減水劑對摻膨潤土膠結充填體強度及流動性能的影響研究

曹寶棟 郭 攀

(1.內蒙古交通職業技術學院交通運輸工程系,內蒙古 赤峰 024000;2.鄭州大學水利與土木工程學院,河南 鄭州 450000)

尾砂膠結充填技術不僅能夠有效處理地表尾礦庫堆存的全尾砂,并且能夠安全、高效地回采井下礦體,已成為礦山首選的采礦方法[1-3]。當井下礦體順利回采后,形成了一定區域面積的采空區,而當尾砂膠結充填料漿經過輸送管道充入采空區后,充填料漿固化后存在不完全接頂的問題[4-5]。當充填體固化后與采空區頂板不接頂,存在的較大范圍空隙會導致充填體無法充分發揮其支撐圍巖、改善圍巖應力狀態的作用,不僅會對充填采礦作業造成一定的潛在危險,而且無法有效發揮充填體的作用,存在浪費資源的問題[6-9]。

在現有的改善充填接頂的技術措施中,添加膨潤土是一種直接有效的方法,但在充填料漿中摻入一定的膨潤土后會對充填體的力學性能產生不利影響。張友鋒等[10]開展了多次沖擊下摻膨潤土膠結充填體力學特性的試驗研究,得出充填體的抗沖擊次數隨膨潤土摻量增加呈先降后增趨勢,并且摻膨潤土的充填體動態抗壓強度增強因子均大于未摻膨潤土充填體。徐文峰等[11]開展了含膨潤土充填料漿泌水特性的試驗研究,認為料漿濃度對總泌水率的影響最大,其次是膨潤土摻量,灰砂比最小。余姚等[12]分析了膨潤土對膠結充填體力學特性的影響,認為一定含量的膨潤土有利于改善充填體的力學性能。此外,外加劑也能夠有效改善充填體的力學及流動性能,如減水劑不僅能夠提升充填體的流動性能,也能夠在一定程度上改善充填體的力學性能。李茂輝等[13]開展了外加劑對新型全尾砂充填膠凝材料強度的影響研究,得出氨基磺酸鹽減水劑能夠顯著改善充填料漿的流動性能。楊志強等[14]研究認為泵送減水劑不僅能夠改善膏體料漿的流動性能,也能夠提高其固化強度。何廷樹等[15]研究反映出萘系減水劑的加入可以明顯提升料漿的流動性能,并且提高硬化后充填體的強度。范作鵬等[16]開展了高效減水劑對全尾砂充填料性能的影響研究,認為減水劑有利于提高料漿的流動性。綜上分析可知,不少學者針對減水劑、膨潤土對充填體力學及流動性能的影響開展了較為系統的研究工作,并取得了一定的進展,但目前關于減水劑對摻膨潤土膠結充填體強度及流動性能的分析比較薄弱,有待開展深入研究。

本研究在前人成果的基礎上,開展減水劑對摻膨潤土膠結充填體強度及流動性能的試驗研究,分析減水劑、膨潤土對膠結充填體強度及流動性能的影響規律。

1 試驗材料

試驗采用的充填骨料為全尾砂,其化學成分見表1,粒徑分布特征見表2。由表1和表2可知:尾砂化學成分中沒有對充填體強度不利的化學元素,并且尾砂的曲率和不均勻系數均在合理參數取值范圍內,說明尾砂適合作為充填骨料制備充填體。減水劑類型為聚羧酸高效減水劑(粉體)。膠凝膠凝材料為P.C.32.5R普通硅酸型水泥。膨潤土為常用的膨潤土,主要成分為蒙脫石。

表1 尾砂的化學成分組成Table 1 Chemical composition of tailings %

表2 粒徑分布特征Table 2 Particle size distribution characteristics

2 試驗方案

充填體的基礎配比參數設計為:灰砂比為1∶4、1∶5、1∶6、1∶8,質量濃度為75%。膨潤土的摻量設計為0%、5%、10%、15%。減水劑摻量設計為0%、0.15%、0.25%、0.35%。此外,膨潤土及減水劑的摻量均為膠凝材料的質量分數。充填體試樣的制備過程為:將膨潤土與水泥、尾砂混合后進行攪拌,在攪拌均勻后加入水制備成充填料漿,在測定完料漿的坍落度后將料漿放入模具中制備充填體試樣,并測定試樣3、7、28 d的抗壓強度。

