硫酸盐对胶结充填体早期性能的影响及其机理研究

发布时间：2017-08-22 17:47

  本文关键词：硫酸盐对胶结充填体早期性能的影响及其机理研究

  更多相关文章： 硫酸盐 胶结充填体 早期强度 渗透率 基质吸力

【摘要】：尾砂和尾水等材料中存在的硫酸盐可以对胶结充填体的性能,特别是早期性能,造成不同程度的影响,严重时还可能带来巨大的安全隐患。为了系统地认识胶结充填体在硫酸盐环境下早期性能的变化规律及其产生机理,揭示这些性能之间变化的内在联系,从而指导充填工艺的设计,本文运用力学实验、压汞法孔结构测试、渗透率测试、吸水性实验、电导率和基质吸力原位监测、热重分析和X射线衍射物相分析等实验方法,通过定性分析、定量分析和统计分析等分析方法对不同硫酸盐环境下胶结充填体的早期性能进行了研究。(1)以人造石英砂作为骨料,普硅水泥及其分别与矿渣和粉煤灰配制的混合物作为胶结剂,不同浓度的硫酸亚铁溶液作为拌和水制备了胶结充填试块并对其1、3、7和28天的试块进行了力学试验;对试块的单轴抗压强度、弹性模量、损伤过程特征进行了分析,建立了早期强度-养护时间发展模型、单轴抗压强度-弹性模量关系模型、充填体损伤模型。结果显示:硫酸盐对胶结充填体单轴抗压强度、弹性模量、损伤过程都有较为显著的影响。充填胶结早期强度随养护时间的发展可以用对数函数模型进行描述。当胶结剂为普硅水泥或粉煤灰和普硅水泥混合物时,随着硫酸盐浓度的升高,胶结充填体的强度下降越显著;当胶结剂为矿渣和普硅水泥混合物时,适宜的硫酸盐可以提高胶结充填体强度,高浓度的硫酸盐对强度产生破坏。胶结充填体单轴抗压强度与其弹性模量有显著的线性相关关系;在相同的单轴抗压条件下,以水泥作为胶结剂的试块,当硫酸盐的浓度较低(0.5%)时,其弹性模量有一定下降,而当硫酸盐的浓度继续升高时,其弹性模量有不同程度的升高;以矿渣和水泥混合物以及粉煤灰和水泥混合物作为胶结剂的试块弹性模量随硫酸盐浓度的升高而增大。硫酸盐的掺入可以改变充填体的韧性或脆性。由此可见,在以普硅水泥作为胶结剂的充填工程中,要尽量采取措施降低硫酸盐的含量;在硫酸盐浓度较高的胶结充填工程中,应优先选择矿渣水泥或矿渣和普硅水泥混合物作为胶结剂,必要时可以添加工业副产品绿矾获得适宜的硫酸盐浓度,充分激发矿渣活性,提高胶结充填体的早期强度。(2)使用压汞法对养护时间为28天的胶结试块进行了孔结构测试,对孔径进行了划分,对试块的孔隙率、孔表面积和孔径分布等孔结构特征参数的变化进行了分析,运用统计分析的方法研究了孔隙率、孔径分布等特征参数与单轴抗压强度的关系,建立了孔隙率-单轴抗压强度关系模型。结果显示:根据胶结剂和硫酸盐浓度的不同,硫酸盐对胶结充填体孔隙率和孔径分布有不同的影响。以普硅水泥为胶结剂的试块中,2.5%硫酸盐的掺入使孔隙率有微小升高,而孔隙表面积却有了显著的降低;对于添加了矿渣和粉煤灰的胶结充填体,适宜的硫酸盐浓度可以起到降低孔隙率的作用,其孔隙表面积主要由微孔和小孔贡献,并且随硫酸盐浓度的升高先增大后减小。胶结充填体孔结构变化是其强度变化的原因之一,整体上,胶结充填体强度随总孔体积的增大而减小,并且,胶结充填体的强度与孔径大于0.2um的孔隙体积相关性最强。由此可见,硫酸盐引起胶结充填体孔结构的改变是其强度变化的原因之一;适宜的硫酸盐浓度可以使以矿渣和水泥混合胶结剂制备的胶结充填体孔结构细化,从而提高其力学性能。(3)使用恒定水头法对不同胶结剂、不同硫酸盐浓度、不同养护龄期的试块进行了饱和状态下水渗透率测试,并对胶结充填体渗透率与孔隙率的关系进行了研究。结果表明,硫酸盐对于不同胶结剂制作的试块渗透率和吸水特性的影响规律不同。在胶结剂相同的条件下,充填体吸水速率随硫酸盐浓度的升高先降低后有不同程度回升。