基于重复正交法的风积砂充填材料抗压强度影响因素研究

基于重复正交法的风积砂充填材料抗压强度影响因素研究

中国大部分矿山采用绿色填充技术。1充填材料配比及性能研究本试验主要以风积砂，粉煤灰和水泥为充填原料开展充填材料配比及性能研究。其中试验选用西安海螺水泥制造有限公司生产的32.5级普通硅酸盐水泥作为原材料进行试验研究。1.1主要化学成分本试验选用陕北沙沟岔矿区风积砂为原材料。主要化学成分是硅氧化物，及钙、铝铁、镁等氧化物。风积砂主要化学成分和含量见表1。风积砂粒度主要为细粒，其次是粉粒，中砂较少1.2主要矿物成分本试验选用西安市灞桥区发电厂粉煤灰作为充填原材料。粉煤灰XRD衍射图谱如图1。由XRD衍射图可知粉煤灰主要矿物成分是硅酸盐玻璃体、莫来石和石英。使用扫描电子显微镜（SEM）观察灞桥发电厂粉煤灰在5um和10um下的颗粒特征，粉煤灰SEM扫描如图2，并分析微观结构特征，结果发现颗粒较细，球状玻璃微珠多，对管道润滑作用好。粉煤灰主要由（硅、钙、铝、铁）的氧化物以及燃烧不充分的炭组成，此外也含有一些少量的K2抗压强度分析1）试验方案。通过总结前人试验研究成果2）坍落度试验。润湿坍落度筒、工作铲等，在装料前固定坍落度筒位置并保持地面无明显积水。根据表4配制充填料浆并分为3次装入坍落度桶内，每次装料高出筒高的1/3，并用捣棒均匀插捣30次，料浆装满以后将筒口处理平整，使筒边周围保持干净无多余料浆，将筒直直向上且平稳地提起，整个过程大概持续5～10s内3）泌水率试验。首先润湿容量筒内壁后立即称重记录，然后将充填料浆倒入容量筒，放在振动台上振至表面出浆并称重记录，开始计时后的第1个1h内，每隔10min吸1次水，第1个1h以后，每0.5h吸1次水，直至没有水析出为止，将吸出的水倒入量筒称量并记录总量，精确到1mL。根据相关记录数据可求得泌水率大小。4）抗压强度试验。根据表4配制充填料浆，将料浆装入试验所用70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体试验模具中，静置1d进行脱模养护（常温，湿度95%），达到对应龄期后，通过仪器测出其立方体单轴抗压强度3试验结果与分析3.1分析确定正交试验结果见表5。影响试验结果的主要因素可由极差分析确定。计算重复试验结果各列的指标总和K和重复次数k以及极限值R值，其中K由表5可知，9组充填膏体的坍落度处于18.1～23.6cm的范围，其中除了13.2料浆输送离析机理作为充填料浆保水性大小的指标，泌水率大小对料浆输送影响较大，泌水率过大，则充填材料和易性差，这会引起输送过程中产生离析现象。一般要求静置状态下泌水率应不超过3%3.37抗压强度试验d和28d的结果3.3.1抗压强度试验结果分析充填体结构稳定性的重要参数之一便是单轴抗压强度，本次试验要求充填体28d抗压强度高于5MPa。7d和28d抗压强度随4因素变化趋势如图3和图4。由图3和图4可知：除风积砂以外，随着其余各因素水平增大，抗压强度也随之增大，并且抗压强度随料浆质量浓度增加的浮动最小，抗压强度随着水泥掺量增加的浮动最大，其中7d和28d不同水平抗压强度分别增加了0.74MPa和0.84MPa。由表5可知，第1组、第4组第2次试验龄期28d抗压强度不符合要求，其余均大于5MPa。抗压强度试验极差分析见表8。由表8可知各因素的敏感度顺序为：B>A>C>D。水泥掺量对抗压强度影响最大，由于硅酸盐水泥发生水化会产生大量水化硅酸钙（C-S-H）和钙矾石晶体。最终，水化产物形成的三维凝聚网会使料浆凝结产生强度。试件龄期不断增加，会导致水化产物逐渐增加，浆体空隙数量逐渐减少、结构更为致密，充填体强度进一步增大，这与文献3.3.2试验结果的方差分析为了准确区分抗压强度试验结果之间的差异是由因素和水平变化引起的，还是由试验操作结果不确定性引起的，对抗压强度试验结果进行方差分析在该方差分析中，取显著水平α=0.10，从F表中查阅F4充填材料配比1）粉煤灰掺量、风积砂掺量以及水泥掺量对坍落度的影响较小且相近，充填料浆的质量浓度对坍落度的影响最大，并且远大于其余3种因素的影响。当料浆质量浓度为74%和76%时均符合坍落度要求。2）料浆质量浓度远大于其余因素对泌水率的影响。料浆的含水量是决定泌水率大小的主要因素，当料浆质量浓度为74%和76%时均符合泌水率要求。3）水泥掺量对充填体7d和28d抗压强度的影响最显著，水化产物会因为水泥掺量和试件养护龄期的增加而变多，充填体会因为孔隙减少而形成更加致密且强度更高的结构。其次是粉煤灰，随着粉煤灰掺量的增加能够明显地减小充填材料的孔隙率，增加充填体密实度。风积砂与质量浓度对抗压强度影响最小，当风积砂掺量超过45%，由于风积砂吸水性较强，因此导致充填体抗压强度逐渐降低，这是由于砂浆胶凝体之间的黏结度下降所导致的。4）最优配比为B5）由于现阶段风积砂膏体充填材料应用于煤