3 試驗結果與分析

3.1 膨潤土對充填料漿流動性能的影響

不同膨潤土含量下的料漿坍落度變化特征如圖1所示。由圖1可知:膨潤土摻量與料漿坍落度呈現出明顯的負相關關系,即隨著膨潤土摻量增加,料漿坍落度表現出明顯降低趨勢,說明摻入膨潤土會對料漿的流動性能產生不利影響。當膨潤土摻量固定不變時,料漿的坍落度指標隨著砂灰比增大表現出逐漸增大趨勢,說明水泥含量降低會導致坍落度出現增大趨勢。原因在于水泥水化反應會消耗漿體的自由水,而砂灰比增大意味著水泥含量逐漸降低,從而導致漿體內的自由水消耗量減少,因此料漿的坍落度表現出增大趨勢。膨潤土對料漿坍落度造成不利影響的原因在于膨潤土顆粒具有一定的吸水性,顆粒的吸水特性會消耗一部分自由水,從而對料漿的流動性能產生不利影響[17-19]。

圖1 料漿的坍落度與膨潤土摻量間的關系曲線Fig.1 Relationship curves between slump of slurry and bentonite content

3.2 減水劑對充填料漿流動性能的影響

加入減水劑后充填料漿坍落度指標的變化特征如圖2所示。從圖2(a)中可以看出,當砂灰比固定不變時,隨著減水劑含量增加,料漿的坍落度表現出明顯增大趨勢,說明摻入一定量的減水劑能夠改善料漿的流動性能。當砂灰比為4時,隨著減水劑摻量從0%增加至0.35%,料漿的坍落度總體上增大了2.4%;當砂灰比為5時,隨著減水劑摻量從0%增加至0.35%,料漿的坍落度總體上增大了2.6%;當砂灰比為6和8時,隨著減水劑摻量從0%增加至0.35%,料漿的坍落度總體上增大了3.9%和4.2%。因此,水泥含量的差異也能夠影響減水劑對料漿坍落度的改善效果,即減水劑摻量對料漿流動性能的改善效果隨著水泥含量減小而增大。從圖2(b)中可以看出,減水劑的摻入也能夠改善含膨潤土的膠結充填料漿的流動性,即料漿的坍落度也隨著減水劑摻量增加而增大,說明減水劑的摻入可以有效處理膨潤土對料漿流動性的不利影響。

圖2 含減水劑的充填料漿坍落度指標變化特征Fig.2 Variation characteristics of slump of filling slurry containing water reducing agent

3.3 膨潤土對膠結充填體抗壓強度的影響

充填體3、7、28 d抗壓強度與膨潤土含量的關系曲線如圖3至圖5所示。

圖3 充填體3 d抗壓強度與膨潤土含量間的關系曲線Fig.3 Relationship curves between 3 d compressive strength of backfill and bentonite content

由圖3可知:當膨潤土含量固定不變時,隨著砂灰比增大,充填體的3 d抗壓強度表現出明顯降低趨勢,并且在不同的膨潤土含量下,充填體的抗壓強度降幅存在一定的差異。當膨潤土含量分別為0%、5%、10%及15%時,隨著砂灰比由4增大至8,充填體的3 d抗壓強度分別下降了55.3%、0.63%、73.5%及72.3%,反映出當膨潤土含量越高時,充填體3 d抗壓強度下降的幅度也就越大。此外,當砂灰比固定不變時,充填體3 d抗壓強度與膨潤土之間表現出明顯的負相關關系,即充填體3 d抗壓強度隨著膨潤土含量增加而降低,說明膨潤土含量增加會對充填體3 d抗壓強度產生不利影響。由圖4和圖5可知:當砂灰比固定不變時,膠結充填體7 d和28 d抗壓強度隨著膨潤土含量增加也均表現出明顯降低趨勢,說明膨潤土摻量增加也對充填體7 d及28 d抗壓強度產生了不利影響。此外,當膨潤土含量分別為0%、5%、10%、15%時,隨著砂灰比由4增大至8,充填體的7 d抗壓強度分別下降了48.1%、48.9%、51.3%、52.3%,充填體的28 d抗壓強度分別下降了42.8%、45.3%、48.6%、49.7%。由此可見,當膨潤土含量越高時,充填體7 d及28 d抗壓強度下降幅度越大,說明充填體7 d及28 d抗壓強度對砂灰比的敏感性隨著膨潤土含量增加而增大。然而,通過對比可以看出,隨著養護齡期增加,充填體3、7、28 d抗壓強度隨著膨潤土摻量增加而下降的幅度隨著齡期延長而降低,說明養護齡期延長能夠在一定程度上降低膨潤土對充填體抗壓強度的不利影響。

