不同含水率膏体充填材料的单轴压缩试验研究

王永岩，于卓群，崔立桩

(1.青岛科技大学 机电学院，山东 青岛 266061；2.青岛科技大学 力学中心，山东 青岛 266061)

0 引 言

尾砂是一种选矿废物，几十年来大量的尾砂被堆放在尾矿库，对生态环境和居民安全造成了严重的威胁[1]，而随着我国采矿量的急剧上升，如何安全经济地处置尾砂成为了亟待解决的重要问题。另一方面，地下采空区使该地区地下应力状态发生改变，增加了该地区地面沉降、下陷的危险。而大规模的应用膏体充填可能是这2个问题的良好解决方案。典型的膏体充填材料由尾砂，低含量水泥和水组成，其较高的固体质量浓度可以减少水泥用量从而节约充填成本[2]。膏体充填体可以在井下作为工作平台使用，也可以改善采空区地应力分布，拥有广阔的应用前景，吸引了大量的学者参与研究[3-6]。其中，KESIMAL等[7]研究了尾砂和水泥的性质对充填体单轴压缩强度的影响，发现充填体的单轴压缩强度与水灰比密切相关。BAVRAM等[8]研究了水泥类型和含量对含硫尾砂充填体的单轴压缩强度影响。WU等[9]通过一系列试验研究了水泥类型和水质量对充填体性能的影响，发现水泥对充填材料的单轴压缩强度影响明显而水质量对充填体力学性能影响甚微。MANGANE等[10]发现添加高效减水剂可以增强充填材料的单轴压缩强度。

上述学者研究了充填材料在养护后自然状态下的力学性能，取得了珍贵的成果。然而，随着近年来矿井开采的范围和规模逐渐扩大，施工环境复杂多变，其中湿度的变化可能引起充填材料含水率的变化。对此，聂亚林等[11]研究了灰砂比为1∶4的4种含水率下充填材料的单轴压缩强度和损伤模型。然而，学界对较低水泥含量下的含水率变化引起的不同水泥含量充填材料的单轴压缩行为改变的研究较少。随着我国绿色矿山建设的提速，膏体充填技术将以其高可靠度和高经济性的优势得到更大规模的应用，并不断向提高尾砂利用率与降低水泥用量的方向发展。因此，为了顺应矿业行业的绿色发展新模式，促进膏体充填在我国的发展与应用，有必要进一步研究不同含水状态下低水泥含量水平的膏体充填材料的单轴压缩力学行为。笔者对3%和5%两种水泥含量，0、13%、25%和36%四种含水率的8组膏体充填材料试件展开单轴压缩试验，分析了不同含水率下2种水泥含量膏体充填材料的单轴压缩强度、弹性模量和峰值应变点等试验结果，提出了改进的充填体非线性指数，为深入认识膏体充填材料的单轴压缩力学行为和充填区安全问题提供一定的参考。

1 试验方法

1.1 膏体充填体试件制备

膏体充填材料试件所用材料为：自来水，普通硅酸盐水泥(42.5号)和取自山东省某金属矿山的全尾砂(图1)。制作了2种水泥含量的膏体充填体试件，根据膏体充填材料低水泥含量高质量浓度的特点，本研究选取了国内外常用的较低水平的2种水泥含量，水泥含量分别为3%和5%(3%、5%为水泥质量占尾砂质量的百分比)，试件固体质量分数均为75%。制备时首先将尾砂和水泥在干燥状态下按照配合比称量并取出，放入桶中搅拌均匀后加入称取的自来水使混合物固体质量分数达到75%，然后充分搅拌大约10 min，并浇筑进内直径为50 mm，高为100 mm的圆柱模具中，24 h后将试件脱模，放置在潮湿的密封箱中在室温下养护28 d，期间定期洒水保持高湿度。

图1 尾砂样品和放大15倍后的尾砂Fig.1 Sample of tailings and tailings after 15 times magnification

1.2 膏体充填体试件含水率设计

通过烘干与浸泡的方式改变膏体充填体试件的含水率。试件的含水率可以通过如下公式计算得出：

(1)

