碱激发粉煤灰基胶凝材料的水化过程及力学性能

为分析碱激发粉煤灰胶凝材料的力学性能,在实验室开展了不同碱激发条件下粉煤灰胶结充填体的抗压强度试验,系统分析了激发剂类型、激发剂掺量及粉煤灰掺量对充填体强度的影响规律。结果表明:当粉煤灰掺量为10%～20%时,粉煤灰基胶结充填体抗压强度均随着粉煤灰含量增加而不断增大,并且添加碱性激发剂能有效提高强度指标;添加了激发剂的粉煤灰基胶结充填体强度在各龄期段的增长速率明显高于未添加激发剂的充填体强度增长速率;粉煤灰基胶结充填体抗压强度随着激发剂掺量增加均表现出先增大后减小的趋势,并且在激发剂掺量为3%时达到最大值;此外,添加Na OH的充填体强度明显高于添加Na2Si O3的充填体抗压强度,并且对28 d抗压强度的改善效果优势更为突出;随着养护时间增加,水化反应生成的凝胶物质也逐渐增多,水化产物填充了孔隙结构从而促使充填体具有较好的承载性能。     

钢渣基尾砂胶结充填体强度与流变特性研究

针对水泥作为胶结材料会增大充填采矿成本的问题,采用钢渣、矿渣及生石灰作为材料开展钢渣基胶结材料的研究工作,并对钢渣基充填体的强度及流变特性进行了详细分析。研究结果表明:矿渣含量对充填体7 d强度的影响程度高于钢渣含量,而钢渣含量对充填体28 d抗压强度的影响程度大于矿渣含量;钢渣基胶结充填体的抗压强度随着钢渣含量增大总体上表现出先增大后减小的趋势,钢渣含量为30%时,充填体的抗压强度基本达到最大值;在相同的胶结材料含量及料浆浓度下,钢渣基胶结充填体的7 d及28 d抗压强度均明显高于水泥基胶结充填体,充分体现出钢渣基胶结充填体具有更好的力学性能;随着料浆浓度增大,不同灰砂比下钢渣基充填料浆的流变参数均表现出明显增大趋势,但胶结材料的含量变化不会对钢渣基充填材料的屈服应力产生显著影响。结合流变试验可知,钢渣基充填体的料浆浓度可设计为62%～64%,在该浓度范围内的屈服应力未超过200 Pa,料浆体现出了良好的输送性能。     

玻璃纤维增强水泥基尾砂胶结充填体力学性能试验研究

针对山东烟台某金矿充填体强度低、稳定性差等问题,选用高炉矿渣、钢渣、脱硫石膏等工业固体废弃物制备胶凝材料,掺入玻璃纤维作为加筋材料以改善充填体力学性能.首先,分析充填材料的物理化学性质,然后,开展正交试验,探究纤维掺量、纤维长度和钢渣掺量对水泥基尾砂胶结充填体抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度的影响.研究结果表明:随着纤维掺量的增加,充填体力学性能表现为先增加后降低的趋势,当纤维掺量为０．５％时,充填体抗压强度和抗拉强度达到最大值,当纤维掺量为０．３％时,充填体抗折强度改善效果最好;随着纤维长度的增加,充填体抗折强度和抗拉强度逐渐增大,充填体抗压强度先增加后降低,在纤维长度为６mm 时,抗压强度达到最大值;适量的纤维掺入弥补了充填体内部结构的缺陷,抑制了裂缝扩展,增加了致密度,使充填体力学性能不断上升,但过量掺入会导致纤维相互缠结形成应 力 集 中 区,削 减 了 充 填 体 力 学 性 能.钢 渣 掺 量 为１０％时,充填体力学性能最优,继续增加钢渣掺量,胶凝体系中用于支撑充填体宏观强度的水化产物钙矾石、C—S(A)—H凝胶、Ca(OH)２ 的生成量减少,充填体试件难以抵抗较大的荷载,充填体力学性能降低.     

