高水速凝充填材料的风化特征和风化机理

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.05.002 第18卷第5期 北京科技大学学报 Vo1.18No.5 1996年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1996 高水速凝充填材料的风化特征和风化机理 蔡嗣经毛市龙方祖烈 北京科技大学资源工程学院，北京100083 摘要高水速凝固化胶结充填材料在养护至60d左右时，开始出现风化现象，到90d时较严重， 风化原因是空气中的二氧化碳侵蚀充填材料中的钙矾石晶体以及材料中含有的自由重力水的逸 出等造成的.保持恒温恒湿的环境条件是防止这种充填材料风化的可行途径之一， 关键词充填材料，钙矾石，风化机理 中图分类号TD85 矿山全尾砂胶结充填的理论和技术研究目前正朝着两个方向发展：一是全尾砂膏体泵送 充填，二是高水速凝固化充填技术.膏体泵送胶结充填的水泥单耗低，所形成的充填体强 度高，充填成本较低，适合于短距离输送长距离输送应采用高水速凝固化充填技术.从目前 的实验室研究和工业实践来看，高水速凝固化充填材料的主要问题是风化较严重本文对这 种充填材料的风化特征进行了试验研究 1高水速凝充填材料的风化特征 表1充填材料物理性质 1.1试验用充填材料 材料容重/t·m3p/1·m3 w(H2O)(%) 试验用的充填材料由金川有色金属 全尾砂 1.183 2.634 14.0 公司龙首矿提供，有高水速凝固化胶结 粉煤灰 0.813 1.805 20.0 剂（单浆料）、全尾砂、发电厂粉煤灰等， 高水速凝 总质量为420kg.对上述充填材料进行 单浆料 0.812 2.714 了一般物理性质测定.测定结果如表1所 示 1.2试验方法和步骤 所有试验项目和试验过程，严格按照文献[2]的标准进行. (1)根据现场工业试验所要求的数据：水灰质量比为1：25，设计料浆固体质量分数 68%,实际料浆固体质量分数60%~65%.确定试验样品分组为：1)按料浆固体质量分数 分为：60%和65%2组；2)按单浆固化料含量分为：20%和15%2组；3)按粉煤灰含量分 为：0和10%2组. 1995-11-10收稿 第一作者男43岁副教授

第 1 8卷 第 5期 1 9 9 6年 1 0月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i yt o f S e i e n e e a . d T e c h n o l o gy B e ij in g V o l 。 1 8 N O 一 5 O C L 1 9 9 6 高水速凝充填材料 的风化特征和 风化机理 蔡嗣 经 毛市龙 方祖烈 北京科技大学资源工程学 院 . 北京 10 0 0 83 摘要 高水 速凝 固 化胶结充填材 料在养护至 60 d 左右 时 , 开始 出现 风化现象 , 到 90 d 时较严重 . 风化 原因 是空 气 中的 二氧化碳侵 蚀充填材料 中的钙矾石 晶体以及 材料 中含有的 自由重力水 的逸 出等 造成的 . 保 持恒温恒 湿的环境条件是防止这种充填材料风化 的可 行途径之一 关键词 充填材 料 , 钙矾石 , 风化机理 中图分类号 T D 8 5 矿 山 全 尾砂胶 结 充填 的理 论和 技术研 究 目前 正朝 着两个 方 向发展 : 一是 全尾 砂 膏体 泵送 充填 , 二是 高 水速凝 固化充 填技 术〔` } . 膏 体泵送 胶结 充填 的水 泥单 耗低 , 所形 成 的充填 体强 度高 , 充填 成本 较低 , 适 合于 短距 离输 送 . 长距 离输 送应 采用 高水 速凝 固化 充填 技术 . 从 目前 的实 验室 研究 和 工 业 实践来 看 , 高 水速凝 固化充 填材 料 的主要 问题 是风 化较 严重 . 本 文对 这 种 充填 材 料 的风化 特 征进 行 了 试验研 究 . 1 高水速凝 充填材料的风化特征 1 . 