·32· 工程科学学报，第39卷，第1期 全尾胶结膏体作为一种胶凝性工程材料，被世界 究).二氧化硅尾砂中99.8%的成分为Si0,其物理 范围内众多地下矿山所使用).全尾膏体充填的优 特性如表1所示，颗粒数量累计10%的直径(D。)为 势在于可以最大限度地减少尾矿排放，具有较好的环 1.9um,以下类推，粒径分布接近于九个硬岩矿山尾矿 境和经济效益.众多地下矿山选择膏体充填系统也是 的平均粒径，不均匀系数C.为16.2，曲率系数C。为 因为其久经考验、性价比高、充填质量好等特性5-6] 1.3.胶凝材料采用I类型波特兰水泥(PCI)和粉状炉 正如所有充填方法一样，力学性能是膏体充填重要的 渣，二者混合质量比为1：1，膏体拌合水采用自来水. 质量评判标准之一]，这是因为充填采场必须自立或 硅酸钠也称为水玻璃，通常采用碱金属和二氧化硅按 者支撑顶板确保相邻采场开采时的安全性.一般来 照一定得比例制成，本试验采用一种N型商业水玻 说，每种材料由于其内部微观结构的不同，其破坏特征 璃，其质量比Si02:Na,0为3：2. 都有其唯一性，而应力一应变曲线可以很好的反映这 表1人造二氧化硅尾矿物理特性 一损伤过程 Table 1 Physical properties of the artificial silica tailing 目前，对于充填体损伤本构模型研究较多.比如， 密度，G,/ C. C 邓代强等[⑧]对某铜尾矿不同配比充填体进行强度试 (g.cm-3) μm μmμm um 验，并通过破坏过程中的应力-应变曲线，建立了充填 2.7 1.9 9.022.531.516.21.3 体的损伤演化方程.刘志祥等)根据统计损伤理论， 在材料微元强度服从Weibull分布规律的基础上，引 1.2膏体初始温度控制 试验考虑不同初始温度(2、20、35和50℃)膏体 入有效损伤率参数来表征损伤材料的承载能力，建立 损伤本构模型，因此初始温度控制对整个试验非常关 尾砂胶结充填体在单轴压缩条件下的损伤软-硬化本 键.温度下限选择2℃是因为膏体需要保持特流态状进 构模型.张发文[]分析充填体的细观损伤机制及损 行管道输送，所以膏体初始温度需要大于0℃：根据其 伤特性，推导出在全尾砂胶结体和废石尾砂胶结体两 他文献数值模拟和试验结果，膏体到达采场最高温度 种不同的损伤本构方程模型.这些模型均没有考虑初 可以达到50℃[四.四种初始温度中，20℃视为室温， 始回填温度的影响：而回填膏体由于种种原因，即使配 直接采用自来水，对其他集料也无需做加热或者冷却， 比一样，其初始温度（膏体到达采场时间为零时的温 膏体料配置好后，采用温度计测量膏体温度为(20± 度)也会由于气候、管道输送、材料来源、储存方式等 2)℃即可.膏体初始温度为2℃时，将尾矿、水以及水 因素变化而不同.不同的初始回填温度，必然导致 泥称量好，放入试验专用冷柜（最低温度-10℃），并 膏状充填体在大面积暴露情况下的弹塑性区域及延展 采用温度计(-50~300℃)对各集料温度示踪.如图1 性能不同，进而影响回采矿柱时贫化指标.通过研究 (a),直至各集料初始温度达到2℃.膏体初始温度为 硬化膏体破坏过程和损伤行为，了解不同初始回填温 35℃和50℃时，则将称量好的集料放入烤箱进行加热 度条件下硬化膏体的应力-应变本构关系，对于采场 (温度控制范围0~120℃)，同样采用温度计对集料温 安全、充填管理等至关重要 度示踪，待其初始温度达到设计温度时，方可进行试 因此，本文通过室内单轴试验，获得不同初始回填 验，如图1(b).