硫酸盐对胶结充填体单轴抗压强度与弹性模量关系影响研究*

 李文臣  侯运炳  韩  帅

 （中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

 摘  要  为了研究硫酸盐对含矿渣胶结充填体单轴抗压强度与弹性模量关系的影响，通

过胶砂实验，证明了充填体试块单轴抗压强度和抗压弹性模量之间有较为显著的正相关关

系，在达到相同抗压强度的条件下，硫酸盐的掺入能显著提高充填体试块的弹性模量。通过

热重分析和压汞法孔隙度分析，证明了硫酸盐掺入引起的水化产物、孔径分布和孔隙度分布

的变化是影响轴抗压强度和抗压弹性模量关系的重要因素。

    关键词  硫酸盐  充填体  单轴抗压强度  弹性模量

    中图分类号  TD823.7    

    随着我国采矿行业的发展，充填采矿被越来越广泛地应用于提高矿石回采率、缓解深井高温、优化矿区环境和控制地表沉降等方面。传统的胶结充填采矿使用水泥作为胶凝材料，水泥的成本高达充填总成本的75%。通过研究发现，矿渣中含有活性氧化硅和氧化铝，使用矿渣代替部分水泥作为胶结材料，不仅能够有效的降低充填采矿的成本，而且能够提高充填体强度。

    近年来，关于硫酸盐对充填体强度的影响受到越来越多的重视。有研究表明，在一定条件下，硫酸盐可以作为胶结充填的激发剂。在较高的碱性环境中，硫酸盐能显著激发矿渣的潜在水硬性，从而提高充填体早期强度。

    单轴抗压强度是反映充填体力学性能的一个重要参数，它能在一定程度上反应充填体的强度和稳定性。抗压弹性模量也是反映充填体力学性能的一个重要参数，对研究充填体的规律有重要意义。本文的弹性模量为试件的割线弹性模量E50，即应力应变曲线的原点与应力最大值一般处所连割线段斜率，如图1所示。

    通过研究弹性模量与单轴抗压强度之间的相互关系，以及硫酸盐对这一关系的影响，有助于对充填体的稳定性和支撑性有更全面的认识，为合理利用硫酸盐作为胶结充填激发剂提供更多的理论依据。

1  实验过程

1.1  实验材料

1.1.1  胶凝材料

    采用普通硅酸盐水泥（普硅水泥）和水淬高炉矿渣微粉（矿渣）1:1比例混合作为胶凝材料进行试验对比。普硅水泥和矿渣的化学成分质量及质量分数见表1。

1.1.2  骨料

    为消除存在于自然尾砂中的一些不可控制的相关矿物质和化学元素的影响，实验使用人造尾砂（二氧化硅）作为骨料。人造尾砂中二氧化硅的含量是99. 8%，其中粒度小于20um 的颗粒占43%，属于中粒骨料。

1.1.3  拌和水

    为尽可能消除不确定因素的影响，实验采用蒸

  馏水作为对照组拌和水。在蒸馏水中加入七水合硫

  酸亚铁配制浓度为5‰的硫酸盐溶液作为实验组拌

  和水。

  1.2  样品制备与养护

    充填体料浆的水灰比为7.6，水泥占固体质量分数的4. 5%。将充填体料浆在搅拌机混合均匀后填进直径为5 cm，高度为10 cm的塑料缸模具，然后将所有充填试件样本密封，以避免水的蒸发。 以恒定水灰比（w: c=2）制作净浆试块，准备用于胶凝材料水化产物分析。将所有试块置于20 0C环境恒温养护，经过不同龄期，对含不同浓度硫酸盐的试块进行测试。

  1.3  测试方法

  1.3.1  力学测试

    根据ASTM C 39，分别在1 d、3 d、7d、28 d、90 d和150 d对充填试件进行单轴抗压强度测试。压力机最大载荷为50 k N，加载速率为1 mm/min，通过计算机自动记录每个试块应力应变过程曲线，每个测试至少重复2次。

  1.3.2  水化产物测试

    为研究硫酸盐对水化产物的影响，对两组养护时间为28 d的净浆试块进行热重分析(TGA)，实验前将试块在50℃的干燥箱内烘干。实验气体环境为氮气，以10℃／min的升温速度加热到1000℃。

  1.3.3  微观结构测试

    为研究硫酸盐对充填体试块空隙结构的影响，利用Micromeretics Auto-Pore 111 9420压汞仪，对两种养护时间为28 d的试块进行压汞法孔隙度分析( MIP)。

    2  结果与分析

    2.1  含矿渣胶结充填体单轴抗压强度与弹性模量 关系

    图2是根据不同养护龄期的含硫酸盐和不含硫酸盐的充填体试块的单轴抗压应力应变实验数据，绘制而成的单轴抗压强度和弹性模量关系图。分别采用线性相关和乘幂相关的统计形式对所得结果进行分析，得出了充填体试块单轴抗压强度与弹性模量之间线性和乘幂相关关系和相关系数平方值。图