1 试验 用 充填材料 试 验 用 的充 填 材料 由金川 有 色 金 属 公 司龙 首 矿 提 供 , 有 高水 速 凝 固化 胶 结 剂 ( 单 浆 料 ) 、 全 尾 砂 、 发 电厂 粉煤 灰 等 , 总 质 量 为 4 2 0 k g . 对 上 述 充 填 材 料 进 行 了 一般 物 理性 质 测 定 . 测 定 结果 如 表 l 所 不 . 表 1 充填材料物 理性质 材 料 . 容重八 · m ” 尸八 · m 一 , 呵H 2 0 ) (% ) 全 尾砂 1 . 1 8 3 2 . 6 3 4 1 4 . 0 粉煤灰 0 . 8 1 3 1 . 8 0 5 2 0 . 0 高水速凝 一 一 一 单浆料 0 . 8 12 2 . 7 1 4 一 1 . 2 试验方法 和步 骤 所有 试 验项 目 和试验 过 程 , 严格 按照 文 献 2[ 〕的标 准进 行 . (l ) 根 据 现 场 工 业 试 验 所 要 求 的数 据 : 水 灰 质 量 比 为 1 : .2 5 , 设 计 料 浆 固体 质量 分 数 68 % , 实 际料 浆 固体 质量 分数 60 % 一 65 % . 确 定 试验样 品分组 为 : l) 按料浆 固体质 量分 数 分 为 : 60 % 和 65 % 2 组 ; 2) 按 单 浆 固 化料 含 量分 为 : 20 % 和 巧 % 2 组 ; 3) 按 粉煤 灰含 量 分 为 : 0 和 10 % 2 组 . 19 9 5 一 1 1 一 1 0 收稿 第一 作者 男 43 岁 副教授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1996. 05. 002

Vol.18 No.5 蔡嗣经等：高水速凝充填材料的风化特征和风化机理 ·407· (2)为了研究充填材料的风化特征，确定试验样品的养护龄期分别为30d,60d,90d, 150d4组. (3)为确保试验数据具有代表性，每种相同组分相同养护龄期的试样均灌制3个 (④)根据龙首矿井下温度、湿度等的实际资料，确定试验样品的养护环境条件为：温度 24~26℃，湿度95%~97%. (⑤)按所设计好的试验样品的固体质量分数、组分含量等分批分组灌制试验样品.各种 组分材料称量后，倒人电动料浆搅拌机中搅拌3~5mi,力求使各种组分混合均匀.样品灌 制成7.07cm×7.07cm×7.07cm即353.40cm的方块. (6)灌制好的样品，原地固结养护24后撤去模具；然后，将样品放人长期养护桶中养 护. (⑦)结束养护龄期的试块从养护桶中取出，在万能材料试验机上作抗压强度试验，记录 试块在破坏时的荷载，计算各试块的抗压强度强度测试压裂后的试块全部集中起来，置于 实验室桌面上，在室温环境下观察其自然风化的特征与状态 1.3试块压裂破坏时的形状和抗压强度 30d龄期的试块：试块破坏时为典型的鼓状，如图1()所示.此种情形可定义为塑性流 (a) (b) (c) (d) 图1试块破坏时的形状(a)鼓形，(b)裂隙，(c)散体，(d劈裂状 动破坏.60龄期的试块：试块破坏时呈一定鼓状，破坏原因为交叉的剪切裂隙所剪坏，如 图1(b)所示.90d龄期的试块：试块破坏时成碎裂状，表现为散体破坏，如图1（©）所示 150d龄期的试块：试块破坏时表层碎裂，而中心部分为劈裂状，如图1(d)所示.组分相同、 养护龄期相同的3组试块，由实验测得的抗压强度的平均数值列在表2中 表2试块平均抗压强度/MPa 料桨固体 养护时 充填材料中胶结剂的质量分数 单桨料20% 单桨料20% 单桨料15% 单桨料15% 质量分数/%间d 粉煤灰0 粉煤灰10% 粉煤灰0 粉煤灰10% 30 0.55 0.63 0.44 0.50 60 60 0.57 0.67 0.54 0.44 90 0.44 0.45 0.40 0.50 150 0.58 0.53 0.29 0.23 30 0.71 0.82 0.53 0.65 65 60 0.89 0.82 0.43 0.66 90 0.58 0.51 0.56 0.51 150 0.63 0.86 0.38 0.39

