本文關(guān)鍵詞：硫酸鹽對膠結(jié)充填體早期性能的影響及其機理研究

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【摘要】：尾砂和尾水等材料中存在的硫酸鹽可以對膠結(jié)充填體的性能,特別是早期性能,造成不同程度的影響,嚴重時還可能帶來巨大的安全隱患。為了系統(tǒng)地認識膠結(jié)充填體在硫酸鹽環(huán)境下早期性能的變化規(guī)律及其產(chǎn)生機理,揭示這些性能之間變化的內(nèi)在聯(lián)系,從而指導充填工藝的設計,本文運用力學實驗、壓汞法孔結(jié)構(gòu)測試、滲透率測試、吸水性實驗、電導率和基質(zhì)吸力原位監(jiān)測、熱重分析和X射線衍射物相分析等實驗方法,通過定性分析、定量分析和統(tǒng)計分析等分析方法對不同硫酸鹽環(huán)境下膠結(jié)充填體的早期性能進行了研究。(1)以人造石英砂作為骨料,普硅水泥及其分別與礦渣和粉煤灰配制的混合物作為膠結(jié)劑,不同濃度的硫酸亞鐵溶液作為拌和水制備了膠結(jié)充填試塊并對其1、3、7和28天的試塊進行了力學試驗;對試塊的單軸抗壓強度、彈性模量、損傷過程特征進行了分析,建立了早期強度-養(yǎng)護時間發(fā)展模型、單軸抗壓強度-彈性模量關(guān)系模型、充填體損傷模型。結(jié)果顯示:硫酸鹽對膠結(jié)充填體單軸抗壓強度、彈性模量、損傷過程都有較為顯著的影響。充填膠結(jié)早期強度隨養(yǎng)護時間的發(fā)展可以用對數(shù)函數(shù)模型進行描述。當膠結(jié)劑為普硅水泥或粉煤灰和普硅水泥混合物時,隨著硫酸鹽濃度的升高,膠結(jié)充填體的強度下降越顯著;當膠結(jié)劑為礦渣和普硅水泥混合物時,適宜的硫酸鹽可以提高膠結(jié)充填體強度,高濃度的硫酸鹽對強度產(chǎn)生破壞。膠結(jié)充填體單軸抗壓強度與其彈性模量有顯著的線性相關(guān)關(guān)系;在相同的單軸抗壓條件下,以水泥作為膠結(jié)劑的試塊,當硫酸鹽的濃度較低(0.5%)時,其彈性模量有一定下降,而當硫酸鹽的濃度繼續(xù)升高時,其彈性模量有不同程度的升高;以礦渣和水泥混合物以及粉煤灰和水泥混合物作為膠結(jié)劑的試塊彈性模量隨硫酸鹽濃度的升高而增大。硫酸鹽的摻入可以改變充填體的韌性或脆性。由此可見,在以普硅水泥作為膠結(jié)劑的充填工程中,要盡量采取措施降低硫酸鹽的含量;在硫酸鹽濃度較高的膠結(jié)充填工程中,應優(yōu)先選擇礦渣水泥或礦渣和普硅水泥混合物作為膠結(jié)劑,必要時可以添加工業(yè)副產(chǎn)品綠礬獲得適宜的硫酸鹽濃度,充分激發(fā)礦渣活性,提高膠結(jié)充填體的早期強度。(2)使用壓汞法對養(yǎng)護時間為28天的膠結(jié)試塊進行了孔結(jié)構(gòu)測試,對孔徑進行了劃分,對試塊的孔隙率、孔表面積和孔徑分布等孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的變化進行了分析,運用統(tǒng)計分析的方法研究了孔隙率、孔徑分布等特征參數(shù)與單軸抗壓強度的關(guān)系,建立了孔隙率-單軸抗壓強度關(guān)系模型。結(jié)果顯示:根據(jù)膠結(jié)劑和硫酸鹽濃度的不同,硫酸鹽對膠結(jié)充填體孔隙率和孔徑分布有不同的影響。以普硅水泥為膠結(jié)劑的試塊中,2.5%硫酸鹽的摻入使孔隙率有微小升高,而孔隙表面積卻有了顯著的降低;對于添加了礦渣和粉煤灰的膠結(jié)充填體,適宜的硫酸鹽濃度可以起到降低孔隙率的作用,其孔隙表面積主要由微孔和小孔貢獻,并且隨硫酸鹽濃度的升高先增大后減小。