混凝土充填体强度特性试验研究.pdf

第2 6 卷第4 期 2 0 0 6 年0 8 月 矿冶工程 M IN IN G AND MET ALL URGI CAL ENGIN F FRIN G V o l . 2 6 4 A u g u s t 2 0 0 6 混凝土充填体强度特性试验研究① 邓代强 长沙矿山研究院， 湖南 长沙4 1 0 0 1 2 摘 要 对不同配比、 不同浓度、 不同龄期的混凝土充填体在普通建筑材料压力机上进行了无侧限单轴抗压强度试验， 根据试验测 得单轴抗压强度试验数据， 分析了充填体单轴抗压强度随配比、 浓度、 龄期的变化规律， 采用数据拟合的方法， 对试验数据进行了回 归， 作出了不同灰砂比、 浓度及龄期条体下试块强度的试验值的拟合曲线， 并给出了相应的拟合公式， 拟合公式和试验值的拟合效 果较好， 相关系数达到精度要求， 对矿山充填工作及其充填体力学性能分析具有一定的指导意义和借鉴作用。 关键词 混凝土充填体; 分级尾砂; 单轴抗压强度 中图分类号 T U 5 2 8文献标识码 A文章编号 0 2 5 3 - 6 0 9 9 2 0 0 6 0 4 - 0 0 1 0 - 0 3 A n E x p e r i m e n t a l S t u d y o n S t r e n g t h P r o p e r i t i e s o f C o n c r e t e B a c k f i l l D E N G D a i - g i a n g C h a n g s h a I n s t i t u t e of M i n i n g R e s e a r c h ， C h a n g s h a 4 1 0 0 1 2 ， H u n a n ， C h i n a A b s t r a c t ; A t e s t f o r u n c o n f i n e d u n i a x i a l c o m p r e s s i o n s t r e n g t h o f b a c k f i l l s w i t h d iff e r e n t r a t i o s ， d i ff e r e n t c o n c e n t r a t i o n s a n d d i ff e r e n t c u r i n g a g e s w a s m a d e b y u s i n g a p r e s s u r e m a c h i n e f o r c o m m o n b u i l d i n g m a t e r i a l s . A c c o r d i n g t o t h e t e s t r e - s u l t s ， t h e l a w w a s a n a l y z e d t h a t t h e u n i a x i a l c o m p r e s s i o n s t r e n g t h o f t h e b a c k f i l l c h a n g e d w i t h r a t i o ， c o n c e n t r s t i o n a n d c u r i n g a g e . T h e m e t h o d o f d a t a f i t t i n g w a s u s e d t o r e g r e s s t h e t e s t r e s u l t s a n d p l o t t h e f i t t i n g c u r v e s o f t h e t e s t e d b l o c k a t d if f e r e n t r a t i o s ， c o n c e n t r a t i o n s a n d c u r i n g a g e s . I n a d d i t i o n ， c