圖4 充填體7 d抗壓強度與膨潤土含量間的關系曲線Fig.4 Relationship curves between 7 d compressive strength of backfill and bentonite content

圖5 膠結充填體28 d抗壓強度隨膨潤土含量的關系曲線Fig.5 Relationship curves between 3 d compressive strength of backfill and bentonite content

3.4 減水劑對膠結充填體抗壓強度的影響

摻入膨潤土與未摻膨潤土的膠結充填體3、7、28 d抗壓強度隨著減水劑含量的變化特征如圖6至圖8所示。

圖6 膠結充填體3 d抗壓強度隨減水劑含量的變化特征Fig.6 Variation characteristics of 3 d compressive strength of backfill with water reducer content

由圖6可知:無論是否摻入膨潤土,膠結充填體3 d抗壓強度與減水劑含量之間均表現出明顯的正相關關系,即膠結充填體3 d抗壓強度均隨著減水劑含量增加而不斷增大,說明減水劑的摻入有利于提高充填體的3 d抗壓強度。此外,無論減水劑取何摻量水平,膠結充填體的3 d抗壓強度均隨著砂灰比增大而減小,但充填體3 d抗壓強度的降幅與減水劑摻量也有一定的關系。當添加膨潤土時,隨著減水劑摻量從0%增加至0.35%,砂灰比為4、5、6、8的充填體3 d抗壓強度分別增大了2.1%、1.7%、1.6%及1.4%,摻入了膨潤土的充填體3 d抗壓強度則分別增大了1.9%、1.7%、2.1%、2.3%。因此,當摻入減水劑后,砂灰比越小的充填體強度增幅略高于砂灰比越高的充填體抗壓強度增幅,并且膨潤土的摻入不會影響減水劑對充填體3 d抗壓強度的改善效果。此外,通過圖7和圖8可以看出:無論是否摻入膨潤土,膠結充填體7 d和28 d抗壓強度與減水劑含量之間也表現出明顯的正相關關系,即膠結充填體7 d和28 d抗壓強度也均隨著減水劑含量增加而不斷增大,說明減水劑的摻入有利于提高充填體的7 d和28 d抗壓強度。因此,摻入減水劑能夠改善充填體的抗壓強度,膨潤土的摻入不會影響減水劑對膠結充填體強度的改善效果,并且摻入減水劑也能夠在一定程度上彌補膨潤土對充填體抗壓強度的不利影響。減水劑能夠影響充填體強度的原因在于減水劑可以釋放尾砂中的絮團水,使得水化產物能夠與尾砂顆粒充分黏結,提高了充填體微觀結構的致密性,從而提升了充填體的強度[5]。

圖7 膠結充填體7 d抗壓強度隨減水劑含量的變化特征Fig.7 Variation characteristics of 7 d compressive strength of backfill with water reducer content

圖8 膠結充填體28 d抗壓強度隨減水劑含量的變化特征Fig.8 Variation characteristics of 28 d compressive strength of backfill with water reducer content

4 結 論

(1)膨潤土與料漿坍落度之間呈現出明顯的負相關關系,當膨潤土含量不斷增大時,料漿坍落度表現出明顯降低趨勢,說明摻入膨潤土會對料漿的流動性能產生不利影響。減水劑的摻入能夠改善含有膨潤土膠結充填料漿的流動性,并且減水劑的摻入可以緩解膨潤土對料漿流動性的不利影響。

(2)摻入膨潤土會對充填體強度產生不利影響,并且膨潤土含量越高時,充填體強度的降低幅度越大。此外,養護齡期延長能夠在一定程度上降低膨潤土對充填體抗壓強度的不利影響。

(3)摻入減水劑能夠改善充填體的抗壓強度,而膨潤土的摻入不會影響減水劑對膠結充填體強度的改善效果,膨潤土對強度的不利影響程度也隨著減水劑含量增加而逐漸降低,說明減水劑可有效改善膨潤土充填體的力學性能。