膠結(jié)充填體孔結(jié)構(gòu)變化是其強度變化的原因之一,整體上,膠結(jié)充填體強度隨總孔體積的增大而減小,并且,膠結(jié)充填體的強度與孔徑大于0.2um的孔隙體積相關(guān)性最強。由此可見,硫酸鹽引起膠結(jié)充填體孔結(jié)構(gòu)的改變是其強度變化的原因之一;適宜的硫酸鹽濃度可以使以礦渣和水泥混合膠結(jié)劑制備的膠結(jié)充填體孔結(jié)構(gòu)細化,從而提高其力學性能。(3)使用恒定水頭法對不同膠結(jié)劑、不同硫酸鹽濃度、不同養(yǎng)護齡期的試塊進行了飽和狀態(tài)下水滲透率測試,并對膠結(jié)充填體滲透率與孔隙率的關(guān)系進行了研究。結(jié)果表明,硫酸鹽對于不同膠結(jié)劑制作的試塊滲透率和吸水特性的影響規(guī)律不同。在膠結(jié)劑相同的條件下,充填體吸水速率隨硫酸鹽濃度的升高先降低后有不同程度回升。充填體在飽和狀態(tài)下的水滲透率與孔徑大于2um的孔隙體積相關(guān)性最強。由此可見,膠結(jié)充填體滲透率和吸水性能變化的原因是硫酸鹽引起孔結(jié)構(gòu)的改變;適宜的硫酸鹽濃度可以使以膠結(jié)充填體滲透性和吸水性能下降,有利于抑制對充填體中重金屬等有害物質(zhì)的擴散。(4)通過對膠結(jié)充填體基質(zhì)吸力的發(fā)展進行原位監(jiān)測,研究了硫酸鹽對膠結(jié)充填體早期基質(zhì)吸力發(fā)展的影響;根據(jù)有效應力原理和非飽和土的抗剪強度理論推導了基質(zhì)吸力對抗壓強度的貢獻公式,分析了基質(zhì)吸力與單軸抗壓強度的關(guān)系建立了基質(zhì)吸力-單軸抗壓強度關(guān)系模型,并結(jié)合其他學者相關(guān)研究對根據(jù)膠結(jié)充填體基質(zhì)吸力監(jiān)測其強度的發(fā)展進行了探討。結(jié)果表明:基質(zhì)吸力對試塊的強度有貢獻,整體上,膠結(jié)充填體單軸抗壓強度與基質(zhì)吸力之間具有較為顯著的線性相關(guān)關(guān)系;充填體孔徑大小是其基質(zhì)吸力的決定性因素之一;膠結(jié)充填體在早齡期基質(zhì)吸力的發(fā)展與其中值孔徑成負相關(guān)關(guān)系,即試塊的中值孔徑越小,基質(zhì)吸力越大。由此可見,硫酸鹽對膠結(jié)充填體自干燥過程影響顯著,膠結(jié)充填體基質(zhì)吸力的變化可以在一定程度上反應強度的發(fā)展,通過基質(zhì)吸力監(jiān)測膠結(jié)充填體的工作狀態(tài)可能具有一定的實踐意義。(5)歸納總結(jié)了普通硅酸鹽水泥、水淬高爐礦渣和粉煤灰主要的水化反應和火山灰反應機理,并列舉了硫酸鹽與膠結(jié)劑及其水化產(chǎn)物的反應過程。對膠結(jié)充填試塊進行了電導率和基質(zhì)吸力的原位監(jiān)測,同時對不同硫酸鹽濃度下三種膠結(jié)劑的水化產(chǎn)物進行了熱重分析和xrd分析,根據(jù)實驗結(jié)果,結(jié)合已有的研究成果得出了硫酸鹽對不同膠結(jié)劑水化過程影響的機理。結(jié)果表明:以普硅水泥為膠結(jié)劑時,膠結(jié)充填試塊的電導率、基質(zhì)吸力的發(fā)展隨著硫酸鹽濃度的升高而出現(xiàn)降低和推遲,硫酸鹽對水泥的水化過程產(chǎn)生顯著的抑制作用,并且抑制程度隨硫酸鹽濃度的升高而加強。硫酸鹽對水泥水化的抑制作用,即水泥中的鋁酸三鈣與硫酸鹽反應生成鈣礬石,此反應可以減弱推遲水泥的水化過程,對充填體強度、孔結(jié)構(gòu)等性能造成影響。