基于均匀试验与智能算法的全固废充填胶凝材料制备

为了制备满足矿山要求的超细尾砂全固废充填胶凝材料, 基于均匀设计方案, 开展了全固废充填胶凝材料激发剂配比的胶结体强度试验, 结果表明, 矿渣粉配比量为全尾砂胶结充填体7 d及28 d抗压强度的主要影响因素, 脱硫石膏配比量对充填体7 d抗压强度影响较大, 而钢渣配比量影响28 d抗压强度。建立了胶凝材料配比优化模型, 利用智能算法的全局寻优, 获得低成本全固废充填胶凝材料最优配比为: 脱硫石膏20%、钢渣微粉33%、粉煤灰25%、矿渣微粉22%, 材料成本为34.92元/m³;根据该配比进行了室内制备试验, 结果显示, 充填体7 d和28 d抗压强度分别达到1.38 MPa和3.56 MPa, 并且随着反应龄期增加, 该材料体系中C-S-H凝胶和钙矾石的质量损失从3.64%增加到8.7%, 充填体强度呈增加趋势。采用该方法制备的胶凝材料能满足矿山要求。     

改性镁渣基充填材料的性能评价及其孔结构演变规律研究

工业产生的固废所造成的环境污染问题是实现清洁生产的主要阻碍。为实现可持续发展,将镁渣(MS)和粉煤灰(FA)回收作为胶凝材料,再与尾砂(TL)混合,制成一种可用于采矿工程中的膏体充填材料,研究了不同粉煤灰掺量和尾砂含量充填体的流变特性、力学性能和孔结构演变。结果表明:(1)随着粉煤灰掺量增加,微型坍落度值先增大后减小,粉煤灰掺量为20%时,充填体的流动性最好。(2)单轴抗压强度随养护龄期和粉煤灰掺量的增加而增加,随尾砂含量增加而降低,低粉煤灰含量的充填体在早期强度发展缓慢,而高粉煤灰掺量的充填体早期强度发展较快。(3)临界孔径和孔隙率随着粉煤灰掺量的增加而减小,掺量越大临界孔径减小的幅度越大,随着尾砂含量增加,临界孔径和孔隙率逐渐增大。     

高掺量钢渣无熟料体系制备全尾砂胶结充填料

以钢渣和尾砂为主要充填材料,综合分析料浆流动性能和胶结充填体强度,确定胶结充填料的优化配比,并通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)微观分析观察其微观结构和水化产物。试验结果表明,当钢渣掺量为63%、脱硫石膏掺量为12%、矿渣掺量为25%时,料浆流动性能满足自流型胶结充填的流动性要求,充填体28 d抗压强度为3.73 MPa,满足矿山充填强度要求。     

煤矿采空区砂质胶结充填材料特性试验研究

利用风积砂作为煤矿采空区充填的骨料与水泥、粉煤灰等混合制成胶结充填材料,通过宏观、细观和微观手段研究该材料的物理力学性质、物质结构和化学反应。结果表明风积砂是一种级配不良骨料,以风积砂为骨料的胶结充填材料,其单轴抗压强度随着水泥和粉煤灰的掺入量升高而增大,但随着初始含水率的增大而减小;胶结充填材料中添加少量石灰可促进其单轴抗压强度的发挥,而添加石膏会抑制其抗压强度的增长。固化后的胶结充填材料压缩破坏过程较短暂,残余强度较低,且存在水泥掺入量下限。     

以冶金渣为胶凝材料的全尾砂胶结充填料的制备

以矿渣-钢渣-脱硫石膏为胶结剂,以密云铁矿全尾砂为骨料,制备用于胶结充填采矿的充填材料。综合分析料浆流动度和胶结充填体试块强度,优化胶结充填料配比,并通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)微观分析观察其微观结构和水化产物。试验结果表明,当胶结剂中矿渣掺量为60%、脱硫石膏掺量为12%、钢渣掺量为28%、胶砂比为1∶4、充填料浆浓度为80%时,料浆适应膏体泵送的流动性要求,充填体28 d抗压强度为8.62 MPa,满足矿山充填强度要求。     