o r r e s p o n d i n g f i t t i n g f o r m u l a w a s g i v e n . T h e f i t t i n g e ff e c t b e t w e e n t h e f o r m u l a a n d t h e t e s t r e s u l t s w a s g o o d . T h e a c c u r a c y o f r e l a t i v e c o e f f i c i e n t m e t t h e r e q u i r e m e n t s . I t i s o f a c e rt a i n i n s t r u c t i v e s i g n if i c a n c e a n d r e f e r e n c e u s e t o m i n e s f il l i n g w o r k s a n d m e c h a n i c a l p r o p e r ty a n a l y s i s o f t h e f i l l e r s . K e y w o r d s c o n c r e t e b a c k f i l l ; c l a s s i fi e d t a i l i n g s ; u n i a x i a l c o m p r e s s i v e s t r e n g t h l 随着我国经济建设的快速发展， 矿产品的需求量 急剧增加， 致使埋藏浅的矿产资源越采越少， 很多矿山 已经进人深部开拓和开采。开采过程中， 矿岩大多处 于高应力、 大变形状态， 巷道开挖和矿体回采时地压显 现较为明显， 围岩的变形位移大， 释放的变形能也很 多[ 1 - 4 1 ， 所以 要求深部采空区的充填支护材料要有较 好的抗拉、 抗压及吸收弹性变形能的能力。充填体作 为一种混凝土类材料， 其抗压强度一般是指充填体试 件承载面单位面积上所能承受的压缩应力， 它是充填 体的最重要的性能。根据深部特大型矿柱开采技术条 件研究的需要， 对在矿山选矿厂取回的全尾砂在室内 实验室进行了制作加工， 通过力学试验得出力学参数 的试验研究结果。本文试验中其试件制作， 试验原则 和过程按照文献【 2 」 相应规定进行， 试验中对不同配 比、 不同 浓度、 不同龄期的混凝土充填体在普通建筑材 料压力机上进行了无侧限单轴抗压强度试验， 根据试 验测得单轴抗压强度等试验数据， 分析了单轴抗压强 度随配比、 浓度和龄期的变化规律， 对混凝土充填体的 静态单轴无侧限抗压强度进行试验测试。 充填体抗压 强度的测定和研究具有极为重要的现实意义， 同时对 矿山提高充填体质量具有一定的指导意义。 1 充填体骨料性质的测定及试件制备 1 . 1 充填体骨料的物理化学性质测定 通过室内实验室测定， 得出尾砂密度、 容重、 孔隙 率如表I ， 尾砂化学成分测定结果如表2 ， 尾砂粒度组 成如表3 0 表 1 尾砂物理性能测定值 密度松散容重实容重 / t m 一 3 / t m一 3 / t m 一 3 孔隙率 自 然安息角 / / 。 3 . 0 2 1 . 1 5 1 . 5 3 4 9 . 3 4 3 9 . 5 表2 尾砂化学成分测定结果 质f分数 / S i 0 2 A 1 2 0 3 C a O M 四T F e S 2 9 . 8 3 3 . 2 1 2 1 . 7 3 7 . 7 5 1 2 . 7 3 5 . 6 7 0 . 1 8 ①收稿 日期 作者简介 2 以沁刃2 -06 邓代强 1 9 7 4 一 ， 男， 新疆石河子人， 硕士， 主要从事工程岩体力学和地下资源开发等科研工作。 第4期邓代强 混凝土充填体强度特性试验研究 表3 粒径/ R m 尾砂粒度组成 含量/ 累计含量/ 0、1 0 . 0 2 0 . 0 2 1 -5 51 0 1 0-2 0 1 6 . 1 1 0 . 9 8 1 5 . 