充填体在饱和状态下的水渗透率与孔径大于2um的孔隙体积相关性最强。由此可见,胶结充填体渗透率和吸水性能变化的原因是硫酸盐引起孔结构的改变;适宜的硫酸盐浓度可以使以胶结充填体渗透性和吸水性能下降,有利于抑制对充填体中重金属等有害物质的扩散。(4)通过对胶结充填体基质吸力的发展进行原位监测,研究了硫酸盐对胶结充填体早期基质吸力发展的影响;根据有效应力原理和非饱和土的抗剪强度理论推导了基质吸力对抗压强度的贡献公式,分析了基质吸力与单轴抗压强度的关系建立了基质吸力-单轴抗压强度关系模型,并结合其他学者相关研究对根据胶结充填体基质吸力监测其强度的发展进行了探讨。结果表明:基质吸力对试块的强度有贡献,整体上,胶结充填体单轴抗压强度与基质吸力之间具有较为显著的线性相关关系;充填体孔径大小是其基质吸力的决定性因素之一;胶结充填体在早龄期基质吸力的发展与其中值孔径成负相关关系,即试块的中值孔径越小,基质吸力越大。由此可见,硫酸盐对胶结充填体自干燥过程影响显著,胶结充填体基质吸力的变化可以在一定程度上反应强度的发展,通过基质吸力监测胶结充填体的工作状态可能具有一定的实践意义。(5)归纳总结了普通硅酸盐水泥、水淬高炉矿渣和粉煤灰主要的水化反应和火山灰反应机理,并列举了硫酸盐与胶结剂及其水化产物的反应过程。对胶结充填试块进行了电导率和基质吸力的原位监测,同时对不同硫酸盐浓度下三种胶结剂的水化产物进行了热重分析和xrd分析,根据实验结果,结合已有的研究成果得出了硫酸盐对不同胶结剂水化过程影响的机理。结果表明:以普硅水泥为胶结剂时,胶结充填试块的电导率、基质吸力的发展随着硫酸盐浓度的升高而出现降低和推迟,硫酸盐对水泥的水化过程产生显著的抑制作用,并且抑制程度随硫酸盐浓度的升高而加强。硫酸盐对水泥水化的抑制作用,即水泥中的铝酸三钙与硫酸盐反应生成钙矾石,此反应可以减弱推迟水泥的水化过程,对充填体强度、孔结构等性能造成影响。在养护时间为28天时,硫酸盐浓度为0.5%、1.5%和2.5%的试块强度分别比未添加硫酸盐的试块强度降低31.5%、46.1%和49.4%。以普硅水泥和矿渣混合物为胶结剂时,硫酸盐除了对水泥的水化过程产生抑制作用外,还表现出对矿渣中活性氧化铝的激发作用,即硫酸根与矿渣中的活性Al2O3和CH反应生成钙矾石;这两种影响的综合效果随着硫酸盐浓度的变化而改变。硫酸盐浓度为0.5%时,对矿渣中活性氧化铝的激发作用占主导,在养护时间为28天时,强度比未添加硫酸盐的试块升高20%,孔隙率减小8.9%,充填体性能在整体上趋于优化;硫酸盐浓度为1.5%和2.5%时,硫酸盐对水泥水化的抑制作用占主导,充填体强度分别比未添加硫酸盐的试块降低44.8%和72%,渗透率分别升高60.9%和62.0%,充填体性能在整体上趋于恶化。以粉煤灰和水泥混合物作为胶结剂时,硫酸盐对水泥的水化产生一定的抑制作用,对粉煤灰中的活性Al2O3有一定的激发作用,由于粉煤灰中氧化硅和氧化铝的活性相对较低,硫酸盐对水泥的水化抑制作用占主导地位,硫酸盐浓度为0.5%、1.5%和2.5%的试块强度分别比未添加硫酸盐的试块降低19.4%、45.2%和74.2%,渗透率分别升高66.4%、683%和712%,充填体性能在整体上趋于恶化。由此可见,水化过程的改变是胶结充填体早期性能变化的根本原因。硫酸盐对胶结剂水化过程的影响主要表现在对水泥水化的抑制和对矿渣和粉煤灰中活性氧化铝的激发作用两个方面。这两方面作用随着硫酸盐的浓度和胶结剂中各种矿物的活性和比例不同而发生变化。
【关键词】：硫酸盐 胶结充填体 早期强度 渗透率 基质吸力
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD853.34
