初始空气含量对新鲜浆料对硬化胶水浆料回填的抗压强度的影响

抽象的

填充挖掘方法可以将尾矿处理到填充浆料中，可以通过管道运输到突起，以管理地面压力并保护环境。为了提高填充浆料的流动性，添加剂越来越广泛地使用。然而，一些添加剂可以增加浆料中的空气含量。浆料中的空气将变成硬化的粘液浆料回填（CPB）中的孔。因此，有必要探讨初始空气含量在新鲜浆料中对CPB抗压强度的影响。在本文中，使用十二烷基硫酸钠（SDS）调节新鲜浆料中的空气含量。在测量初始空气含量之后，将浆料制成测试块。然后，测试CPB在28d年龄的单轴压缩强度（UCS），通过扫描电子显微镜（SEM）观察CPB微观孔的分布。结果表明，随着新鲜浆料中的初始空气含量增加，CPB的UC首先增加，然后减少。在新鲜浆料中的初始空气含量为6.03％之前，CPB孔径分布相对均匀。 However, after exceeding this value, “discontinuous contact” structures, pore groups, and macropores occur in CPB. Through the CPB microscopic force analysis, the mathematical model describing the effect of initial air content on UCS of CPB should be a combination of logarithmic function and quadratic polynomial. This work can provide a supplement to the theory of CPB strength.

1.介绍

填充采矿方法可以将全部或大部分尾矿排出到地下螺栓中，这不仅可以有效地管理迹象的地面压力，还可以减轻尾矿表面沉积的环境和经济压力[1- - - - - -7］．在这种背景下，粘贴浆料回填（CPB）的机械性能（即抗压强度，拉伸强度和弯曲强度）引起了广泛的关注。压缩力量是所有人中最有关的财产[8- - - - - -10.］．通常，填充浆料由聚集体，粘合剂，水和其他添加剂组成[11.］．在搅拌器搅拌后，浆料将含有一定量的空气，使得硬化CPB中存在一些孔隙[12.，13.］．浆料通过管道运输到迹象中，因此浆料流动性对填充采矿效率具有重要影响。低浓度浆料具有良好的流动性，但硬化CPB的强度差（由水泥偏析引起）。高浓度浆料可有效提高CPB强度，但流动性差。为了提高高浓度浆料的流动性，泵送剂广泛用于浆料管道运输。泵浦剂通常主要由还原剂和空气夹带剂（AEA）组成。空气夹带剂将增加浆料中的空气含量（空气体积/总浆料体积的百分比），从而增加CPB中的孔，这对CPB强度有一定的影响[14.，15.］．

传统的新料浆初始空气含量研究往往集中于其对材料耐久性、抗冻性和混凝土或CPB的导热系数的影响[16.- - - - - -18.］．然而，近年来，学者们也开展了大量的研究，研究初始空气含量与混凝土或CPB抗压强度之间的关系。首先，AEA按化学成分可分为松香型、烷基型、皂苷型等。不同AEA的吸风效果不同，对于不同性质的材料(即材料的表面化学性质、粒度分布、料浆浓度)AEA用量也不同[19.］．其次，文献[20.，21.表明表面活性剂或水解蛋白溶液引入的CPB中的孔隙通常在微米范围内，孔隙的大小、间距和连通性也很重要。此外，Özcan和Emin Koç [22.]，利用图像处理技术发现加气混凝土的抗压强度与新料浆的含气量和硬化混凝土切削表面的孔隙面积成反比。相反，Hilal等人[23.[虽然一些添加剂增加了混凝土切割表面的孔隙率，但是由于连续性降低，它们达到了更高的强度。

可以看出，以往的研究都是从定性的角度分析孔隙度与抗压强度的关系。然而，他们并没有提出一个数学模型，可以利用新料浆中的初始空气含量来定量分析CPB强度。在工程中，测试新料浆的初始空气含量比较容易，但测试CPB的孔隙度相对困难。因此，本文将开展新料浆初始空气含量对CPB超压强度影响的实验研究。结合CPB在压缩下的微观力分析，提出了定量的数学模型。这将是对CPB强度理论的有益补充。