9 6 2 9 . 8 1 5 . 3 2 8 . 0 9 3 . 3 4 0 . 3 6 0. 0 3 1 6 . 1 2 2 7. 1 强度均随着龄期的增长而增长。在龄期为3 一 7d 这 个时间段里， 试件强度增长迅速， 7 一 2 8 d 时间段里强 度增长趋势变缓。采用对数函数拟合实测值分布规 律， 可表示为 YA l n x , B 1 式中Y 为单轴抗压强度; x , 为各配各浓度试件龄期; A , B为试验常数。通过实验数据回归计算得到各配比 混凝土充填体试件的试验常数A , B以及相关系数 R 的值， 如表5 所示。 石‘UOO717 OR︸12rO90 飞JZR69Q衬1 470八QgO 5075100150180300 205075100150180 表5 1 . 2 充填体试件的制备 根据有 关 规定〔 ’ 〕 ， 试验采用的试件是7 . 0 7 c m x 7 . 0 7 c m x 7 . 0 7 c m的立方体， 灰砂比为1 4 , 1 6 , 1 8 , 1 1 2 , 1 2 0 ; 水泥为湖南坪塘水泥厂生产的 普通硅酸盐 水泥， 标号4 2 5 。分别测定料浆容重和试块质量。常 规保湿养护， 试件成形后拆模， 龄期为3 , 7 , 2 8 d o 2 实验室试验结果及分析研究 2 . 1 强度测定 在普通建筑材料压力机上进行的无侧限单轴抗压 强度试验， 不同灰砂比、 质量浓度及不同龄期条体下试 块强度测定结果如表4 所示。 灰砂比 充填体抗压强度 Y 随试件龄期 x , 的拟合公式 拟合公式相关系数 1 1 Y 二 1 . 1 2 4 1 n x , 一 0 . 6 2 6 6 y 0 . 7 5 7 9 1 n x , 一 0 . 5 1 1 0 y 0 . 5 6 1 7 1 n x i 一 0 . 4 0 3 9 y 二 0 . 2 6 8 9 1 n x , 一 0 . 1 7 8 1 y 0 . 1 9 5 1 1 n x , 一 0 . 2 0 9 6 R 2 二 0 . 9 5 7 9 护 二 0 . 9 5 6 1 护 0 . 8 2 1 2 R 2 0 . 9 2 2 2 R 2 0 . 9 8 7 0 46只 ..1月.1‘.1 ，0 ，12 表4 充填体试块单轴抗压强度试验结果 试件 组号 灰砂比 质量浓度 / 抗压强度/ M P a 6 5 6 80 . 6 0 0. 81 2 . 9 0 3 . 0 3 3. 2 7 7 2 0 . 8 5 .1 . 6 1 3 . 5 3 0 . 7 9 0. 8 3 当 龄期相同时， 试件强度均随着水泥含量 配比 的 增长而增长。当试件在各龄期的水泥含量均较低 时， 各浓度试件的强度差异不大， 但随着水泥含量的不 断增大， 各浓度试件的强度差异逐渐拉大， 当干料中 水 泥含量为1 1 . 1 1 灰砂比为1 8 时这种差异最为明 显。采用三次多项式函数拟合实测值分布规律， 可表 示为 ， A x 2 3 B x 2 2 C x 2 D 2 式中y 为单轴抗压强度; x 为干料中水泥含量; A , B , C , D为试验常数。通过实验数据回归计算得到各配 比 混凝土充填体试件的试验常数A , B , C , D以及相关 系数R的值， 如表6 所示。 加2848 7勺‘︸白内乙 00994 { . 表6 充填体抗压强度 Y 随干料中水泥含f X 2 的拟合公式 8905-40536581 35354047 0000 65687072 08286005 0 . 2 2 0 . 3 1 0 . 3 6 0 . 1 2 0 . 1 2 0. 1 1 0. 0 龄期/ d拟合公式 3 y 1 0 9 . 3 3 x 2 3 一 3 3 . 6 2 5 x 2 2 7 . 3 4 5 x 2 一 0 . 2 8 6 5 相关系数 R 2 二 0 . 9 3 3 5 0. 0. 0 . 3 0 0 . 3 1 0 . 3 1 y 一 3 1 3 . 4 3 x 2 3 1 1 8 . 