荷载作用下矿用富水充填材料劣化机理与改性研究

发布时间：2018-11-11 19:10

【摘要】：富水充填材料因其水固比高,流动性好,成本低而备受关注。同时,也由于其水固比过高而导致充填体稳定性差,进而影响其推广和应用。由于其硬化体内部存在大量钙矾石晶体和非结合水,受到荷载作用后,会使充填体的平衡条件发生改变,导致充填硬化体的失稳和破坏。为探讨富水充填材料稳定性与时间、水固比之间的关系,以及富水充填材料在荷载作用下的失稳破坏特征与临界条件,本文将通过研究不同应力条件下不同水固比富水充填材料的蠕变性能及蠕变前后微观结构变化特征,建立符合富水充填材料的蠕变损伤模型,分析充填体在蠕变过程中硬化结晶体的形变特征、水分迁移及其与宏观力学性能的关系,提出充填体保持在稳定蠕变阶段的临界水固比以及保障充填体长期稳定的条件。同时,从非结合水角度揭示其失稳劣化机理,并对富水充填材料进行改性研究。本文制备了不同水固比的富水充填材料,研究其基本性能,并通过单轴压缩、蠕变等试验,研究其力学性能与失稳破坏特征。通过引入损伤变量,建立蠕变损伤模型。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、差热热重(DTA-TG)和非结合水含量测试等微观试验,分析充填体的微观结构并揭示其失稳劣化机理。为改善富水充填材料的性能,本文将一元水泥胶凝体系变为二元水泥胶凝体系,配制出性能更优的富水充填材料,并通过力学与微观试验,研究其改性后的性能。主要研究内容与结论如下:(1)富水充填材料内部主要为钙矾石以及少量铝胶,钙矾石以针簇状、细棒状等形态相互交叉、搭接,形成网络结构,网状结构存在大量空隙,可以填充大量非结合水。(2)富水充填材料的流变性及强度与所受应力和水固比有关。胶凝时间随着水固比的增大而增加;抗压强度随着水固比的增大而降低;应力-应变关系曲线宏观上有4个阶段,初始变形阶段,弹性阶段,塑性变形阶段和破坏阶段,水固比越小对应峰值应力越大;弹性模量随着水固比的提高而降低;当应力水平较小时,蠕变曲线有衰减和稳定两个蠕变阶段;当应力水平达到临界值时,蠕变曲线表现出衰减、稳定和加速三个蠕变阶段;水固比为1.7、2.0和2.5的充填体失稳破坏的临界荷载分别为其各自抗压强度的92%、90%和85%,临界荷载随着水固比的提高而降低;在相同应力水平下,水固比越大,对应蠕变应变量越大;水固比为2.5的富水充填材料,试块出现裂缝早,破坏速度快。(3)建立了符合富水充填材料的蠕变损伤模型与本构方程。根据蠕变试验数据,推导出变形模校量随应力水平与时间变化的方程;引入损伤变量,推导出蠕变损伤演化方程;将损伤变量引入Burgers模型中,建立蠕变损伤模型与本构方程,综合考虑了蠕变参数受时间和应力水平的影响,反映了参数随时间弱化的现象和富水充填材料的损伤劣化规律;根据试验数据反演出各项参数并拟合曲线,通过与试验曲线进行对比,说明该模型可以描述富水充填材料失稳破坏前的损伤劣化规律。(4)阐明了富水充填材料蠕变损伤及破坏细观机制。蠕变造成钙矾石晶体断裂,形成裂缝且随应力增大而扩展贯通成更大的裂缝;蠕变前后,结合水含量差别不大,蠕变不会对结合水含量造成影响;非结合水相对损失值与所受荷载水平呈线性正相关,拟合直线斜率随水固比的增大而增大,说明水固比越大越易失水;非结合水的迁移和流失是导致富水充填材料失稳的重要原因,当受到荷载作用后,原有的平衡条件发生改变,造成非结合水的迁移,随着荷载的增大,非结合水会在贯通缝中流动、渗透至富水充填材料表面,导致结构疏松,内部出现更多的空隙和通道,在荷载作用下,产生较大变形,一旦超过非结合水损失临界值,便会造成充填体的失稳和破坏;(5)提出富水充填材料改性技术方案,并获得优良性能。胶凝时间缩短,钙矾石含量增加,钙矾石晶体尺寸减小,硬化体的孔隙率降低,凝聚结构更为致密;早期强度有所提高,后期强度提高且发展稳定,能够弥补单元胶凝体系后期强度发展不良的缺陷;应力-应变曲线峰值应力更大,弹性模量提高;失稳破坏的临界荷载提高,失稳时的应变量减小,并且在相同应力水平下对应的应变量减小,充填体的承载能力提高,沉降减小,充填体处于稳定蠕变阶段的荷载范围扩大;非结合水相对损失值与所受荷载水平依然呈线性正相关,且斜率减小,充填体发生失稳破坏时,硬化体内部孔隙中非结合水的损失值较改性前降低;(6)提出富水充填材料的水固比适用范围。综合考虑试验所得的不同水固比富水充填材料各项性能指标,发现充填不宜使用水固比2.5甚至更大水固比的富水充填材料,为保障充填体的稳定性,必须控制水固比在2.0以内;建立应力-水固比-充填体失稳之间的关系,可为工程实际中对荷载作用下富水充填材料保持稳定蠕变的临界水固比的选择提供依据。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD801

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