磷石膏膠結充填體強度演化規律及充填體作用機理研究

填海法是保護土壤資源和生態環境、實現無浪費開采、消除重大風險的理想方式。經現場調研發現,位于湖北宜昌地區的某磷礦一般直接銷售原礦,重選尾礦產出量遠遠低于充填骨料需求量,可能的充填骨料為湖北宜昌西部化工有限公司排棄的固體廢料磷石膏,如能將磷石膏作為主要充填骨料充填至井下采空區,不僅可以解決礦山充填料來源問題,而且可以最大程度地減少磷石膏廢棄物排放量,經濟效益、社會效益和環境效益顯著由于磷石膏是化工企業固體廢料,強酸性且含有磷、氟等殘留物本文通過激光粒度測試及X射線衍射的方法對磷石膏和重選尾砂的物理化學性質進行了測定與分析;通過多骨料充填體配比實驗探究了不同養護齡期下的強度演化規律;利用電鏡掃描(SEM)呈現了磷石膏膠結充填體的微觀結構,并揭示了磷石膏膠結充填體作用機理。基于以上研究成果,論證了基于磷石膏的多骨料充填的可行性,不僅能改善礦山目前的回采安全性問題,而且可以為眾多磷礦山提供工程借鑒,對提高磷礦資源開發利用總體技術水平,保護當地生態環境具有重要的示范效應。1填充材料的物理特性1.1充填材料的力學參數本文擬采用磷石膏和宜昌某磷礦重選尾礦作為充填骨料。比重、密度、滲透性及粒徑組成是影響充填體強度的主要指標,經過多次取樣,磷石膏和重選尾礦的物理力學參數測定結果如表1所示,粒徑組成及粒徑性狀參數如表2～表3所示。由表中數據可知,磷石膏中約有83.5%的顆粒粒度小于0.075mm,且中值粒徑只有0.013mm,相對一般礦山所用的充填骨料粒度而言,屬于超細粒徑的物料,充填料漿的質量濃度和充填體的強度均可能較低。重選尾礦(2mm以下)粒度相對較粗,有90.84%的粒度小于0.25mm,中值粒徑為0.468mm,相比磷石膏粒度較粗,對充填體的強度有積極的影響。1.2骨料化學成分的測定磷石膏和重選尾礦的化學成分測定結果如表4～表5所示,由表可知:磷石膏的化學成分中90%為二水石膏(CaSO2多骨料結合試驗2.1試驗材料及參數確定本試驗在對充填骨料的物化特性進行詳細分析的基礎上,對不同灰砂比、不同質量濃度的充填料漿進行強度參數測定。再結合具體礦山實際情況優選出配套的充填材料的最佳配比,以期實現技術可行、經濟合理的基于磷石膏的多骨料充填技術。試驗的充填骨料為磷石膏和重選尾礦(破碎至2mm以下);膠凝材料為普通32.5水泥;水為礦山生產用水。2.2充填料漿養護與強度測試(1)充填料漿制備。將按配比參數精確計量的試驗材料依次緩慢倒入小型攪拌桶中,開啟攪拌桶將各個物料進行充分攪拌均勻,一次攪拌時間約3～5min,制備成方案設計的均質的充填料漿。(2)充填試塊澆筑。將制備好的充填料漿澆筑于70.70mm×70.70mm×70.70mm的標準三聯試模中。(3)試模處理。試塊澆筑完成之后,適當在其上方多澆一些料漿,使其自然沉降初凝之后,使用抹刀將模具上方多余的料漿抹掉,并抹平試塊表面,待試塊能夠自立之后再進行試塊脫模。(4)試塊養護與強度測試。將編號分類之后的試塊放在養護箱中按照設定的養護條件(溫度18℃、濕度85%)進行養護,待養護齡期至7,28,56d之后,分別取出部分試塊進行強度試驗。2.3重選尾礦添加比例對充填體強度的影響7d和28d齡期試塊的單軸壓縮試驗所得到的應力-位移曲線分別如圖1和圖2所示。56d齡期試塊的單軸抗壓強度測試結果如表6所示。