2.材料和方法

2．1．材料和设备

全尾砂取自河北省某铁矿尾矿库。全尾砂粒度分布曲线如图所示1．重要的尾矿粒度参数如下：D（AV）= 37.58 μ.M, d (50) = 20.33μ.M，D（90）= 98.96 μ.m。比重为2.62g·cm⁻³．全尾砂化学成分分析见表1．胶结剂是波特兰渣水泥P.S.A 32.5（粒状高炉渣占50％）。水是普通城市自来水，AEA是十二烷基硫酸钠（SDS），其属于烷基型。CA-3数字混凝土空气含量测试仪，范围为10％，用于测试新鲜浆料中的空气含量。为了观察CPB微观结构，选择了JEOLJSM-6390A扫描电子显微镜（SEM）。单轴抗压强度（UCS）测试采用了为何-600单轴压力机，范围为600 kN，精度为0.01kN。

空气含量测试仪的组成如图所示2．测量时的第一步是将新鲜浆料放入装置中，然后使用振动台振动至致密状态（振动表的频率为50Hz）。如果浆料低于底部腔室密封平面，则应添加到比密封平面一点。再次振动后，使用刮刀在密封表面上刮掉多余的浆料。接下来，关闭盖子，并用夹子夹住它。气泡水平用于检查设备。然后，打开Petcock以填充水，当水从空气阀流出时关闭Petcock和空气阀。接下来，用空气泵对0.1MPa加压。然后，按下杠杆2-3次，并使用木锤击底部腔室以将压力均匀地分配给样品的所有部分。测量仪可以直接显示空气含量值。 When the data in the gauge is stable, record the air content value. A calibration experiment is needed before the formal experiment. Each experiment is executed twice. If the measured values differ by more than 0.5%, a new experiment is needed. Until the measured values differ by less than 0.5%, take the average value as the final value.

2.2。测试方案

在该研究中，实验中使用的浆料的质量浓度设定为70％，水泥/砂比为1：4。空气含量测试池底腔的体积为7升。​​考虑到丰富因子，体积将每个实验中的浆料设定为7.5L。将SDS加入水中以完全溶解，然后将尾矿，水泥和水混合在混合罐中，以确保浆料均匀的制备。SDS剂量设定为水泥质量的0.01％-0.06％，我们在没有SDS的情况下设置了一种对照实验。由于它通常需要3-5分钟的浆料从混合罐中填充矿井钻井，因此在制备浆料后3分钟内进行空气含量试验。然后，将浆料成70.7×70.7×70.7 mm标准试验块（中国工业标准，JGJ / T70-2009）。将每个浆液成6个嵌段。24小时后，去除模具，将块放入固化盒中。固化温度为20℃，湿度为90％。当治疗年龄为28天时，进行嵌段的UCS测试。在六个测试块中，可重复的测试值被认为是28d强度值。 Finally, the SEM experiments were carried out to observe the failure surface. The mixing ratio of fresh filling slurry is shown in Table2．

3。结果与讨论

3.1。SDS剂量对新鲜浆料中初始空气含量的影响

根据每个实验的测试结果，绘制了SDS剂量与新鲜浆料中的初始空气含量之间的关系，如图所示3.．可以看出，随着SDS剂量增加，新鲜浆料中的空气含量稳定地增加。从实验A到实验B，当SDS剂量为0至0.01％时，初始空气含量从2.40％增加到4.62％，最大增加幅度为2.22％。从实验B（空气含量为4.62％）到实验C（空气含量为6.03％），增加的振幅为1.41％，低于2.22％。最低的增加幅度为0.58％，从实验F（空气含量为8.31％）发生在实验G（空气含量8.89％）。它表明SDS剂量和初始空气含量之间的明显二次多项式关系。拟合方程是 （x代表SDS剂量，和y表示新鲜泥浆中的初始空气含量)。决定调整系数(R²)为0.9904，说明拟合方程可信度高，能真实反映SDS用量对新料浆初始空气含量的影响。

