粉煤灰改性高水材料力学性能试验研究及机理分析

为解决矿山高水充填材料成本较高、粉煤灰等工业废料大量剩余造成资源浪费、环境污染等问题,借助微机控制电子万能试验机(ETM)力学试验系统、扫描电镜扫描装置和X射线衍射分析仪,研究粉煤灰掺量对高水材料物理力学性能的影响规律,并通过物相和微观结构分析探讨其影响机理.结果表明:随着粉煤灰掺量的增加,高水材料的凝结时间逐渐延长,含水率逐渐降低,容重基本不变;掺杂粉煤灰前后高水材料均是一种弹塑性材料,其变形破坏过程可以分为孔隙压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段;高水材料的峰值强度、弹性模量和变形模量均随粉煤灰掺量的增加略有降低,残余强度却有所提高;综合考虑高水材料的强度、模量和成本,粉煤灰掺量a为15%是最优掺量,此时峰值强度、弹性模量和变形模量仅分别降低了25%、8.6%和10%,残余强度却提高了50%.物相和微观形貌分析结果表明:粉煤灰的掺量影响了β-C₂S的水化进程,导致钙矾石生成量减少,其他水化产物生成量增多,进而破坏了钙矾石结构的整体性和均匀性,最终降低了高水材料的抗压强度.      

混合粗骨料配比对充填体强度及浆体流动性能的影响规律

为缓解金川龙首矿棒磨砂产量不足和充填成本上升带来的压力,提升充填体的稳定性,对金川龙首矿棒磨砂、废石混合粗骨料与固结粉的充填特性进行了研究。选择-5 mm棒磨砂和-12 mm废石混合新型固结粉作为充填材料,在灰砂比为1∶4的基础上,开展充填体强度测试和浆体流变性、流动性及泌水率试验,分析混合骨料配比对其充填综合性能的影响规律,从而提出最佳配比参数。结果表明：随着废石掺量的增加,充填体3 d强度出现略微下降,7 d和28 d强度呈现小幅增长的趋势;浆体屈服应力随废石掺量的增加而增大,黏度系数不断减小,当废石掺量小于35%时,浆体屈服应力均小于150 Pa;充填浆体塌落度和扩展度随废石掺量的增加而急剧减小,塌落度为27~29 cm,能够满足自流输送的要求;浆体泌水率为9%~12%,随着废石掺量的增加泌水率减少,有利于提升浆体的抗离析性;混合粗骨料中废石最佳掺量为30%,最佳质量浓度为82%~83%,在该参数条件下充填体各项指标均能满足金川龙首矿充填质量标准,对于提升矿区充填体稳定性和降低充填成本具有重要意义。     

充填节理破坏机理及实验

充填节理的破坏主要有充填物破坏和充填物与节理接触面破坏两种形式,其抗剪强度与最小抗剪部分的强度相同.当充填物破坏时,单独对充填物部分进行受力分析,得到此时的节理抗剪强度公式.讨论了充填节理强度随法向压应力及充填厚度的变化规律:随着法向压应力的增加先增大后减小,但随充填厚度的变化并不十分明显.对不同厚度的砂浆充填节理进行直剪试验.结果表明:其剪切强度与破坏模式有关;在同一破坏模式下,不同充填厚度的节理其剪切强度变化不大.      

聚丙烯纤维加筋固化尾砂强度及变形特性

针对胶结充填体脆性强、易开裂等问题,以聚丙烯纤维为加筋材料,通过设置水泥与尾砂质量比为1∶10和1∶20,纤维掺量为0、0.05%、0.15%和0.25%的充填体进行无侧限抗压强度试验,探究纤维掺量对胶结充填体强度及变形特性的影响,借助扫描电镜（SEM）,从微观角度探讨纤维对充填体力学性质的作用机制。研究结果表明:充填料浆的屈服应力随纤维掺量增加呈线性增大,其流态模型符合Bingham流体;随着纤维掺量的增加,充填体的无侧限抗压强度呈先增大后减小趋势,纤维最优掺量为0.15%;掺入纤维有效地减缓了裂纹的扩展,约束了充填体的变形,充填体的峰后应变软化延长,残余强度增大,破坏特征由脆性向延性转变;纤维的加固效果主要受纤维与尾砂?水泥基体界面之间的黏结与摩擦作用控制。      