v ol . 18 N o. 5 蔡嗣 经等 : 高水速凝充填材料的风化特征和 风化机理 . 4 07 . (2 ) 为 了 研 究 充 填 材 料 的 风 化 特 征 , 确 定 试 验 样 品 的养 护龄 期 分 别 为 30 d , 60 d , 90 d, 15 0 d 4 组 . (3 )为确 保试验 数据具 有代 表性 , 每 种相 同组 分相 同养 护龄期 的试样 均灌 制 3 个 . (4 )根 据 龙首 矿 井下 温度 、 湿 度等 的 实际 资料 , 确定 试 验样 品 的养 护 环境条 件 为 : 温度 2 4 ~ 2 6 oC , 湿度 9 5 % ~ 9 7 % . (5) 按所 设计 好 的 试验 样 品的 固体 质量 分数 、 组 分 含量 等 分批 分组 灌 制 试验 样 品 . 各 种 组 分材料 称量 后 , 倒 人 电动料浆 搅 拌机 中搅 拌 3 一 s m in , 力 求使各 种 组分混 合均匀 . 样 品灌 制 成 7 . 0 7 e m x 7 . 0 7 e m x 7 . 0 7 e m 即3 5 3 . 4 0 e m , 的方 块 . (6 )灌 制好 的样 品 , 原地 固结 养护 24 h 后撤 去模 具 ; 然 后 , 将样 品放 人 长期养 护桶 中养 护 . ( 7) 结 束养 护 龄期 的试 块从养 护桶 中取 出 , 在万 能材 料 试验 机 上作 抗压 强度 试 验 , 记录 试 块 在破 坏 时的荷 载 , 计算 各 试块 的抗 压强 度 . 强 度测 试压 裂后 的试块 全部 集 中起来 , 置 于 实验 室桌 面上 , 在室 温环 境下 观 察其 自然风 化的 特征 与状 态 . 1 . 3 试块压裂破坏时的形 状和抗压 强度 30 d 龄期 的试块 : 试块 破 坏 时为典 型的鼓 状 , 如 图 1( a) 所 示 . 此种 情形 可定 义 为塑性 流 , . { ` } 汀 厂 l 图1 试块 … 破 川 坏时的形状( a) 鼓形 履, (b) 裂隙 , c( )散体 粼, (d) 劈裂状 动破 坏 . 60 d 龄期 的试 块 : 试块 破坏 时呈 一定鼓 状 , 破 坏原 因 为 交叉 的剪 切裂 隙所 剪坏 , 如 图 l( b) 所 示 . 90 d 龄 期 的 试 块 : 试 块 破 坏 时成 碎 裂 状 , 表 现 为 散 体破 坏 , 如 图 l( c) 所 示 . 1 50 d 龄期 的 试块 : 试块破 坏 时表层 碎裂 , 而 中心部分 为劈 裂状 , 如 图 l (d) 所 示 . 组 分相 同 、 养 护 龄期 相 同的 3 组 试块 , 由实验测 得 的抗 压 强度 的平 均数值 列在 表 2 中 . 表 2 试 块平均抗压强度 / M P a 料桨固 体 质 量分 数/ % 养 护时 间 /d 充填材料 中胶结剂的质量分数 单桨料2 0 % 粉煤灰 0 单 桨料 20 % 粉煤灰 10 % 单桨料 巧% 粉煤灰0 单桨料 巧 % 粉煤灰 10 % 一nCU八” ù 0 . 5 5 0 5 7 0 . 4 4 0 . 5 8 0 . 7 1 0 . 8 9 0 . 5 8 0 . 6 3 0 . 6 3 0 . 6 7 4 5 5 3 8 2 8 2 0 . 5 1 0 . 8 6 0 . 4 4 0 . 5 4 0 . 4 0 0 . 2 9 0 . 5 3 0 . 4 3 0 . 5 6 0 . 3 8 0 . 5 0 0 . 4 4 5 0 2 3 6 5 6 6 nUO 一 00 ”nUO ,`UCJ, 0 . 5 1 0 . 3 9 nU0 ,J69

