本文關鍵詞：硫酸鹽對膠結充填體早期性能的影響及其機理研究

  更多相關文章： 硫酸鹽 膠結充填體 早期強度 滲透率 基質吸力

【摘要】：尾砂和尾水等材料中存在的硫酸鹽可以對膠結充填體的性能,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)地認識膠結充填體在硫酸鹽環(huán)境下早期性能的變化規(guī)律及其產生機理,揭示這些性能之間變化的內在聯系,從而指導充填工藝的設計,本文運用力學實驗、壓汞法孔結構測試、滲透率測試、吸水性實驗、電導率和基質吸力原位監(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劑,不同濃度的硫酸亞鐵溶液作為拌和水制備了膠結充填試塊并對其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-彈性模量關系模型、充填體損傷模型。結果顯示:硫酸鹽對膠結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。充填膠結早期強度隨養(yǎng)護時間的發(fā)展可以用對數函數模型進行描述。當膠結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,膠結充填體的強度下降越顯著;當膠結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充填體強度,高濃度的硫酸鹽對強度產生破壞。膠結充填體單軸抗壓強度與其彈性模量有顯著的線性相關關系;在相同的單軸抗壓條件下,以水泥作為膠結劑的試塊,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劑,必要時可以添加工業(yè)副產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天的膠結試塊進行了孔結構測試,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構特征參數的變化進行了分析,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與單軸抗壓強度的關系,建立了孔隙率-單軸抗壓強度關系模型。結果顯示:根據膠結劑和硫酸鹽濃度的不同,硫酸鹽對膠結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。膠結充填體孔結構變化是其強度變化的原因之一,整體上,膠結充填體強度隨總孔體積的增大而減小,并且,膠結充填體的強度與孔徑大于0.2um的孔隙體積相關性最強。由此可見,硫酸鹽引起膠結充填體孔結構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劑制備的膠結充填體孔結構細化,從而提高其力學性能。(3)使用恒定水頭法對不同膠結劑、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,并對膠結充填體滲透率與孔隙率的關系進行了研究。結果表明,硫酸鹽對于不同膠結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的孔隙體積相關性最強。由此可見,膠結充填體滲透率和吸水性能變化的原因是硫酸鹽引起孔結構的改變;適宜的硫酸鹽濃度可以使以膠結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的擴散。(4)通過對膠結充填體基質吸力的發(fā)展進行原位監(jiān)測,研究了硫酸鹽對膠結充填體早期基質吸力發(fā)展的影響;根據有效應力原理和非飽和土的抗剪強度理論推導了基質吸力對抗壓強度的貢獻公式,分析了基質吸力與單軸抗壓強度的關系建立了基質吸力-單軸抗壓強度關系模型,并結合其他學者相關研究對根據膠結充填體基質吸力監(jiān)測其強度的發(fā)展進行了探討。結果表明:基質吸力對試塊的強度有貢獻,整體上,膠結充填體單軸抗壓強度與基質吸力之間具有較為顯著的線性相關關系;充填體孔徑大小是其基質吸力的決定性因素之一;膠結充填體在早齡期基質吸力的發(fā)展與其中值孔徑成負相關關系,即試塊的中值孔徑越小,基質吸力越大。由此可見,硫酸鹽對膠結充填體自干燥過程影響顯著,膠結充填體基質吸力的變化可以在一定程度上反應強度的發(fā)展,通過基質吸力監(jiān)測膠結充填體的工作狀態(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劑及其水化產物的反應過程。對膠結充填試塊進行了電導率和基質吸力的原位監(jiān)測,同時對不同硫酸鹽濃度下三種膠結劑的水化產物進行了熱重分析和xrd分析,根據實驗結果,結合已有的研究成果得出了硫酸鹽對不同膠結劑水化過程影響的機理。結果表明:以普硅水泥為膠結劑時,膠結充填試塊的電導率、基質吸力的發(fā)展隨著硫酸鹽濃度的升高而出現降低和推遲,硫酸鹽對水泥的水化過程產生顯著的抑制作用,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、孔結構等性能造成影響。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劑時,硫酸鹽除了對水泥的水化過程產生抑制作用外,還表現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劑時,硫酸鹽對水泥的水化產生一定的抑制作用,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充填體早期性能變化的根本原因。硫酸鹽對膠結劑水化過程的影響主要表現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劑中各種礦物的活性和比例不同而發(fā)生變化。
【關鍵詞】：硫酸鹽 膠結充填體 早期強度 滲透率 基質吸力