在養(yǎng)護時間為28天時,硫酸鹽濃度為0.5%、1.5%和2.5%的試塊強度分別比未添加硫酸鹽的試塊強度降低31.5%、46.1%和49.4%。以普硅水泥和礦渣混合物為膠結(jié)劑時,硫酸鹽除了對水泥的水化過程產(chǎn)生抑制作用外,還表現(xiàn)出對礦渣中活性氧化鋁的激發(fā)作用,即硫酸根與礦渣中的活性Al2O3和CH反應生成鈣礬石;這兩種影響的綜合效果隨著硫酸鹽濃度的變化而改變。硫酸鹽濃度為0.5%時,對礦渣中活性氧化鋁的激發(fā)作用占主導,在養(yǎng)護時間為28天時,強度比未添加硫酸鹽的試塊升高20%,孔隙率減小8.9%,充填體性能在整體上趨于優(yōu)化;硫酸鹽濃度為1.5%和2.5%時,硫酸鹽對水泥水化的抑制作用占主導,充填體強度分別比未添加硫酸鹽的試塊降低44.8%和72%,滲透率分別升高60.9%和62.0%,充填體性能在整體上趨于惡化。以粉煤灰和水泥混合物作為膠結(jié)劑時,硫酸鹽對水泥的水化產(chǎn)生一定的抑制作用,對粉煤灰中的活性Al2O3有一定的激發(fā)作用,由于粉煤灰中氧化硅和氧化鋁的活性相對較低,硫酸鹽對水泥的水化抑制作用占主導地位,硫酸鹽濃度為0.5%、1.5%和2.5%的試塊強度分別比未添加硫酸鹽的試塊降低19.4%、45.2%和74.2%,滲透率分別升高66.4%、683%和712%,充填體性能在整體上趨于惡化。由此可見,水化過程的改變是膠結(jié)充填體早期性能變化的根本原因。硫酸鹽對膠結(jié)劑水化過程的影響主要表現(xiàn)在對水泥水化的抑制和對礦渣和粉煤灰中活性氧化鋁的激發(fā)作用兩個方面。這兩方面作用隨著硫酸鹽的濃度和膠結(jié)劑中各種礦物的活性和比例不同而發(fā)生變化。
【關(guān)鍵詞】：硫酸鹽 膠結(jié)充填體 早期強度 滲透率 基質(zhì)吸力
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD853.34
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 1 緒論16-28
• 1.1 膠結(jié)充填技術(shù)的研究現(xiàn)狀17-20
• 1.1.1 膠結(jié)充填采礦技術(shù)的發(fā)展17-18
• 1.1.2 充填體性能研究方法現(xiàn)狀18
• 1.1.3 膠結(jié)充填體主要性能及其影響因素18-20
• 1.2 膠結(jié)充填中硫酸鹽的來源20-22
• 1.2.1 尾砂20-21
• 1.2.2 緩凝劑21-22
• 1.2.3 選礦劑22
• 1.2.4 尾水22
• 1.3 硫酸鹽對膠結(jié)充填體性能的影響研究現(xiàn)狀22-25
• 1.3.1 硫酸鹽引起的腐蝕破壞22-23
• 1.3.2 硫酸鹽對膠結(jié)劑的激發(fā)作用23-24
• 1.3.3 硫酸鹽對重金屬固化的促進作用24-25
• 1.4 我國硫酸亞鐵的生產(chǎn)和處理現(xiàn)狀25-26
• 1.5 研究內(nèi)容26-27
• 1.6 技術(shù)路線圖27-28
• 2 實驗原料與方法28-46
• 2.1 實驗原料28-32
• 2.1.1 尾砂28-29
• 2.1.2 膠結(jié)劑29-32
• 2.1.3 拌和水32
• 2.2 實驗設備32-35
• 2.3 試塊的制備35-38
• 2.3.1 膠結(jié)充填體試塊的制備方法35-36
• 2.3.2 膠結(jié)充填體原位監(jiān)測試塊的制備方法36-37
• 2.3.3 膠結(jié)劑凈漿試塊的制備方法37-38