試驗結果表明:(1)添加重選尾礦可明顯加快充填體的固結速度,同時充填體的早期及中期強度也相應增大。隨著重選尾礦添加比例的增大,每組充填體早期(7d)強度依次為0.44,0.48,0.64,0.76,0.87,1.14,1.35MPa,中期(28d)強度依次為0.92,0.99,1.26,1.62,1.88,2.26,2.67MPa;(2)添加的重選尾礦雖然可以有效提高充填體強度,但其添加比例應在兼顧充填體強度和流動性的情況下,根據實驗結果優化確定;(3)普通膠結充填體28d強度基本可以達到最終強度的80%以上,而磷石膏充填體28d強度僅為最終強度的40%～60%左右,即磷石膏充填體雖然早期強度較低,但其后期強度較高。3不同年齡的石膏磷酸酯填充體強度繁殖規律3.1不同齡期試塊的養護體水化反應同一配比下養護齡期分別為7,28,56d的充填體的全應力-應變曲線如圖3所示,由圖3可知:養護齡期越長,充填體在單軸壓縮過程中強度越大,加載到峰值荷載的應變越小,即應變率越小,說明隨著養護齡期的增長,充填體逐漸由塑性向脆性轉化,養護時間越長,充填體內部的水化反應越完全,水化產物也越穩定3.2各試塊強度演化規律多骨料充填體7,14,28,56d及72d強度測試結果如表7所示,1～3號試塊強度演化規律如圖4所示,4～6號試塊強度演化規律如圖5所示。由測試結果可知:多骨料充填體的長期強度增長規律基本符合Logistic函數“S”型曲線的特征,早期強度增長平穩,增長較快且強度較高,中期強度可達到后期強度的50%左右,多骨料充填體的強度增長相對穩定。4多骨材料填充體強度發育的微觀機制4.1充填體微觀結構將灰砂比1∶10、質量濃度70%的多骨料充填試塊放入養護箱養護到某齡期,中止水化,制作觀察試樣,7d和28d充填試塊的微觀結構如圖6和圖7所示。由圖6可知:在水化7d時,棱柱狀或板狀的磷石膏結晶清晰可見,表面富集物消失,在CaSO4.2充填體內部類物多骨料充填體受壓破壞形態如圖8所示,由圖8可知:磷石膏、重選尾礦混合料充填體的破壞形式與一般充填體的破壞形式一致,都是首先出現大的裂隙,然后發生大的片落現象,但是通過觀察可以發現,除了大的片落之外,破壞的多骨料充填體只會產生極少的粉狀物。多骨料充填體由于基本上都是由細顆粒膠凝而成的,細顆粒與膠凝材料粒度基本一致,經過充分混合均勻之后,再通過膠凝材料連接,故而其整體性良好,其內部只有很少的弱面。充填體受壓時,只會產生大的片落現象,粉狀物很少產生,屬于脆性破壞。5充填體長期強度增長規律(1)磷石膏約有83.5%的顆粒粒度小于0.075mm,且中值粒徑很小,只有0.013mm,屬于超細粒徑的物料,充填料漿的質量濃度和強度均較低。重選尾礦粒度相對較粗,有90.84%的顆粒粒度小于0.25mm,中值粒徑為0.468mm,對充填體的強度有積極的影響。(2)用磷石膏作為充填骨料時,充填體的早期強度較低,普通膠結充填體28d強度基本可以達到最終強度的80%以上,而磷石膏充填28d強度僅為最終強度的40%～60%左右,即磷石膏充填體雖然早期強度較低,但其后期強度較高。(3)基于磷石膏和重選尾砂的多骨料充填體的長期強度增長規律基本符合Logistic函數“S”型曲線的特征,早期強度增長平穩,增長較快且強度較高,中期強度可達到后期強度的50%左右,多骨料充填體的強度增長相對穩定。(4)基于磷石膏