用粗磷尾矿制备胶结充填材料

为解决湖北三宁矿业挑水河磷矿选厂重介质作业尾矿直接堆存存在的污染环境和土地占用等问题,在对该尾矿进行性能测定的基础上,开展了将其作为胶结材料用于充填采矿的可行性试验。结果表明：磷尾矿颗粒表面粗糙,有害元素含量低,可以作为胶结材料;磷尾矿为骨料制备的充填体不同龄期抗压强度均随灰砂比和料浆浓度增加而增强,但料浆浓度对充填体抗压强度影响相对较大;充填料浆坍落度、坍落扩散度和稠度均随灰砂比和料浆浓度增大而增大。为进一步降低胶结材料成本,还进行了粉煤灰部分替代水泥作为胶结材料的可行性正交试验。结果表明：粉煤灰的添加有利于充填体强度的增高,尤其是后期强度的增长;充填料浆坍落度随灰砂比、料浆浓度和粉煤灰掺量增大均先增后减,且影响程度由强到弱依次为灰砂比>料浆浓度>粉煤灰掺量。由于粉煤灰颗粒粒度细,且部分颗粒呈球形,使其在料浆中可以发挥滚珠轴承效应,减小了磷尾矿颗粒之间的摩擦力,进而提高了料浆的和易性;粉煤灰内部空隙多,随着粉煤灰掺量的增加,需水量也随之增大,导致充填料浆的黏稠性增大,阻碍了料浆中骨料的移动,进而使得坍落度和稠度随粉煤灰掺量增加呈现先增后降的规律。试验确定的胶结材料最佳配比为灰砂比0.250、料浆浓度80%、粉煤灰掺量1.00。利用粉煤灰和粗磷尾矿进行胶结充填具有显著的经济、环境和社会效益。     

聚丙烯纤维磷石膏胶结体早期力学强度特性及增韧机理研究

在传统水泥基复合材料的研究领域,纤维增强了材料的强度、韧性、延展性和抗裂性。为了提高磷石膏胶结体的早期强度,掺入聚丙烯纤维作为增强剂,开展了掺纤维磷石膏胶结体制备试验以及单轴抗压强度试验,分析了纤维对磷石膏胶结体破坏规律的影响,并通过SEM探究了纤维对磷石膏胶结体的增韧机理。研究结果表明:随纤维掺量增加磷石膏胶结体单轴抗压强度呈先增加后降低的趋势,且纤维最优掺量为1%;掺入纤维的磷石膏胶结体能延缓峰值抗压强度达到时间且破坏时的峰值应力更大,未掺入纤维的磷石膏胶结体在荷载超过应力峰值后快速失稳,掺入聚丙烯纤维的磷石膏胶结体则呈缓慢降低趋势;随着纤维的掺入,磷石膏胶结体的裂纹数量逐渐减少,且裂而不断,磷石膏胶结体的延性变形明显;微观下聚丙烯纤维表面附着有絮团状水化产物,且在磷石膏胶结体固结过程中相互缠结形成稳定的网状结构。研究成果可为磷石膏基复合材料在固废胶结充填现场的应用提供一定参考。     

矿渣粉掺量对高水材料物理力学性能的影响研究

为了降低高水材料充填体成本、提高充填体强度,并有效开发利用矿山工业固体废弃物,开展了掺入有活性成分的矿渣粉对高水材料浆液和充填体物理力学性能及晶体微观结构影响的试验研究。结果表明,随着矿渣粉掺量增加,浆液初凝时间缩短,试件的含水率降低、容重增大,且含水率与峰值抗压强度及容重与峰值抗压强度均具有较好的二次相关关系;随着矿渣粉掺量的增加,试件的峰值抗压强度与残余强度均先减小后增大,掺量为10%时,峰值抗压强度与残余强度均达最小值;从材料的微观结构可以看出,矿渣粉的掺入促进了钙矾石晶体和硅酸钙凝胶的生长发育,改变了晶体发育形貌及网状结构形态。在试验掺量范围内,掺加20%的矿渣粉可使试件晶体空间网状结构最为致密,在宏观上表现为峰值抗压强度达最大值。     

工业固废开发充填胶凝材料概述与应用展望

从材料和研究方法角度总结了利用固废开发充填胶凝材料的研究现状,将工业固废划分为潜在活性材料及惰性激发材料两个部分;固废应用于矿山充填,主要机理是以矿渣为基本组分,通过添加其他固废材料或激发剂,促使其水化反应,生成主要胶凝物质钙矾石与凝胶;选取不同工业副产石膏,开展了钢渣-矿渣-石膏全固废超细全尾充填胶结体强度试验,结果表明,石膏种类对充填体强度及体积膨胀率影响不大,钢渣掺量40%,石膏掺量12%以上时,充填胶结体强度均达到2.5 MPa以上,钢渣-矿渣-石膏全固废胶凝材料可应用于超细全尾砂胶结充填。     