  2中的线性相关及乘幂相关关系式如下：

线性相关式：

式中：E------弹性模量，M Pa;

    Re一一单轴抗压强度，M Pa。

    乘幂相关式：

    上述结果表明，充填体试块抗压弹性模量与单轴抗压强度之间具有显著的线性相关性，相关系数的平方值可达0. 9177，同时也具有较好的乘幂相关性．相关系数的平方值可达0．973。2.3硫酸盐对充填体单轴抗压强度与弹性模量关系的影响

    为研究硫酸盐的掺人对含矿渣胶结充填体单轴抗压强度与弹性模量关系的影响，分别对含硫酸盐和不含硫酸盐两种试块进行单独分析。图3是根据不加硫酸盐充填体试块的单轴抗压应力应变实验数据，绘制而成的单轴抗压强度和弹性模量关系图，作为对照组。图4是根据以浓度为5‰硫酸盐充填体试块的单轴抗压应力应变实验数据，绘制而成的单轴抗压强度和弹性模量关系图。采用线性相关和乘幂相关的统计形式对两组数据进行分析，分析结果中线性相关及乘幂相关关系式见表2。

    通过表2可以得出，以两种方案制作的试块抗压弹性模量与单轴抗压强度之间均具有较为显著的线性相关性，同时也具有较好的乘幂相关性，相关系数的平方值都在0. 94以上。对比图3和图4，含矿渣的胶结充填体在掺人浓度为5%。的硫酸盐的情况下，依然保持了显著的正相关关系，硫酸盐的掺人可以在一定程度上改变充填体单轴抗压强度与弹性模量的关系，即在达到相同单轴抗压强度的情况下，充填体的弹性模量会有一定程度的升高。

    结合充填采矿工程实践，这个变化将显著影响充填体的支撑性能。弹性模量增大，有利于充填体充分接顶和有效控制顶板。一般情况下，矿柱的弹性模量大于充填体弹性模量，充填体的弹性模量提高，有利于矿柱和充填体抗压性能的接近，增加支撑性能的协调性。即在相同的压力下，充填体变形量减少，转移到相邻矿柱的载荷会相应减小，有利于顶板压力均匀分布。

2.3硫酸盐对充填体单轴抗压强度与弹性模量关系的影响机理探究

    热重分析一般被用来研究水泥水化产物的种类和数量，图5是含硫酸盐和不含硫酸盐两种胶凝材料28 d水化产物的热重分析结果对比。观察图5可以发现，两组数据在50℃～200℃、400℃～450℃和600℃～750℃区间均有显著的失重峰。根据已有的研究，50℃～200℃处的失重峰主要由水合硅酸钙凝胶( C- S-H)、钙矾石、石膏和单硫型硫铝酸钙失去结合水和分解引起的；400℃～450℃和600℃～750℃处的失重峰分别由氢氧化钙和碳酸钙的分解引起的。从图5中可以看出，含硫酸盐胶结材料水化产在400℃～450℃区间引起的失重峰比对照组有明显降低，这说明硫酸盐的加入，减少了氢氧化钙的含量；而在50℃～200℃区间引起的失重峰比对照组有明显升高．这说明硫酸盐的掺人导致了钙矾石等水化产物增加。综合上述两个变化说明一部分氢氧化钙和硫酸盐、活性氧化铝反应生成了更多的钙矾石。硫酸盐的掺人引起的钙矾石的增多，会对充填体试块孔隙结构产生影响，这种影响可以在图6中观察到。

    两组试块压汞法孔隙度分析的试验结果如图6所示，图6 (a)为累计孔隙体积随汞蒸汽压力的变化，图6 (b)为孔隙直径分布。从图6(a)中可以看出，含硫酸盐的试块累计孔隙体积较对照组有明显减小，孔隙直径分布也有明显变化：从图6(b)中可以看出，对照组孔隙直径分布在1um和5～8 um两个区域，而含硫酸盐的试块孔隙直径明显减小，集中分布在0.9um附近。根据相关研究，孔隙尺寸分布和孔隙分布对多孔材料弹性模量有较大影响，说明硫酸盐掺入引起水化产物中氢氧化钙的增加和钙矾石等矿物减少以及孔隙体积、孔隙直径分布的改变是影响弹性模量的重要原因。

4  结论

    (1)充填体单轴抗压强度与弹性模量成较为显著的幂相关和线性相关关系，通过统计分析得到了各自的相关性方程。

    (2)硫酸盐对充填体单轴抗压强度与弹性模量关系能产生较为显著的影响。硫酸盐浓度为5%。时，在达到相同单轴抗压强度时，充填体的弹性模量会有明显增大，但依然保持着显著的正相关关系。

    (3)硫酸盐掺人引起的水化产物中氢氧化钙的增加、钙矾石等矿物减少以及孔隙体积、孔隙直径分布的改变是影响弹性模量的重要原因。