7 2 x 2 2 一 5 . 9 3 3 6 x 2 0 . 2 2 5 8 R 2 二 0 . 9 3 9 8 y 二 一 5 2 5 . 0 8 x 2 3 2 1 5 . 0 8 x 2 2 一 7 . 9 5 8 3 x 2 0 . 3 6 6 1 R 2 0 . 9 4 7 1 65687072 0 . 6 6 0. 8 0 656870 7 2 0 . 1 5 0 . 4 1 0 . 8 6 未拆模 按零计算 未拆模 按零计算 未拆模 按零计算 未拆模 按零计算 0 . 1 6 0 . 1 8 0 . 1 8 0 . 1 9 0 . 4 3 0. 45 2 . 2 强度结果分析研究 当配比 相同时， 各龄期的试件， 强度均随着浓度的 增长而增长。对于龄期为3 一 7d 的试件， 随浓度的增 大， 其强度大体上是以线性方式增长， 当龄期到达2 8 d 时， 强度大体上以曲线形式增长， 增幅较3d 和7d 龄 期的大一些。从测试结果看， 混凝土充填体强度与质 量浓度基本上呈线性关系， 因此， 采用线性函数拟合实 测值分布规律， 可表示为 SOOn︸，山 矛06，矛了 从表4 可以看出， 当配比相同时， 各浓度的试件， 矿冶工程第 2 6卷 yAX3 B 3 式中Y 为单轴抗压强度; x 3 为质量浓度; A , B为试验常 数。 通过实验数据回 归金 刹 算 得到各配比 混凝土充填体试 件的 试验常数A , B以 及相关系数R的 值， 如表7 所示。 表7 充缤体抗压强度 Y 随质且浓度 X 3 的拟合公式 一 3 2 4 . 7 5 拟合该实测值分布规律时， 矿二 1 ， 满足精度 要求; 当1 1 2 的试件7 d 强度随质量浓度变化曲线由 采用线性函 数y 1 . 3 5 5 1 x 3 一 0 . 5 9 9 2 拟合改为采用二 次函 数Y 二4 4 . 2 6 5 x 3 2 一 5 9 . 2 3 x 3 2 0 . 1 0 1 进行拟合 时， 相关系数平方值由矿 0 . 6 0 8 3 提高到矿 0 . 9 0 5 7 ， 拟合情况良 好。 灰砂比 龄期/ d拟合公式相关系数 y 4 . 1 5 8 9 x 3 一 2 . 1 4 6 7 y 二 6 . 0 6 5 4 x 3 一 2 . 7 7 7 5 y 二 9 . 0 1 8 7 x 3 一 3 . 0 1 7 9 Y 二 1 . 6 9 1 6 x ， 一 0 . 7 7 0 5 y 4 0 . 3 2 9 x 3 2 一 5 3 . 5 0 7 x 3 1 8 . 0 9 y 3 . 5 1 4 x 3 一 1 . 5 2 5 9 y 二 6 . 9 6 2 6 x 3 一 2 . 7 4 4 3 Y 二 2 0 7 . 1 7 x 3 2 一 2 7 6 . 5 9 X 3 9 4 . 1 3 8 y 2 . 5 4 2 1 x 3 一 1 . 4 7 7 7 y 5 . 7 8 5 x 3 一 3 . 3 7 9 7 ， 1 3 . 6 5 4 x 3 一 7 . 8 8 4 8 Y 二 0 . 3 1 7 8 x 3 一 0 . 0 9 3 5 Y 1 0 3 5 . 7 x 3 3 一 2 1 1 2 . 5 x 3 2 1 4 3 5 . 3 x 3 一 3 2 4 . 7 5 ， 1 . 3 5 5 1 x 3 一 0 . 5 9 9 2 y 4 4 . 2 6 5 x 3 2 一 5 9 . 2 3 x 3 2 0 . 1 0 1 y 4 . 3 4 5 8 x 3 一 2 . 2 6 5 2 二 0 . 8 2 5 1 二 0 . 9 4 0 2 0 . 9 4 0 0 0 . 7 9 1 2 0 . 9 9 7 2 0 . 8 4 2 6 二 0 . 6 6 8 2 0 . 9 3 9 2 二 0 . 9 2 9 4 二 0 . 9 7 8 7 二 0 . 9 2 8 2 3 结 1 的水泥。 