3.2。初始空气含量对UCS的影响

数字4显示在固化28天时UCS测试中每个实验的应力 - 位移曲线。一些实验的压力 - 位移曲线4显示峰值周围的波动。当在恒定负载率和随机孔分布的条件下，当测试块被压缩时，这种现象是由局部孔隙塌陷引起的。在孔隙附近，在应力浓度高的情况下，颗粒键合接触损失导致局部软化和塌陷。这种塌陷将导致局部致密化，从而强化材料并增加应力。样品压实后，应力浓度将出现在另一个新位置，直到它形成新的裂缝。该过程可以重复两次或更多次，然后形成几种宏观裂缝，导致完全破坏。此外，可以从图中看到4这种波动主要出现在实验A、B、C、D和实验E、F、G中，相比之下，它们并不明显。各试块28 d龄期UCS如图所示5．可以看出，控制块的强度为1.15 MPa。实验C(6.03%初始空气含量)的强度最高，为1.54 MPa。试验F和G的强度(初始含气量分别为8.31%和8.89%)均低于对照试验，其他试验强度在1.15 MPa ~ 1.54 MPa之间。可以看出，鲜浆中初始空气含量对28 d龄期UCS有非单调影响。这一结果可以为Özcan和Emin Koç的不同观点提供一些解释[22.]和希拉尔等人。[23.］．对于这些实验材料，初始空气含量为6.03％，对28d年龄强度最有利。

3.3。初始空气含量对孔分布的影响

SEM照片如图所示6据表明，随着新鲜浆料中的初始空气含量逐渐增加，硬化28d年龄CPB的孔结构越来越开发。毛孔分布图6（b）比对照实验更均匀，如图所示6（a），通过硅酸钙水合物（C-S-H）和图中尾矿颗粒形成的结构6（b）也比数字所示更密集6（a），6（c）， 和6（d）分别表示新鲜浆料中的初始空气含量为6.03％和6.94％，接近对照实验的三次。硬化后，致密区域比实验A和B的密集更密集，但已经形成了一些大孔。数字6（e）表明，由于新鲜浆料中的初始空气含量的增加，CPB内部显示了“不连续接触”结构。数字6（f）和6（g）代表孔隙群和大孔开始出现，并且宏观接近的直径200 μ.这是因为SDS是一种阴离子表面活性剂。当SDS用量较小时，夹带的气泡会在表面产生“壁效应”，对减少气泡组合有一定的阻碍作用。当剂量增加到一定的值时，带太多的气泡，气泡开始打破这种“壁效应”。它们有聚集的趋势，形成一定数量的孔隙群，甚至发生熔合现象，产生大气泡，凝固后以大孔隙形式出现。块体在压缩过程中，“不连续接触”结构、孔隙群和大孔隙仍会软化、坍塌，但在压实发生之前，块体已失去承载能力。这也是图中E, F, G的实验曲线的原因4没有明显的波动。

3.4。数学模型及其评价

考虑到28d年龄强度首先增加然后随着初始空气含量的增加而降低的特征，对28d年龄强度进行二次多项式配件。拟合结果是 （x代表初始空气含量，和y代表28岁年龄UCS），以及R²为0.889，低于0.9，可信度较低。因此，有必要进行深入的力学分析，寻找能够准确描述鲜浆初始空气含量对28 d时效UCS影响的数学模型。

硬化的CPB可以简化到以下模型中[24.(i)微小的粒子聚集在一起形成一个单位体;(ii)粒子之间的空隙被C-S-H填充;许多单位机构构成整个方案委员会。CPB的宏观力学性能是单元体力学性能的总和。数字7当CPB被压缩时，表示单位主体中的颗粒之间的接触关系。

数字7(a)是一个单元体。一个固定的粒子我在单元体中将具有与多个粒子的接触关系。根据牛顿的第二法，可以描述运动方程式 在哪里F_我是颗粒的矢量力量我，米_我是颗粒质量，和u_我是颗粒质心的位移载体我,即加速度。考虑到多粒子之间的关系，式(1）可以成为 在哪里n_我^c与粒子接触的粒子数是多少我，F_我^ext.代表外部场部力，F^IJ.指粒子之间的接触力我和粒子j， 和F_我^潮湿表示由颗粒外部阻尼产生的力，这来自颗粒和C-S-H之间的接触。假设颗粒是球形的并且仅允许颗粒之间的轻微重叠，颗粒之间的接触条件我和粒子j是