• 2.4 膠結(jié)充填試塊測試38-42
• 2.4.1 力學性能測試38-39
• 2.4.2 孔結(jié)構(gòu)測試39
• 2.4.3 水滲透率測試39-41
• 2.4.4 毛細作用測試41-42
• 2.5 膠結(jié)充填試塊原位監(jiān)測42-43
• 2.6 膠結(jié)劑水化產(chǎn)物分析43-44
• 2.6.1 XRD分析43
• 2.6.2 TGA分析43-44
• 2.7 本章小結(jié)44-46
• 3 硫酸鹽對膠結(jié)充填體早期力學性能影響研究46-70
• 3.1 硫酸鹽對膠結(jié)充填體單軸抗壓強度的影響46-53
• 3.1.1 充填體穩(wěn)定性與單軸抗壓強度46
• 3.1.2 膠結(jié)充填體早期強度的發(fā)展46-50
• 3.1.3 硫酸鹽對膠結(jié)充填體早期強度影響分析50-51
• 3.1.4 含硫酸鹽膠結(jié)充填試塊早期強度發(fā)展模型51-53
• 3.2 硫酸鹽對膠結(jié)充填體彈性模量的影響53-58
• 3.2.1 膠結(jié)充填體彈性模量53
• 3.2.2 膠結(jié)充填體單軸抗壓強度和彈性模量關(guān)系53-55
• 3.2.3 硫酸鹽對單軸抗壓強度和彈性模量關(guān)系的影響55-58
• 3.3 硫酸鹽對膠結(jié)充填體損傷過程的影響58-68
• 3.3.1 膠結(jié)充填體應力-應變過程曲線59-60
• 3.3.2 膠結(jié)充填體損傷過程分析60-61
• 3.3.3 膠結(jié)充填體本構(gòu)模型61
• 3.3.4 膠結(jié)充填體損傷過程和本構(gòu)方程推導61-66
• 3.3.5 不同硫酸鹽濃度膠結(jié)充填體損傷特征分析66-68
• 3.4 本章小結(jié)68-70
• 4 硫酸鹽對膠結(jié)充填體孔結(jié)構(gòu)影響研究70-90
• 4.1 水泥基材料的孔結(jié)構(gòu)70-75
• 4.1.1 孔結(jié)構(gòu)分類和模型70-72
• 4.1.2 孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)和影響因素72-73
• 4.1.3 壓汞測孔方法原理73-75
• 4.2 硫酸鹽對孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響75-80
• 4.2.1 孔體積測試結(jié)果75-76
• 4.2.2 孔表面積測試結(jié)果76-78
• 4.2.3 硫酸鹽對孔隙率的影響78-79
• 4.2.4 硫酸鹽對孔隙表面積的影響79-80
• 4.3 膠結(jié)充填試塊孔徑分布特征分析80-84
• 4.3.1 孔徑分布測試結(jié)果80-81
• 4.3.2 膠結(jié)充填體孔徑劃分81
• 4.3.3 硫酸鹽對孔徑分布的影響81-84
• 4.4 膠結(jié)充填試塊強度與孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系84-88
• 4.4.1 水泥基材料強度與孔隙率的關(guān)系84-85
• 4.4.2 膠結(jié)充填試塊強度與孔隙率的關(guān)系85
• 4.4.3 強度與孔徑分布的關(guān)系85-88
• 4.5 本章小結(jié)88-90
• 5 硫酸鹽對膠結(jié)充填體透水性能影響研究90-102
• 5.1 膠結(jié)充填體滲透率研究90-95
• 5.1.1 滲透率測試原理90-91