式中：ωc为此试件当前含水率，%;mc为此试件当前质量，g;md为与此试件水泥含量相同的含水率为0的试件的质量，g;所有计算结果精确到1%。试件养护28 d后分组备用，A组试件放入RPH-80型恒温恒湿试验箱(图2)，在60 ℃下烘干24 h，至试件质量不再变化，定义为含水率为0的试件；B组试件放入RPH-80型恒温恒湿试验箱在60 ℃下烘干12 h，期间定期取出称重，由式(1)计算得含水率约为13%时停止烘干；C组试件从养护箱中取出后擦干表面水分直接称重，计算得含水率约为25%；D组试件放入水中在室温下浸泡24 h后擦干表面水分称重，计算得含水率约为36%。而0、13%、25%和36%的含水率可以较好的分别反映膏体充填体的干燥状态、半干燥状态、自然养护状态和饱和状态。由此，本试验共制备了2种水泥含量和4种不同含水率的8种膏体充填试件，见表1。每种试件制作3个试件以进行重复试验。

表1 试件编号及其水泥含量和含水率Table 1 Specimen number and its cement content and moisture content

图2 RPH-80型可控式恒温恒湿试验箱Fig.2 RPH-80 controllable constant temperature-humidity test box

1.3 单轴压缩试验

本研究中使用的单轴压缩试验设备为青岛科技大学与长春朝阳试验机厂联合研制的TAW-200多功能力学试验机系统(图3)，其最大轴向压力为200 kN，可进行位移加载或力加载模式下的单轴压缩试验。达到目标含水率的试件需要立即测量尺寸并进行单轴压缩试验。参考对水泥基材料试件的试验方法[12-14]，试件被放置在力学试验机的钢制平台上，采用位移加载模式以0.2 mm/min的速度开始加载，直至试件破坏。试验过程中电脑自动采集轴向位移，轴向力，时间等数据。

图3 TAW-200多功能力学试验机系统Fig.3 TAW-200 multifunctional mechanical testing machine system

2 试验结果与分析

2.1 充填体单轴抗压强度

单轴抗压强度是充填体设计过程中最常用的重要参数，因其简易方便的特点在世界范围内得到广泛使用[15]。根据单轴压缩试验结果整理的不同含水率和2种水泥含量的充填体单轴抗压强度如图4所示。由于试件3D在试验中发现强度过低，甚至无法承受预压力，这可能是由于尾砂充填材料之间的胶合力已经弱于侵入水的破坏力[16]，可以认为已经天然失效，强度定义为0，不记录并分析其应力-应变曲线。由图4可知，含水率相同时，水泥含量5%的膏体充填体试件单轴抗压强度大于水泥含量3%的充填体试件抗压强度，这可能是由于水泥的胶结作用在水泥含量较高时也较强。由图4还可知，随着充填体含水率的升高，水泥含量3%和水泥含量5%的充填体试件单轴抗压强度均出现下降，且下降速度呈加快趋势。为了更好地描述这种趋势，采用二次多项式拟合含水率和抗压强度的关系。拟合结果如图4所示，水泥含量3%和水泥含量5%的多项式拟合复相关系数分别为0.968 4和0.989 9，较好地反映了抗压强度与含水率的定量关系。水泥含量3%充填体和水泥含量5%充填体的单轴抗压强度σ3、σ5表达式分别为

图4 2种水泥含量充填体在不同含水率状态下的单 轴抗压强度Fig.4 Uniaxial compressive strength of two cement content fillers at different moisture content states

σ3=-0.000 501ω-2+0.002 83ω+0.558

(2)

σ5=-0.000 442ω-2+0.000 549ω+0.854

(3)

结合相关研究[17-19]，分析出抗压强度随含水率的升高而降低的原因可能是：① 水会降低充填体内部尾砂、水泥、胶结产物之间的摩擦力，造成颗粒间的滑移所需的力降低，进而导致充填体在较低压力下失效；② 充填体内部存在微裂隙，水进入物体内的微裂隙会导致其在受压时，微裂隙加速扩张发展为裂缝，从而导致结构强度下降；③ 较高含量的水与充填体内物质发生化学反应，会导致充填体内部分物质的溶解与破坏，进而降低充填体的结构强度。

2.2 充填体压缩行为

充填体试件的典型应力-应变曲线如图5所示。通过观察图5中的曲线，可以发现水泥含量3%充填体试件与水泥含量5%充填体试件均因为含水率变化而产生了压缩力学行为的改变，并反映在应力-应变曲线中。可以看出，2种水泥含量下的充填体的压缩力学行为均因含水率的增加而发生了由脆性行为到延性行为的转变。含水率较高的试件与含水率较低的试件相比，应力-应变曲线的增长较为缓慢，应力峰值出现得更晚，应力达到峰值后的峰后下降更为平缓，曲线终点处应变更大，残余强度也通常大于完全干燥的试件。下文将从弹性模量，峰值应变，非线性的角度对充填体压缩行为展开详细分析。