基于风积砂的膏体充填材料研制

以风积砂作为骨料的充填材料配制是一个新的研究课题。为给陕北某煤矿充填开采提供高质量、低价格的膏体充填材料配比依据,在24组单因素试验基础上,采用正交试验法研究了风积砂膏体充填材料坍落度、7d和28d抗压强度,并采用SEM对最优配比充填材料微观结构进行分析。结果表明:当粉煤灰的掺量小于380kg/m~3时,充填膏体坍落度呈现上升趋势,当掺量超过380kg/m~3时,膏体的坍落度呈下降趋势;随着粉煤灰掺量增加,充填膏体抗压强度随之增大,且7d变化较小,28d变化较明显;随着水泥掺量增加,充填材料坍落度缓慢下降,同龄期抗压强度也持续缓慢增加,但是同掺量7d和28d抗压强度相比,28d强度增加较大。综合分析,得出最优配比:粉煤灰掺量为440kg/m~3,水泥掺量为220kg/m~3,风积沙掺量为45%,质量浓度为76%。     

粉煤灰对矿渣胶结充填材料性能的影响

针对粉煤灰具有来源广、价格低廉和能改善砂浆施工性能的特点,研究了粉煤灰对矿渣胶结充填材料强度和流动性的影响。结果表明：在以石灰和脱硫石膏为激发剂制备的矿渣胶凝材料中,随着粉煤灰添加量的不断增大,充填体的抗压强度逐渐下降,每添加1%的粉煤灰,7 d强度平均降低1.82%,28 d强度平均降低1.61%;但是充填料的屈服应力和塑形黏度却在不断降低,说明粉煤灰的添加能够很好地改善充填料浆的流变性,实现砂浆高浓度自流输送。综合考虑强度和流变性的影响效果,粉煤灰的最优掺量范围为10%~20%。     

不同养护温度下尾砂胶结充填体抗压强度及破坏形态的试验研究

为探究养护温度对尾砂胶结充填体抗压强度及破坏特征的影响,开展充填体单轴抗压强度试验,并通过扫描电镜试验分析不同养护温度下充填体的微观结构。研究结果表明：养护温度的增加有利于提高充填体的早期抗压强度,但当养护龄期超过14d后,充填体的抗压强度随着养护温度的增加呈先增大后减小的趋势;当养护温度处于20℃~30℃时,充填体抗压强度随着养护龄期的增加而增大,但当温度超过30℃后,充填体抗压强度随着养护龄期的增加呈先增大后减小的趋势,并且充填体抗压强度的降幅也随着养护温度的增加而增大;养护温度的改变不会对充填体应力-应变曲线形态产生显著的影响,并且充填体的单轴受压破坏主要经历了孔隙、裂隙压密、线弹性变形、屈服破坏和峰后破坏4个阶段;不同养护温度下的充填体均表现出了明显的拉伸破坏,并且随着养护温度的增加,充填体的变形破坏也越严重;微观结果表明,合适的养护温度能够显著提高充填体微观结构的致密性,有利于强度的发展,而高温产生的自由水蒸发效应会导致水化产物的减少及空隙结构的增多,从而对充填体抗压强度产生不利的影响。     

粉煤灰对三山岛金矿充填体强度影响的试验研究

为了研究和提高三山岛金矿分级尾砂胶结充填体的抗压强度,在充填体中加入粉煤灰及粉煤灰活化剂(CaO)以提高充填体的早期强度。设计了不同粉煤灰掺量替代胶结剂的充填体强度试验和最优粉煤灰掺量条件下不同CaO掺量的充填体强度试验,研究了粉煤灰掺量和CaO掺量与充填体强度之间的关系,并对出现这种关系的原因进行了理论分析。试验结果表明,当粉煤灰掺量为5%时,充填体试样的强度最大,充填用水中的Na+、Ca2+、Cl-离子对提高充填体的早期强度起了关键作用。当CaO掺量为最优粉煤灰掺量的20%时,各养护龄期的充填体强度最大。最终确定三山岛金矿分级尾砂胶结充填体粉煤灰掺量为5%,粉煤灰活化剂(CaO)的掺量为20%。     