值得注意的是，在膏体料装入养护量 温度(2、20、35和50℃)、不同养护龄期(0.25、3、7和 筒之前，需确保其温度为目标温度 28d)全尾膏体应力-应变曲线，采用理论推导获得相 1.3膏体配比、养护及强度测试 应的损伤本构模型.综合考虑初始温度和养护时间两 膏体料配比：固体料中胶凝材料的质量分数为 个因素，提出温度-时间耦合效应下膏体统一损伤本 4.5%,水灰质量比7.6，固体料中水玻璃的质量分数 构模型.最后将该模型嵌入Comsol软件固体力学模 为0.4%.尾矿、胶凝剂、水玻璃和水采用B20F搅拌 块，对膏体单轴试验进行数值模拟，模拟应力-应变曲 机，搅拌约7min,确保膏体料均匀.将制备好的膏体 线与试验结果相吻合，表明该模型具有较高的可靠性. 料放入直径5cm,高度10cm的圆柱型养护量筒，并采 1初始温度条件下全尾胶结膏体单轴压缩 用塑料盖密封，尽量减少外界环境对膏体料养护的影 响，便于单独开展初始温度的影响.养护量筒周围采 试验 用隔热保温材料包裹，放置于自制养护箱.养护箱内 1.1试验材料 部底面、侧壁和顶部也采用保温材料进行铺设.这一 试验材料包括全尾砂（人造二氧化硅尾砂）、胶凝 举措主要是模拟膏体在采场中被围岩包裹这一事实， 材料、硅酸钠和水.采用人造二氧化硅尾砂的优势在 膏体料散热或者吸热并不会很迅速.整个养护装置放 于可以精准的控制矿物和化学组成，将其他不确定性 置于室温条件下（约20℃）进行养护，主要是便于单独 影响因素降到最低，而只针对初始温度影响进行研 开展初始温度对充填体力学性能的影响研究.工程科学学报,第 39 卷,第 1 期 全尾胶结膏体作为一种胶凝性工程材料,被世界 范围内众多地下矿山所使用[1鄄鄄4] . 全尾膏体充填的优 势在于可以最大限度地减少尾矿排放,具有较好的环 境和经济效益. 众多地下矿山选择膏体充填系统也是 因为其久经考验、性价比高、充填质量好等特性[5鄄鄄6] . 正如所有充填方法一样,力学性能是膏体充填重要的 质量评判标准之一[7] ,这是因为充填采场必须自立或 者支撑顶板确保相邻采场开采时的安全性. 一般来 说,每种材料由于其内部微观结构的不同,其破坏特征 都有其唯一性,而应力鄄鄄 应变曲线可以很好的反映这 一损伤过程. 目前,对于充填体损伤本构模型研究较多. 比如, 邓代强等[8] 对某铜尾矿不同配比充填体进行强度试 验,并通过破坏过程中的应力鄄鄄 应变曲线,建立了充填 体的损伤演化方程. 刘志祥等[9] 根据统计损伤理论, 在材料微元强度服从 Weibull 分布规律的基础上,引 入有效损伤率参数来表征损伤材料的承载能力,建立 尾砂胶结充填体在单轴压缩条件下的损伤软鄄鄄硬化本 构模型. 张发文[10] 分析充填体的细观损伤机制及损 伤特性,推导出在全尾砂胶结体和废石尾砂胶结体两 种不同的损伤本构方程模型. 这些模型均没有考虑初 始回填温度的影响;而回填膏体由于种种原因,即使配 比一样,其初始温度(膏体到达采场时间为零时的温 度)也会由于气候、管道输送、材料来源、储存方式等 因素变化而不同[11] . 不同的初始回填温度,必然导致 膏状充填体在大面积暴露情况下的弹塑性区域及延展 性能不同,进而影响回采矿柱时贫化指标. 通过研究 硬化膏体破坏过程和损伤行为,了解不同初始回填温 度条件下硬化膏体的应力鄄鄄 应变本构关系,对于采场 安全、充填管理等至关重要. 因此,本文通过室内单轴试验,获得不同初始回填 温度(2、20、35 和 50 益 )、不同养护龄期(0郾 25、3、7 和 28 d)全尾膏体应力鄄鄄 应变曲线,采用理论推导获得相 应的损伤本构模型. 