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v ol . 18 N . o 5 蔡嗣 经等 : 高水速凝充填材料的风化特征和 风化机理 . 4 07 . (2 )为 了 研 究 充 填 材 料 的 风 化 特 征 , 确 定 试 验 样 品 的养 护龄 期 分 别 为 30 d , 60 d , 90 d, 15 0 d 4 组 . (3 )为确 保试验 数据具 有代 表性 , 每 种相 同组 分相 同养 护龄期 的试样 均灌 制 3 个 . (4 )根 据 龙首 矿 井下 温度 、 湿 度等 的 实际 资料 , 确定 试 验样 品 的养 护 环境条 件 为 : 温度 2 4 ~ 2 6 oC , 湿度 9 5 % ~ 9 7 % . (5) 按所 设计 好 的 试验 样 品的 固体 质量 分数 、 组 分 含量 等 分批 分组 灌 制 试验 样 品 . 各 种 组 分材料 称量 后 , 倒 人 电动料浆 搅 拌机 中搅 拌 3 一 s m in , 力 求使各 种 组分混 合均匀 . 样 品灌 制 成 7 . 0 7 e m x 7 . 0 7 e m x 7 . 0 7 e m 即3 5 3 . 4 0 e m , 的方 块 . (6 )灌 制好 的样 品 , 原地 固结 养护 24 h 后撤 去模 具 ; 然 后 , 将样 品放 人 长期养 护桶 中养 护 . ( 7) 结 束养 护 龄期 的试 块从养 护桶 中取 出 , 在万 能材 料 试验 机 上作 抗压 强度 试 验 , 记录 试 块 在破 坏 时的荷 载 , 计算 各 试块 的抗 压强 度 . 强 度测 试压 裂后 的试块 全部 集 中起来 , 置 于 实验 室桌 面上 , 在室 温环 境下 观 察其 自然风 化的 特征 与状 态 . 1 . 3 试块压裂破坏时的形 状和抗压 强度 30 d 龄期 的试块 : 试块 破 坏 时为典 型的鼓 状 , 如 图 1( a) 所 示 . 此种 情形 可定 义 为塑性 流 , . { ` } 汀 厂 l 图1 试块 … 破 川 坏时的形状( a) 鼓形 履, (b) 裂隙 , c( )散体 粼, (d) 劈裂状 动破 坏 . 60 d 龄期 的试 块 : 试块 破坏 时呈 一定鼓 状 , 破 坏原 因 为 交叉 的剪 切裂 隙所 剪坏 , 如 图 l( b) 所 示 . 90 d 龄 期 的 试 块 : 试 块 破 坏 时成 碎 裂 状 , 表 现 为 散 体破 坏 , 如 图 l( c) 所 示 . 1 50 d 龄期 的 试块 : 试块破 坏 时表层 碎裂 , 而 中心部分 为劈 裂状 , 如 图 l (d) 所 示 . 组 分相 同 、 养 护 龄期 相 同的 3 组 试块 , 由实验测 得 的抗 压 强度 的平 均数值 列在 表 2 中 . 表 2 试 块平均抗压强度 / M P a 料桨固 体 质 量分 数/ % 养 护时 间 /d 充填材料 中胶结剂的质量分数 单桨料2 0 % 粉煤灰 0 单 桨料 20 % 粉煤灰 10 % 单桨料 巧% 粉煤灰0 单桨料 巧 % 粉煤灰 10 % 一nCU八” ù 0 . 5 5 0 5 7 0 . 4 4 0 . 5 8 0 . 7 1 0 . 8 9 0 . 5 8 0 . 6 3 0 . 6 3 0 . 6 7 4 5 5 3 8 2 8 2 0 . 5 1 0 . 8 6 0 . 4 4 0 . 5 4 0 . 4 0 0 . 2 9 0 . 5 3 0 . 4 3 0 . 5 6 0 . 3 8 0 . 5 0 0 . 4 4 5 0 2 3 6 5 6 6 nUO 一 00 ”nUO ,`UCJ, 0 . 5 1 0 . 3 9 nU0 ,J69

Vol.18 No.5 蔡嗣经等：高水速凝充填材料的风化特征和风化机理 ·409· 2.3高水速凝充填材料的风化机理探讨 (1)高水速凝固化胶结充填材料的强度，主要依赖于材料中钙矾石的逐渐生长和发育.这 种钙矾石的分子式为3Ca0·AL,03·3CaS04·(30~32)H,0.钙矾石的含水量很高，故质 量较轻.当受空气中的C02侵蚀时，钙矾石晶体便被破坏或粉碎成颗粒状，同时生成碳酸 钙、硫酸钙等.从扫描电镜照片图2()和(b)可见，30d养护龄期的高水速凝固化充填材料 较致密，表明其钙矾石晶体发育较好并相互啮合，因而其强度较高；当养护龄期达到90d 时，材料的致密程度大为降低，照片上也只能找到少数几个钙矾石晶体，说明此时钙矾石晶 体已大量解体，故其强度低. (2)高水速凝充填材料的固化体中含有较多的游离结晶水，在干燥的环境中这些游离结 晶水会逐渐逸出或挥发，导致充填材料的松散、脱落或自动解体，故其强度不断下降， 3结论 (1)在恒温恒湿条件下，单浆高水固化胶结充填材料不会快速风化，只会在其表层出现 一定的软松现象.