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 1 绪论16-28
• 1.1 胶结充填技术的研究现状17-20
• 1.1.1 胶结充填采矿技术的发展17-18
• 1.1.2 充填体性能研究方法现状18
• 1.1.3 胶结充填体主要性能及其影响因素18-20
• 1.2 胶结充填中硫酸盐的来源20-22
• 1.2.1 尾砂20-21
• 1.2.2 缓凝剂21-22
• 1.2.3 选矿剂22
• 1.2.4 尾水22
• 1.3 硫酸盐对胶结充填体性能的影响研究现状22-25
• 1.3.1 硫酸盐引起的腐蚀破坏22-23
• 1.3.2 硫酸盐对胶结剂的激发作用23-24
• 1.3.3 硫酸盐对重金属固化的促进作用24-25
• 1.4 我国硫酸亚铁的生产和处理现状25-26
• 1.5 研究内容26-27
• 1.6 技术路线图27-28
• 2 实验原料与方法28-46
• 2.1 实验原料28-32
• 2.1.1 尾砂28-29
• 2.1.2 胶结剂29-32
• 2.1.3 拌和水32
• 2.2 实验设备32-35
• 2.3 试块的制备35-38
• 2.3.1 胶结充填体试块的制备方法35-36
• 2.3.2 胶结充填体原位监测试块的制备方法36-37
• 2.3.3 胶结剂净浆试块的制备方法37-38
• 2.4 胶结充填试块测试38-42
• 2.4.1 力学性能测试38-39
• 2.4.2 孔结构测试39
• 2.4.3 水渗透率测试39-41
• 2.4.4 毛细作用测试41-42
• 2.5 胶结充填试块原位监测42-43
• 2.6 胶结剂水化产物分析43-44
• 2.6.1 XRD分析43
• 2.6.2 TGA分析43-44
• 2.7 本章小结44-46
• 3 硫酸盐对胶结充填体早期力学性能影响研究46-70
• 3.1 硫酸盐对胶结充填体单轴抗压强度的影响46-53
• 3.1.1 充填体稳定性与单轴抗压强度46
• 3.1.2 胶结充填体早期强度的发展46-50
• 3.1.3 硫酸盐对胶结充填体早期强度影响分析50-51
• 3.1.4 含硫酸盐胶结充填试块早期强度发展模型51-53
• 3.2 硫酸盐对胶结充填体弹性模量的影响53-58
• 3.2.1 胶结充填体弹性模量53
• 3.2.2 胶结充填体单轴抗压强度和弹性模量关系53-55
• 3.2.3 硫酸盐对单轴抗压强度和弹性模量关系的影响55-58
• 3.3 硫酸盐对胶结充填体损伤过程的影响58-68
• 3.3.1 胶结充填体应力-应变过程曲线59-60
• 3.3.2 胶结充填体损伤过程分析60-61
• 3.3.3 胶结充填体本构模型61
• 3.3.4 胶结充填体损伤过程和本构方程推导61-66
• 3.3.5 不同硫酸盐浓度胶结充填体损伤特征分析66-68
• 3.4 本章小结68-70
• 4 硫酸盐对胶结充填体孔结构影响研究70-90
• 4.1 水泥基材料的孔结构70-75
• 4.1.1 孔结构分类和模型70-72
• 4.1.2 孔结构表征参数和影响因素72-73
• 4.1.3 压汞测孔方法原理73-75
• 4.2 硫酸盐对孔结构参数的影响75-80
• 4.2.1 孔体积测试结果75-76
• 4.2.2 孔表面积测试结果76-78
• 4.2.3 硫酸盐对孔隙率的影响78-79
• 4.2.4 硫酸盐对孔隙表面积的影响79-80
• 4.3 胶结充填试块孔径分布特征分析80-84
• 4.3.1 孔径分布测试结果80-81