图5 充填体试件单轴压缩应力-应变曲线Fig.5 Uniaxial compressive stress-strain curve of test specimen of filling body

2.2.1弹性模量

充填体试件的弹性模量如图6所示。可以看出相同含水率下，水泥含量5%的充填体试件比水泥含量3%的充填体试件弹性模量高。这可能是由于水泥的胶结作用在任意含水率状态下都能拥有良好的胶结效果，从而提高了材料的弹性模量。然而随着含水率的增大，充填体试件的弹性模量随之显著下降。这可能是由于充填体含水率的升高使充填体内部结构发生了软化，降低了刚度从而导致了充填体弹性模量的降低。这说明对于含水率较高的充填体，在同样大小的力下会发生较大变形，对此现象在实际工程中应当引起重视。

图6 充填体试件弹性模量Fig.6 Elastic modulus of filling body specimen

2.2.2峰值应变

图7展示了各充填体的峰值应变(又称失效应变)。可以看出，含水率的增加提高了充填体的失效应变。失效应变的提高使充填体在更高的应变下失效，意味着充填体延性的提高。这可能是因为水的侵入与润滑作用使充填体试件更容易产生裂缝，裂缝的均匀快速产生可以分散充填体内的应力从避免充填体在低应变水平的过快失效。但也可以看出试件5D的峰值应变低于试件5C的峰值应变，这说明含水率过高所带来的结构弱化效果要大于分散应力带来的延性提高。

图7 充填体试件峰值应变Fig.7 Failure strain of filling body specimen

2.2.3非线性程度评估

此前，KHALOO等[20]提出使用非线性指数来评估水泥基混凝土材料压缩行为的非线性程度[20]。在此基础上提出改进的充填体非线性指数以评估不同含水率不同水泥含量下的充填体试件非线性程度大小，其定义如下：

(4)

其中：N为充填体非线性指数；E40为应力-应变曲线上40%峰值应力处的切线弹性模量；E100为原点到峰值点的变形模量。该指数可以量化应力-应变曲线的非线性程度，非线性指数越高，该充填体非线性程度越强。充填体试件的非线性指数如图8所示。可以看出，2种水泥含量下充填体均在25%含水率下表现出最强的非线性程度。这可能是由于水的存在对膏体充填体同时起弱化和润滑作用，使充填体内部微裂纹均匀而快速产生，有效分散了应力，避免了能量累积后的突然爆发从而直接失效。反映在应力-应变曲线上，即充填体在弹性阶段结束后，仍然具有较长的塑性变形阶段，因此表现出了随含水率增加而增强的非线性与延性。而过高含水率严重可以严重破坏充填体的结构强度，使充填体过早失效，因此出现了延性与非线性的下降。相比峰值应变，非线性指数更进一步反映了充填体的延性与韧性。充填体试件应力-应变曲线的非线性程度越高，意味着其压缩过程中在经过弹性阶段之后仍具有较长的应变硬化阶段，这种非线性的压缩力学行为使充填体在受压时具有一定刚度的同时不至于在弹性阶段后就立即失效，而是在继续经历较大变形后才到达应力峰值，为采取加固措施或进行人员疏散提供了宝贵的应对时间，提高了充填区的安全性。

图8 充填体试件非线性指数Fig.8 Nonlinearity index of filling body specimen

3 结 论

1)水泥含量较高的膏体充填材料在相同含水率下均具有较高的抗压强度和弹性模量。水泥含量3%的膏体充填体试件在含水率36%的状态下强度过低不能满足使用要求。

2)随着含水率的升高，膏体充填体试件的单轴抗压强度降低，且下降速度随含水率升高逐渐加快。

3)随着含水率的增加，膏体充填材料的弹性模量降低而峰值应变在一定范围内升高，这表明含水率的增加降低了膏体充填材料的刚度，增加了延性。使用充填体非线性指数得出水泥含量3%和水泥含量5%的膏体充填体均在含水率25%时表现出了较高的非线性。实际工程中可以利用好非线性力学行为的特点进行充填体破坏前预警。