• 5.1.2 硫酸鹽對膠結(jié)充填體滲透率的影響91-93
• 5.1.3 滲透率與孔隙率的關(guān)系93-95
• 5.2 膠結(jié)充填體吸水特性研究95-100
• 5.2.1 毛細現(xiàn)象對水泥基材料的影響95-96
• 5.2.2 毛細現(xiàn)象與吸水特性測試原理96-97
• 5.2.3 硫酸鹽對膠結(jié)充填體吸水性能的影響97-100
• 5.3 本章小結(jié)100-102
• 6 硫酸鹽對膠結(jié)充填體基質(zhì)吸力影響研究102-118
• 6.1 基質(zhì)吸力和膠結(jié)充填體自干燥過程102-104
• 6.1.1 非飽和土的三相組成102
• 6.1.2 基質(zhì)吸力定義102-103
• 6.1.3 膠結(jié)充填體自干燥過程103-104
• 6.2 基質(zhì)吸力對抗壓強度的影響104-106
• 6.2.1 有效應力原理104
• 6.2.2 非飽和土的抗剪強度理論104-105
• 6.2.3 基質(zhì)吸力對抗壓強度的貢獻105-106
• 6.3 膠結(jié)充填體基質(zhì)吸力與強度關(guān)系106-114
• 6.3.1 不同硫酸鹽濃度下膠結(jié)充填體基質(zhì)吸力的發(fā)展106-109
• 6.3.2 膠結(jié)充填體基質(zhì)吸力與單軸抗壓強度的關(guān)系109-112
• 6.3.3 根據(jù)膠結(jié)充填體基質(zhì)吸力監(jiān)測其強度發(fā)展探討112-114
• 6.4 孔隙直徑對基質(zhì)吸力的影響114-116
• 6.4.1 基質(zhì)吸力與孔隙直徑關(guān)系理論推導114-116
• 6.4.2 膠結(jié)充填體基質(zhì)吸力與孔隙直徑關(guān)系116
• 6.5 本章小結(jié)116-118
• 7 硫酸鹽對膠結(jié)充填體早期性能影響機理研究118-134
• 7.1 水化反應基礎(chǔ)理論118-120
• 7.1.1 水泥水化機理118-119
• 7.1.2 礦渣水化機理119
• 7.1.3 粉煤灰水化機理119-120
• 7.1.4 硫酸鹽與水泥水化產(chǎn)物的反應機理120
• 7.2 硫酸鹽對水泥膠結(jié)充填體早期性能影響機理120-126
• 7.2.1 硫酸鹽對水泥水化的抑制作用120-123
• 7.2.2 硫酸鹽對鈣礬石生成的促進作用123-125
• 7.2.3 水化機理與充填體性能變化驗證125-126
• 7.3 硫酸鹽對礦渣/水泥膠結(jié)充填體早期性能影響機理126-130
• 7.3.1 體系中主要的反應過程126-127
• 7.3.2 不同濃度硫酸鹽的影響127-129
• 7.3.3 水化機理與充填體性能變化驗證129-130
• 7.4 硫酸鹽對粉煤灰/水泥水化的影響機理130-133
• 7.4.1 硫酸鹽對水化反應過程影響機理130-132
• 7.4.2 水化機理與充填體性能變化驗證132-133
• 7.5 本章小結(jié)133-134
• 8 結(jié)論與展望134-138
• 8.1 主要研究結(jié)論134-135
• 8.2 創(chuàng)新點135
• 8.3 研究展望135-138
• 參考 文獻138-150
• 致謝150-152
• 作者簡介152

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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本文編號：720538