超细尾砂充填胶凝材料配比试验研究及工业应用

针对超细尾砂利用生石灰、脱硫石膏、脱硫灰渣、芒硝和矿渣开展充填胶凝材料配比试验研究。通过扫描电镜(SEM)分析,研究充填胶凝材料水化机理,确定充填胶凝材料最优配方。结果表明,超细尾砂充填胶凝材料的最优配方是:生石灰掺量6%、脱硫石膏掺量15%、脱硫灰渣掺量0%和芒硝掺量3%;充填胶凝材料胶结充填体与水泥胶结体相比,钙矾石产状物粗大,浆体结构致密,大幅提高了充填体抗压强度。通过工业试验验证,开发的超细尾砂充填胶凝材料可缩短凝结时间,适当改变胶砂比和料浆浓度,可提高充填体强度和减小沉缩率。     

粉煤灰-脱硫石膏充填材料性能及微观结构研究

为了有效处理电厂两大工业废渣粉煤灰和脱硫石膏,实现火电厂固废资源化利用。将粉煤灰和脱硫石膏与生石灰、水泥以适当比例混合,通过开展泌水率、流动度、单轴抗压试验、X射线衍射、扫描电镜等实验,综合考虑流动性能和力学性能,得到适宜煤矿充填的粉煤灰-脱硫石膏充填材料配比方案。结果表明：粉煤灰、脱硫石膏、生石灰、水泥以3:1:1:1配比时,该矿物掺和料料浆流动度可达300mm以上、泌水率为4.71%。充填体7d抗压强度大于3MPa,28d抗压强度高于4MPa;随着粉煤灰与脱硫石膏比例的增加,7d强度逐渐增大,28d强度呈现先增大后减小的规律。粉煤灰-脱硫石膏充填材料水化产物主要包括钙矾石、水化硅酸钙、水合碳酸铝钙、石膏。水化产物会填充充填体内部的孔隙结构,宏观表现为提高了充填体强度。     

煤矿采空区土质胶结充填材料强度特性研究

为探索廉价适宜的充填材料,选用低值的黄土作为原材料制备胶结充填材料,通过改变多种因素,试验研究材料强度的变化规律。结果表明:黄土质胶结充填材料的强度受多因素控制,随着水泥掺量、质量浓度、粉煤灰掺量的增加,材料强度逐渐升高,但粉煤灰掺量存在极限值;随着风积砂掺量的升高,强度缓慢降低;对掺入石灰和石膏,强度响应不显著。材料强度对各因素敏感性不一,对质量浓度敏感性最强,对粉煤灰敏感性最弱。     

纳米碳酸钙改性超细水泥注浆材料研究

研制了一种低粘度超细水泥复合浆液,以满足深井井筒微裂隙注浆堵水的要求。以超细水泥,纳米碳酸钙,减水剂和超细粉煤灰为试验材料,采取正交试验,研究了在不同水灰比,纳米碳酸钙掺量,减水剂和超细粉煤灰掺量的条件下,浆液的黏度、析水率、凝结时间和结石体抗压强度的变化规律。结果表明:随着水灰比增大、超细粉煤灰和减水剂掺量增加,黏度降低;随着纳米碳酸钙掺量增加,黏度先降低后小幅度升高;随着水灰比增大、超细粉煤灰和减水剂掺量增加,析水率有不同程度的增加;随着纳米碳酸钙掺量增加,析水率先增大后减小;随着纳米碳酸钙掺量增加,初凝和终凝时间都是先增大后减小,随着水灰比增大、超细粉煤灰和减水剂掺量增加,初凝和终凝时间都有不同程度的增大;水灰比增大,结石体28d抗压强度减小,随着纳米碳酸钙掺量增加,结石体28d抗压强度先增大后减小,超细粉煤灰掺量增加使28d抗压强度略有减小,减水剂对28d抗压强度影响很小,可忽略不计。