.9 3.1 2.4 1.6 5.7 2.9 1.5 1.4 2.4 1.7 1.4 1.2 2.9 2.1 1.3 1.0 2.3 1.6 1.2 0.9 2.1 1.5 0.9 0.8 表 2正交试验的因素和水平 Table 2Factors and levels of the orthogonal experiment 收缩值， 每组试验测定 3 个试件的收缩率， 结果以 3 个试件的平均值为准，若有 1 个测定值与平均值之 差大于 10， 将其剔除； 若有 2 个测定值超过 20， 则该组试验无效， 重新制模测定。 收缩率 εst应按 （1） 式进行计算。 εst L0-Lt L-Ld 100（1） 式中 L0为初始长度； Lt试件成型后 t 时间的长 度； L 试件的标准长度； Ld为 2 个收缩头埋入砂浆中 的长度之和； εst为养护 t 时间的自然干燥收缩值； t 为养护时间， 取 28 d。 1.2.4耐水试验 在测试材料抗冲刷性能的试验中采用 70.7 mm70.7 mm 70.7 mm 的立方体试件， 每组试验准 备 3 个试样， 养护 28 d 后分别称重。试验采用自制 模拟降雨冲刷装置，控制冲水水压为 0.04 MPa， 喷 头距离试件 50 cm，控制冲刷时间为 30 min，每次 试验相当于 1 次特大暴雨的降水量。对 2 个试件同 时进行冲刷试验，待冲刷结束后对 2 个试件称量质 量。由于冲刷进行过程中试样会吸水增加含水量， 因此必须对冲刷试验的质量损失进行标定。标定方 法是在 1、 2试样冲刷进行的同时，将 3试件浸泡 于水中，试验结束后称重。采用冲刷的质量损失获 取生土材料的冲刷系数。 αst ms-ma ms 100（2） 式中 αst为养护 t 时间的冲刷系数， 试验中 t 取 28 d， αst的值越大代表材料抗冲刷的能力越弱； ms 为试样的标定质量， g； ma为试件冲刷试验后的平均 质量， g。 2充填体材料的最优配合比 2.1正交试验 正交试验是根据试验中的条件、因素和水平制 定正交试验表和试验计划，从而进行试验的方法， 其优势是可以在较少的试验次数的情况下获取最优 的试验结果。本试验根据材料的具体情况设计了 4 因素 4 水平的正交试验以获取，正交试验因素和水 平见表 2。 通过正交试验的四水平四因素的分析可以得到 12 组试样的配合比， 正交试验结果见表 3。 经过分析由表 3 可以看出 1） 各外掺料的含量对生土材料的抗折强度影响 的大小排序为 水泥＞脱硫石膏＞粉煤灰＞石灰。 2） 对抗压强度影响的大小排序为 脱硫石膏＞ 水泥＞粉煤灰＞石灰。 3） 对收缩系数影响的大小排序为 粉煤灰＞石 灰＞脱硫石膏＞水泥。 4） 对冲刷损失系数影响的大小排序为 脱硫石 膏＞粉煤灰＞石灰＞水泥。 2.2最优方案确定 在正交试验中的设计因素和水平与强度、收缩 和抗冲刷的性能指标有关，应选择最有利于重点关 注指标提高的水平。对于充填体材料，主要应解决 其抗折强度、 收缩性能和抗冲刷性能不足的问题， 从 表 3 的正交试验结果可知，抗折强度的最优方案为 A4B2C3D3， 即水泥掺量 20、 石灰掺量 6、 粉煤灰 掺量 10和脱硫石膏掺量 10； 收缩强度的最优方 案为 A0B4C4D4， 即水泥掺量 10、 石灰掺量 8、 粉 煤灰掺量 15和脱硫石膏掺量 15。抗冲刷性能的 水平 因素 （掺量） 水泥 A/石灰 B/粉煤灰 C/脱硫石膏 D/ 110000 215455 32061010 42581515 54 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 图 3改性前的材料微观结构 Fig．3The microstructure before and after tests 图 2改性后性能指标变化幅度的直方图 Fig．2Histogram of index after the test 最优方案为 A2B3C4D3， 即水泥掺量 15、 石灰掺量 6、 粉煤灰掺量 15和脱硫石膏掺量 10。综合考 虑各因素，结合实际的改性作用，本试验最优配比 确定为 A4B2C3D3，即水泥掺量 20、石灰掺量 4、 粉煤灰掺量 10和脱硫石膏掺量 10。 对最优配合比下的浇筑成型的改性充填体材料 分别进行强度、收缩和抗冲刷试验，试验结果与改 性前的各性能指标同时绘制在直方图内进行对比研 究， 改性前后性能指标的直方图如图 2。可以看出， 经过最优配合比下的外掺料改性的材料在各项指标 均有明显改良，其中抗折强度和抗压强度分别提高 了 1．8 和 2．4 倍；收缩率和冲刷损失率分别减小了 3．7 和 2．3 倍。 说明经过最优配合比外掺量改良的生 土材料，解决了传统充填体材料在抗折，收缩和耐 冲刷型性能方面的不足。 2．3充填体材料的改性机理 2．3．