因此，两个相邻粒子的接触界面是圆形表面，如图所示一个_IJ.在图中7（b），圈子的区域是

当两个球形颗粒接触时，接触力F^IJ.由正常力组成F_n^IJ.剪切力F_年代^IJ.．然后，接触力可以分解成

F_n^IJ.和F_年代^IJ.来自正常压力σ._n剪切应力σ._年代．F_n^IJ.和F_年代^IJ.可以通过接触区域通过以下公式计算：

对于固定的单元体，假设固体颗粒数量及其分布是固定的，初始空气含量只改变了C-S-H的分布。然后，新浆中初始空气含量越高，孔隙所占据的C-S-H空间越多。这将造成以下影响:(i)阻尼力F_我^潮湿因为粒子接触到的碳-硫-氢较少。(ii) C-S-H的减少导致σ._n和σ._年代当粒子在压力下，而接触界面一个_IJ.没有改变。因此，可以从方程式看到（6）, （7)和(8),F^IJ.增加。此外，F_我^ext.可以认为在重力场中是不变的。综上所述，在相同压力下，随着新泥浆中初始空气含量的增加，F_我^潮湿减少，F^IJ.增加，而且F_我^ext.没有改变。可以得出结论，CPB的UCS上的新鲜浆料中的初始空气含量的影响必须由两部分组成。

假设两个功能会影响F_我^潮湿和F^IJ.因此，从宏观角度来看，初始空气含量对强度的影响也由两个功能组成。鉴于强度首先增加然后减少的特征，通常存在可以参考的二次函数，指数函数和对数函数。然后，数学模型应该由三个的一对角组成。筛选后，发现对数函数和二次多项式的组合是最好的。这个功能是 （x表示新鲜泥浆中的初始空气含量，和y代表CPB的28 D年龄UC），如图所示8．当R²为0.968，因此信度较单一二次多项式(R²= 0.889)，具有较大的参考价值。

为了验证数学模型的有效性，进行了另外两个实验。空气夹带剂剂量分别为0.5g（0.026％）和1g（0.052％），其与表中的任何实验不同2．其他比率与表相同2．结果表明，空气含量为6.52％，8.53％，28d ucs分别为1.46MPa和0.90MPa。使用该模型计算的强度分别为1.49MPa和0.98MPa。计算值与测试值之间的误差通过等式计算（9）： 在哪里k代表错误，σ._c表示该模型的计算值，和σ._t代表实验测试值。误差分别为2.1％和8.9％，都在10％以内，表明该模型具有良好的实用性。

4。结论

本文的主要结论如下：（1）SDS用量对鲜浆中初始空气含量的影响为二次多项式。（2）在UCS实验中，一些样品在应力 - 位移曲线的峰附近显示波动，并且在初始空气含量高于6.94％后，这种现象不会明显。（3）随着鲜浆初始空气含量的增加，CPB 28 d龄期的UCS呈先增大后减小的趋势，初始空气含量为6.03%时CPB的UCS最优。（4）在初始空气含量为6.03％之前，CPB的微观结构相对紧凑。在此值之后，“不连续接触”结构，孔隙组和宏观将出现在CPB内。最大孔径的直径可以达到200 μ.m。这些是减少CPB UC的原因。（5)鲜浆初始空气含量对CPB 28 d龄期UCS影响的数学模型由对数函数和二次多项式组成。然而，这个数学模型不包括级配、浓度和水泥砂比的变化。接下来的工作是将更多的因素纳入模型中。

数据可用性

支持本研究结果的数据包括在文章中。此外，在研究期间生成的原始数据可根据要求从相应的作者获得。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

基金资助:国家自然科学基金项目(no. 201430430723);河北省自然科学基金项目(项目编号:51774137);华北理工大学研究生创新基金(项目编号:E2019209326);唐山市科技项目(项目编号:CXZZBS2020137);20130207 b)。

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