语 决定充填体强度的主要因素是作为胶凝材料 凡j，矛 4 钾.1 从总体看， 水泥含量对充填体强度起到主要 护护护-护护护护护-护护护 1 6 7 R 2 二 0 . 3 0 0 1 R 2 二 1 Y 二 0 Y 二 0 . 4 0 1 9 x 3 一 0 . 0 9 8 8 Y 1 . 2 6 1 7 x 3 一 0 . 4 2 9 9 0 . 6 0 8 3 0 . 9 0 5 7 二 0 . 9 7 0 1 1 . 0 0 0 二 0 . 9 0 9 5 0 . 9 9 6 1 护护护-护护护 邓代强， 姚中亮， 唐绍辉， 等. 充填体单轴压缩韧性性能试验研究 [ J ] . 矿业研究与开发， 2 0 0 5 , 2 5 5 2 6 一 3 0 . 徐志英. 岩石力学「 M ] . 北京 中国水力水电出版社， 1 9 9 1 . 肖 树芳， 扬淑碧. 岩体力学【 M ] ‘ 北京 地质出版社， 1 9 8 7 . 邓代强. 安庆铜矿特大型采场充填体力学性能、 损伤及稳定性研 究【 D ] . 长沙 长沙矿山研究院， 2 0 0 5 . 中国建材研究院水泥所. 水泥性能及其检验[ M] . 北京 中国建 材工业出版社， 1 9 9 4 . ，IJ工esJJ工︸esesjl...JllJ 1，‘飞J41、J resLF.几Jr..Lr.LFesL 但是， 从表7中配比为1 6 的试件强度随质量浓 度的变化曲线看到3 d 强度随质量浓度变化曲线采用 线性函 数Y1 . 6 9 1 6 x 3 一 0 . 7 7 0 5 拟合试验值时， 相关 系数的 平方值矿 0 . 7 9 1 2 0 . 8 ， 观察拟合公式和原 试验值的拟合效果， 曲 线拟合不够理想， R值偏低， 当 采 用 二次函 数Y4 0 . 3 2 9 x 3 2 一 5 3 . 5 0 7 x 3 1 8 . 0 9 时 拟 合效 果较好， 此时矿0 . 9 9 7 2 ; 当1 6 试件强度随 质量浓度变化曲线的2 8 d 强度采用线性函数Y 二 6 . 9 6 2 6 x ， 一 2 . 7 4 4 3 拟 合 时， R 2 0 . 6 6 8 2 ， 重 新 选 择 二 次 函 数拟合公式Y 2 0 7 . 1 7 x 3 ’ 一 2 7 6 . 5 9 X 3 9 4 . 1 3 8 对 试验值拟合， 得到矿 0 . 9 3 9 2 ， 从而使拟合程度得到 大的改善。同样的， 配比为1 1 2 的试件强度随质量浓 度的变化曲线看到3 d 强度随质量浓度变化曲线采用 线性函数Y二 0 . 3 1 7 8 x 3 一0 . 0 9 3 5拟合时， r仅为 0 . 3 0 0 1 ， 这说明了 这种拟合方式的 程度相当 低， 当采用 三 次 多 项 式函 数Y 1 0 3 5 . 7 x 3 ’ 一 2 1 1 2 . 5 x 3 2 1 4 3 5 3 x 3 作用， 从实验结果可以看到， 干料中水泥含量从4 . 7 6 增加到2 0 即灰砂配比1 2 0 一 1 4 ， 对应试件的强 度增幅是非常大的。 2 影响充填体强度的主要因素还有龄期和质量 浓度。相比较， 同一浓度条件之下， 龄期对强度具有极 大的影响， 随龄期的增加， 其强度呈现出跃进式递增。 从实验结果中看到， 各相同浓度不同龄期的试件， 强度 受龄期影响很大， 而对于同一龄期不同浓度的试件， 随 着浓度的变化， 强度增幅较为缓慢， 3 d 和7 d 龄期试 件强度更是如此。 3 可以预见， 当达到较长的龄期， 即试件达到长 期强度， 试件内部化学作用及力学性能趋于稳定时， 各 因素对混凝土充填体强度的影响效果将逐渐趋于稳 定。 此外， 充填体强度与尾砂性质也存在较为密切的 关系， 其强度变化规律在一定程度上受到尾砂物理化 学性质的影响。 4 采用数据拟合的方法， 对试验数据进行回归， 作出了 不同灰砂比、 浓度及龄期条体下试块强度的相 应的拟合公式， 拟合公式和原试验值的拟合效果较好， 相关系数达到精度要求， 这样使得整个试验更具实 用性。 参考文献 内j，刃 20