1物理改性和化学改性 进行充填体材料改性的机理分为物理改性机理 和化学改性机理，物理改性机理主要是指水泥和粉 煤灰的细颗粒填充在全尾砂骨料中，改善了充填体 的级配，使得充填体内部孔隙大大减小，从而对充 填体强度起到一定的提升作用。本试验采用的骨料 为全尾砂，尾矿砂的颗粒粒径主要分布在 0．5～10．0 mm 范围内， 由于矿砂粒径较大， 使得颗粒之间的孔 隙也相对较大。而普通粉煤灰的颗粒较细小，其粒 径一般在 0．1～0．5 mm 左右,普通水泥颗粒的粒径一 般小于 1 mm。粉煤灰和水泥的细小颗粒进入骨料 裂隙和粗颗粒间隙后，使得颗粒之间的黏聚力提 升，颗粒间的摩擦力增大，骨料之间的联结强度提 高，导致充填体试样的强度变大。但随着水泥和粉 煤灰比例增加，尾砂的含量相对减少，这样会导致 充填体不够密实， 对提高强度起到反作用。 化学改性主要是指尾砂中掺入石灰、粉煤灰和 脱硫石膏后，在浇筑搅拌过程中发生一系列的化学 反应， 在材料内部对强度、 收缩和抗冲刷性能进行了 改良。且粉煤灰与水泥等物质的化学反应在充填体 中形成了大量凝胶体， 起到了骨架的作用， 从而减 少制品的收缩[15]； 选择石灰作为碱性激发剂， 使得粉 煤灰和水泥与水充分混合后获得足够的早期强度， 由于粉煤灰中的硫酸盐和熟石灰发生了化学反应， 增强了生土骨架之间的黏聚力[16]； 脱硫石膏是发电 厂对排放的烟气中所含的 SO2进行湿法脱硫后产 生的工业副产物，其主要成分是二水硫酸钙晶体， 它的化学成分和晶体结构和天然石膏很相似。石膏 掺入材料后可以作为一种胶凝材料，与水反应生成 脱硫石膏的硬化体，从而提高生土材料的强度和抗 冲刷性能[17]。 2．3．2充填体材料的微观结构 为了深入分析充填材料的改性机理，分别对普 通材料和最优配合比改性的材料进行了内部微观结 构的观测。采用扫描电子显微镜 （SEM） 对试样进行 扫描， 得到的 2 种样本的微观结构如图 3， 放大倍数 为 800 倍。图 3 （a） 的材料呈现的团粒和多孔结构是 影响充填体材料强度、收缩、抗冲刷性能的重要原 因。发育的团粒和多孔结构不利于充填体在支撑采 空区周围岩体，减轻围岩变形的功能。经过物理和 化学改性的充填材料扫描电子显微图片如图 3 （b） ， 可以看出不规则的细颗粒紧密地交叉黏聚在一起， 表面上附有絮凝状的脱硫石膏晶体，形成了黏聚强 度，使得材料整体性大大增加，从而增强了材料的 强度和抗冲刷性能。由于尾矿砂颗粒的尺寸较大， 颗粒的堆积形成了大量孔隙。而颗粒尺寸较小的球 状粉煤灰和水泥结合体填充在孔隙中也增强了材料 的密实度，这是材料收缩性能提高的根本原因。由 此可见，孔隙结构的改变是充填材料收缩性能改善 的根本原因，粒间黏聚力增强是强度和抗冲刷性能 提高的根本原因。 55 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 3结论 1 ） 获得充填材料的改性的最优配合比为 水泥 20、 石灰 4、 粉煤灰 10、 脱硫石膏 10以及尾 砂骨料 56， 浇筑时的水固比为 1∶0.2。材料经过改 性后抗折强度和抗压强度分别提高了 1.8 和 2.1 倍； 收缩率和冲刷损失系数分别减小了 3.5 和 2.4倍， 经过正交试验后， 充填体的各项指标均有所改善。 2） 分别讨论了物理改性机理和化学改性机理。 物理改性主要通过细颗粒在骨料中的填充作用； 化 学改性主要通过水泥、石灰、粉煤灰和脱硫石膏在 浇筑搅拌时发生化学反应，产生大料凝胶体。物理 和化学改性共同起到了改良材料的强度、收缩和抗 冲刷性能的作用。 3） 采用扫描电子显微镜从微观结构变化的角度 对充填材料改性的机理进行分析，发现孔隙结构的 改变是生土材料收缩性能改善的根本原因，粒间黏 聚力的增强是强度和抗冲刷性能提高的根本原因。 参考文献 ［1］ 陈庆发， 陈青林．同步充填采矿技术理念及一种代表 性采矿方法 ［J］ ．中国矿业， 2015， 24 （12） 86－88． ［2］ 王明旭， 许梦国， 程爱平， 等．复杂地质条件下两种采 矿方法共同开采时地表变形规律研究 ［J］ ．矿冶工程， 2017， 37 （2） 28－31. ［3］ 金佳旭， 王思维， 冀文明， 等．尾矿砂膏体充填材料工 作与力学性能研究 ［J］ ．非金属矿， 2017， 40 （2） 32. ［4］ 张二军， 陈子敬， 宋晨光， 等．尾矿砂膏体充填材料毛 细吸水特性试验研究 ［J］ ．非金属矿， 2017， 40 （6） 33. ［5］ 李茂辉， 杨志强， 王有团， 等．粉煤灰复合胶凝材料充 填体强度与水化机理研究 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2015， 44 （4） 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