当养护时间超过60d后，试块的风化现象明显，强度有所降低.养护90d 时，其强度最低，表明该充填材料中所形成的钙矾石已基本解体，风化程度较严重.(2)高水速 凝固化胶结充填材料，在空气中与二氧化碳发生作用使钙矾石晶体碎裂而逐渐风化是材料 本身的固有缺陷.为防止这种材料迅速风化，保持恒温恒湿的环境条件并对其外表进行适 当密封是可行的途径之一， 参考文献 1蔡嗣经.矿山充填力学基础.北京：治金工业出版社，1994.1~17 2中华人民共和国水利电力部.土上试验规程(SD128-84)(第一分册).北京：水电出版社，1988 Weathering Charecteristics and Mechanisms of Rapid-Hardening Backfill Materials Cai Sijing Mao Shilong Fang Zulie College of Resources Engineering,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT When curing time of rapid-hardening backfill materials is up to 60 days, the weathering of the materials will begin and at 90 days the weathering becomes more severe.The reasons of weathering happening are that the ettrin-gite in the backfill body is destroied by the erosion of CO in air,and the free water in the backfill body is dried out.An approch to keep the rapid-hardening backfill materials from weathering is to have a environment of unchanging temperature and unchanging moisture. KEY WORDS backfill materials,ettrin-gite,weathering mechanism

V o l . 18 N o s 蔡 嗣 经等: 高水速凝 充填材料 的风化特征和 风化机理 . 4 0 9 . 2 .3 高水 速 凝充 填材 料的风化机 理探 讨 (l ) 高水 速 凝 固化胶 结充 填 材料 的强度 , 主要 依赖 于材 料 中钙矾 石 的逐 渐生 长 和发 育 . 这 种 钙 矾石 的分 子式 为 3 C a o · A 1 2 0 3 · 3 C aS O ; · (30 一 3 2) H 2 0 · 钙矾 石 的含 水量 很高 , 故 质 量 较 轻 . 当受空 气 中 的 c o Z 侵 蚀 时 , 钙矾 石 晶 体便 被破 坏 或 粉碎 成 颗粒状 , 同时 生成 碳 酸 钙 、 硫酸 钙等 . 从 扫描 电镜 照 片 图 2 a( ) 和 ( b) 可见 , 30 d 养 护龄 期 的高水 速凝 固化充 填材 料 较致 密 , 表 明其 钙矾 石 晶体发 育 较好 并 相 互 啮合 , 因而 其强 度较 高; 当养 护 龄期达 到 90 d 时 , 材 料 的致 密程 度大 为降低 , 照 片上 也 只能 找到 少数几 个钙 矾 石晶体 , 说 明此 时钙矾 石 晶 体已 大量 解 体 , 故其 强度低 . (2 ) 高水 速凝 充填 材 料 的固 化体 中含 有 较多 的 游离 结 晶水 , 在 干燥 的环 境 中这 些游 离 结 晶水 会逐 渐逸 出或 挥 发 , 导致充 填 材料 的松 散 、 脱 落或 自动解 体 , 故其 强度 不 断下 降 . 