【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 膠結充填技術的研究現狀17-20
• 1.1.1 膠結充填采礦技術的發(fā)展17-18
• 1.1.2 充填體性能研究方法現狀18
• 1.1.3 膠結充填體主要性能及其影響因素18-20
• 1.2 膠結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 硫酸鹽對膠結充填體性能的影響研究現狀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和處理現狀25-26
• 1.5 研究內容26-27
• 1.6 技術路線圖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 膠結充填體試塊的制備方法35-36
• 2.3.2 膠結充填體原位監(jiān)測試塊的制備方法36-37
• 2.3.3 膠結劑凈漿試塊的制備方法37-38
• 2.4 膠結充填試塊測試38-42
• 2.4.1 力學性能測試38-39
• 2.4.2 孔結構測試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 膠結充填試塊原位監(jiān)測42-43
• 2.6 膠結劑水化產物分析43-44
• 2.6.1 XRD分析43
• 2.6.2 TGA分析43-44
• 2.7 本章小結44-46
• 3 硫酸鹽對膠結充填體早期力學性能影響研究46-70
• 3.1 硫酸鹽對膠結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 膠結充填體早期強度的發(fā)展46-50
• 3.1.3 硫酸鹽對膠結充填體早期強度影響分析50-51
• 3.1.4 含硫酸鹽膠結充填試塊早期強度發(fā)展模型51-53
• 3.2 硫酸鹽對膠結充填體彈性模量的影響53-58
• 3.2.1 膠結充填體彈性模量53
• 3.2.2 膠結充填體單軸抗壓強度和彈性模量關系53-55
• 3.2.3 硫酸鹽對單軸抗壓強度和彈性模量關系的影響55-58
• 3.3 硫酸鹽對膠結充填體損傷過程的影響58-68
• 3.3.1 膠結充填體應力-應變過程曲線59-60
• 3.3.2 膠結充填體損傷過程分析60-61
• 3.3.3 膠結充填體本構模型61
• 3.3.4 膠結充填體損傷過程和本構方程推導61-66
• 3.3.5 不同硫酸鹽濃度膠結充填體損傷特征分析66-68
• 3.4 本章小結68-70
• 4 硫酸鹽對膠結充填體孔結構影響研究70-90
• 4.1 水泥基材料的孔結構70-75
• 4.1.1 孔結構分類和模型70-72
• 4.1.2 孔結構表征參數和影響因素72-73
• 4.1.3 壓汞測孔方法原理73-75
• 4.2 硫酸鹽對孔結構參數的影響75-80
• 4.2.1 孔體積測試結果75-76
• 4.2.2 孔表面積測試結果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 膠結充填試塊孔徑分布特征分析80-84
• 4.3.1 孔徑分布測試結果80-81
• 4.3.2 膠結充填體孔徑劃分81
• 4.3.3 硫酸鹽對孔徑分布的影響81-84
• 4.4 膠結充填試塊強度與孔結構參數的關系84-88
• 4.4.1 水泥基材料強度與孔隙率的關系84-85
• 4.4.2 膠結充填試塊強度與孔隙率的關系85
• 4.4.3 強度與孔徑分布的關系85-88
• 4.5 本章小結88-90
• 5 硫酸鹽對膠結充填體透水性能影響研究90-102
• 5.1 膠結充填體滲透率研究90-95
• 5.1.1 滲透率測試原理90-91
• 5.1.2 硫酸鹽對膠結充填體滲透率的影響91-93
• 5.1.3 滲透率與孔隙率的關系93-95
• 5.2 膠結充填體吸水特性研究95-100
• 5.2.1 毛細現象對水泥基材料的影響95-96
• 5.2.2 毛細現象與吸水特性測試原理96-97
• 5.2.3 硫酸鹽對膠結充填體吸水性能的影響97-100
• 5.3 本章小結100-102
• 6 硫酸鹽對膠結充填體基質吸力影響研究102-118
• 6.1 基質吸力和膠結充填體自干燥過程102-104
• 6.1.1 非飽和土的三相組成102
• 6.1.2 基質吸力定義102-103
• 6.1.3 膠結充填體自干燥過程103-104
• 6.2 基質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 基質吸力對抗壓強度的貢獻105-106
• 6.3 膠結充填體基質吸力與強度關系106-114
• 6.3.1 不同硫酸鹽濃度下膠結充填體基質吸力的發(fā)展106-109
• 6.3.2 膠結充填體基質吸力與單軸抗壓強度的關系109-112
• 6.3.3 根據膠結充填體基質吸力監(jiān)測其強度發(fā)展探討112-114
• 6.4 孔隙直徑對基質吸力的影響114-116
• 6.4.1 基質吸力與孔隙直徑關系理論推導114-116
• 6.4.2 膠結充填體基質吸力與孔隙直徑關系116
• 6.5 本章小結116-118
• 7 硫酸鹽對膠結充填體早期性能影響機理研究118-134
• 7.1 水化反應基礎理論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物的反應機理120
• 7.2 硫酸鹽對水泥膠結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133-134
• 8 結論與展望134-138
• 8.1 主要研究結論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】

中國期刊全文數據庫 前10條

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本文編號：720538