综合考虑初始温度和养护时间两 个因素,提出温度鄄鄄 时间耦合效应下膏体统一损伤本 构模型. 最后将该模型嵌入 Comsol 软件固体力学模 块,对膏体单轴试验进行数值模拟,模拟应力鄄鄄应变曲 线与试验结果相吻合,表明该模型具有较高的可靠性. 1 初始温度条件下全尾胶结膏体单轴压缩 试验 1郾 1 试验材料 试验材料包括全尾砂(人造二氧化硅尾砂)、胶凝 材料、硅酸钠和水. 采用人造二氧化硅尾砂的优势在 于可以精准的控制矿物和化学组成,将其他不确定性 影响因素降到最低,而只针对初始温度影响进行研 究[11] . 二氧化硅尾砂中 99郾 8% 的成分为 SiO2 ,其物理 特性如表 1 所示,颗粒数量累计 10% 的直径(D10 ) 为 1郾 9 滋m,以下类推,粒径分布接近于九个硬岩矿山尾矿 的平均粒径,不均匀系数 Cu 为 16郾 2,曲率系数 Cc 为 1郾 3. 胶凝材料采用玉类型波特兰水泥(PCI)和粉状炉 渣,二者混合质量比为 1颐 1,膏体拌合水采用自来水. 硅酸钠也称为水玻璃,通常采用碱金属和二氧化硅按 照一定得比例制成,本试验采用一种 N 型商业水玻 璃,其质量比 SiO2 颐 Na2O 为 3颐 2. 表 1 人造二氧化硅尾矿物理特性 Table 1 Physical properties of the artificial silica tailing 密度,Gs / (g·cm - 3 ) D10 / 滋m D30 / 滋m D50 / 滋m D60 / 滋m Cu Cc 2郾 7 1郾 9 9郾 0 22郾 5 31郾 5 16郾 2 1郾 3 1郾 2 膏体初始温度控制 试验考虑不同初始温度(2、20、35 和 50 益 ) 膏体 损伤本构模型,因此初始温度控制对整个试验非常关 键. 温度下限选择 2 益是因为膏体需要保持流态状进 行管道输送,所以膏体初始温度需要大于 0 益 ;根据其 他文献数值模拟和试验结果,膏体到达采场最高温度 可以达到 50 益 [11] . 四种初始温度中,20 益 视为室温, 直接采用自来水,对其他集料也无需做加热或者冷却, 膏体料配置好后,采用温度计测量膏体温度为(20 依 2) 益即可. 膏体初始温度为 2 益时,将尾矿、水以及水 泥称量好,放入试验专用冷柜(最低温度 - 10 益 ),并 采用温度计( - 50 ~ 300 益 )对各集料温度示踪,如图 1 (a),直至各集料初始温度达到 2 益 . 膏体初始温度为 35 益和 50 益时,则将称量好的集料放入烤箱进行加热 (温度控制范围 0 ~ 120 益 ),同样采用温度计对集料温 度示踪,待其初始温度达到设计温度时,方可进行试 验,如图 1(b). 值得注意的是,在膏体料装入养护量 筒之前,需确保其温度为目标温度. 1郾 3 膏体配比、养护及强度测试 膏体料配比:固体料中胶凝材料的质量分数为 4郾 5% ,水灰质量比 7郾 6,固体料中水玻璃的质量分数 为 0郾 4% . 尾矿、胶凝剂、水玻璃和水采用 B20F 搅拌 机,搅拌约 7 min,确保膏体料均匀. 将制备好的膏体 料放入直径 5 cm,高度 10 cm 的圆柱型养护量筒,并采 用塑料盖密封,尽量减少外界环境对膏体料养护的影 响,便于单独开展初始温度的影响. 养护量筒周围采 用隔热保温材料包裹,放置于自制养护箱. 养护箱内 部底面、侧壁和顶部也采用保温材料进行铺设. 这一 举措主要是模拟膏体在采场中被围岩包裹这一事实, 膏体料散热或者吸热并不会很迅速. 整个养护装置放 置于室温条件下(约 20 益 )进行养护,主要是便于单独 开展初始温度对充填体力学性能的影响研究. ·32·