3 结 论 ( l) 在恒 温恒 湿条 件 下 , 单 浆高 水 固化胶 结 充填 材料 不 会快 速风 化 , 只 会在 其 表层 出现 一定 的软 松现 象 . 当养 护时 间超 过 60 d 后 , 试块 的风化 现 象 明显 , 强度 有所 降低 . 养 护 90 d 时 , 其 强度 最低 , 表 明该 充填 材料 中所 形成 的钙 矾 石 已基 本解 体 , 风化 程度 较严 重 . (2) 高 水速 凝 固化胶 结 充 填材 料 , 在 空气 中与二 氧 化碳 发 生作 用 使 钙矾 石 晶体 碎 裂 而逐 渐 风 化是 材料 本 身 的 固有 缺 陷 . 为 防止 这种 材 料 迅 速风 化 , 保 持恒 温 恒 湿 的环 境 条件 并 对 其外 表 进 行 适 当密 封是 可行 的途 径之 一 参 考 文 献 l 蔡嗣 经 . 矿山 充填力学基 础 . 北 京 : 冶金 工 业 出 版 社 , 19 9 4 . 1 一 17 2 中华 人 民共 和 国水 利电力部 . 土 工 试验规程 (S D 12 8 一 8 4 )( 第一 分册 ) . 北 京 : 水 电出版社 , 19 8 8 W e a th e r i n g C h a r e c t e r i s t i c s a n d M e e h a n i s m s o f R a P i d 一 H a r d e n i n g B a c k if l l M a t e r i a l s aC i zjS i n g M 泛0 hS i l o n g aF n g Z u li e C o ll e g e o f R e s o u r e e s E n g i n e e r i n g , U S T B , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , P R C A B S T R A C T Wh e n e u r i n g t i m e o f r a P i d 一 h a r d e n i n g b a e k if l l m a t e r i a l s 1 5 u P t o 6 0 d a y s , ht e w e a t h e r i n g o f t h e m a t e r i a l s w ill b e g i n a n d a t 9 0 d a y s t h e w e a t h e r i n g b e e o m e s m o r e s e v e r e . T h e r e a s o n s o f w e a th e r i n g h a P P e n i n g a r e th a t th e e t r i n 一 g i t e i n t h e b a e k if ll b o d y 1 5 d e s t r o i e d b y t h e e r o s i o n o f C O Z i n a l r , a n d t h e fr e e w a t e r i n t h e b a e k if ll b o d y 1 5 d r 一e d o u t . A n a P P r o e h to k e e P t h e r a P l d 一 h a r d e n i n g b a e k if l l m a t e r i a l s fr o m w e a th e r i n g 1 5 t o h a v e a e n v i r o n m e n t o f u n e h a n g x n g t e m P e r a tu r e a n d u n e h a n g i n g m o l s tu r e . K E Y W O R D S b a e k if l l m a t e r i a l s , e t r i n 一 g i t e , w e a t h e r i n g m e e h a n i s m