• 4.3.2 胶结充填体孔径划分81
• 4.3.3 硫酸盐对孔径分布的影响81-84
• 4.4 胶结充填试块强度与孔结构参数的关系84-88
• 4.4.1 水泥基材料强度与孔隙率的关系84-85
• 4.4.2 胶结充填试块强度与孔隙率的关系85
• 4.4.3 强度与孔径分布的关系85-88
• 4.5 本章小结88-90
• 5 硫酸盐对胶结充填体透水性能影响研究90-102
• 5.1 胶结充填体渗透率研究90-95
• 5.1.1 渗透率测试原理90-91
• 5.1.2 硫酸盐对胶结充填体渗透率的影响91-93
• 5.1.3 渗透率与孔隙率的关系93-95
• 5.2 胶结充填体吸水特性研究95-100
• 5.2.1 毛细现象对水泥基材料的影响95-96
• 5.2.2 毛细现象与吸水特性测试原理96-97
• 5.2.3 硫酸盐对胶结充填体吸水性能的影响97-100
• 5.3 本章小结100-102
• 6 硫酸盐对胶结充填体基质吸力影响研究102-118
• 6.1 基质吸力和胶结充填体自干燥过程102-104
• 6.1.1 非饱和土的三相组成102
• 6.1.2 基质吸力定义102-103
• 6.1.3 胶结充填体自干燥过程103-104
• 6.2 基质吸力对抗压强度的影响104-106
• 6.2.1 有效应力原理104
• 6.2.2 非饱和土的抗剪强度理论104-105
• 6.2.3 基质吸力对抗压强度的贡献105-106
• 6.3 胶结充填体基质吸力与强度关系106-114
• 6.3.1 不同硫酸盐浓度下胶结充填体基质吸力的发展106-109
• 6.3.2 胶结充填体基质吸力与单轴抗压强度的关系109-112
• 6.3.3 根据胶结充填体基质吸力监测其强度发展探讨112-114
• 6.4 孔隙直径对基质吸力的影响114-116
• 6.4.1 基质吸力与孔隙直径关系理论推导114-116
• 6.4.2 胶结充填体基质吸力与孔隙直径关系116
• 6.5 本章小结116-118
• 7 硫酸盐对胶结充填体早期性能影响机理研究118-134
• 7.1 水化反应基础理论118-120
• 7.1.1 水泥水化机理118-119
• 7.1.2 矿渣水化机理119
• 7.1.3 粉煤灰水化机理119-120
• 7.1.4 硫酸盐与水泥水化产物的反应机理120
• 7.2 硫酸盐对水泥胶结充填体早期性能影响机理120-126
• 7.2.1 硫酸盐对水泥水化的抑制作用120-123
• 7.2.2 硫酸盐对钙矾石生成的促进作用123-125
• 7.2.3 水化机理与充填体性能变化验证125-126
• 7.3 硫酸盐对矿渣/水泥胶结充填体早期性能影响机理126-130
• 7.3.1 体系中主要的反应过程126-127
• 7.3.2 不同浓度硫酸盐的影响127-129
• 7.3.3 水化机理与充填体性能变化验证129-130
• 7.4 硫酸盐对粉煤灰/水泥水化的影响机理130-133
• 7.4.1 硫酸盐对水化反应过程影响机理130-132
• 7.4.2 水化机理与充填体性能变化验证132-133
• 7.5 本章小结133-134
• 8 结论与展望134-138
• 8.1 主要研究结论134-135
• 8.2 创新点135
• 8.3 研究展望135-138
• 参考 文献138-150
• 致谢150-152
• 作者简介152

【参考文献】

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本文编号：720538