新型胶凝材料充填配合比优化研究

随着选矿工艺的进步,选矿厂生产的尾砂细粒级占比逐渐升高,井下充填体强度降低,为了满足矿山对井下充填体强度要求不得不增加胶凝材料掺量,这使得充填成本升高,影响了矿山效益。针对锦丰金矿胶结充填体存在的问题,提出对所用胶凝材料进行优化,用胶固粉代替水泥作为胶凝材料,并对胶固粉和水泥开展了充填配合比试验,验证了胶固粉代替水泥作为胶凝材料的可行性,在此基础上又单独对胶固粉开展了配合比优化试验,得到了料浆浓度65%时,5.5%胶固粉掺量即可达到锦丰金矿充填体7 d单轴抗压强度0.35 MPa的要求;从经济效益方面进行分析发现,用胶固粉代替水泥作为胶凝材料,每年可节约充填成本约950万元。     

块石胶结充填体组成材料的力学特性

目前,国内外对于块石胶结充填体组成材料力学特性的研究较少,而材料的力学特性在一定程度上影响充填效果的好坏.基于目前的研究成果,借助室内单轴抗压、抗拉试验,得到块石胶结充填体各组成材料的应力-应变关系曲线、载荷-时间关系曲线.结果表明:3种组成材料强度差异性大;骨料试件的强度远远大于尾砂充填体试件与骨料-尾砂试件;骨料试件与骨料-尾砂试件峰后应力跌落较快,表现为脆性特征;尾砂充填体试件在到达峰值应力后下滑迟缓,说明其具有一定残余强度;尾砂充填体试件与骨料试件在单轴荷载的条件下具有初始压密、线弹性变形、塑性变形和失稳破坏4个阶段.     

粉煤灰-脱硫石膏混合体淋滤后抗剪性能试验研究

为研究在有溶蚀作用发生的条件下,粉煤灰-脱硫石膏混合体作为灰坝坝基、路基材料的工程适用性,对五种不同比例的粉煤灰-脱硫石膏混合体试样进行淋滤,分析其淋滤前后抗剪强度变化规律。结果表明:未经淋滤时,混合体的内聚力c与内摩擦角φ随脱硫石膏掺量的增加呈先增后减的趋势,当石膏掺量为30%时,c、φ值最大;经淋滤后,各石膏掺量下的混合体强度均降低,且降幅随石膏掺量的增加而增大。故在无渗流作用发生或渗流作用微弱时,灰膏混合体可以更高的强度替代粉煤灰作为灰坝筑坝材料、路基材料或其他工程材料。     

脱硫石膏—钛矿渣粉复合胶凝材料力学性能研究

将脱硫石膏和钛矿渣粉两种工业固体废弃物综合利用,制备脱硫石膏—钛矿渣粉(简称:FGD-TS)复合胶凝材料。利用XRD、SEM等测试方法研究不同钛矿渣粉掺量对FGD-TS复合胶凝材料反应物物相及微观形貌影响。试验结果表明:随着钛矿渣粉掺量的增加,FGD-TS复合胶凝材料单位体积内的二水石膏晶体量降低,复合胶凝材料试块的2 h抗折与抗压强度均降低。在FGD-TS复合胶凝材料中,钛矿渣粉适宜掺量为10%～20%,钛矿渣粉镶嵌在二水石膏晶体之间,起到了骨架支撑作用,比单一的脱硫石膏的绝干抗压强度提高10%～27%,提高了FGD-TS复合胶凝材料的后期强度,达到《建筑石膏》(GB/T 9776—2008)3.0等级的规定。     

改性聚酯纤维在混凝土中的分散性及对耐久性的影响

制备了不同纤维掺量的改性聚酯纤维混凝土，通过纤维分散的图像处理方法研究五种不同搅拌方式对改性聚酯纤维在混凝土中分散性能的影响，并通过耐久性试验研究改性聚酯纤维混凝土的抗碳化、抗氯盐侵蚀和抗冻性能.结果表明，图像处理方法能够较好地评价改性聚酯纤维混凝土中的纤维分散性，认为“砂石胶材60S+水60S+纤维60S”的搅拌方式得到的纤维分散性最好，与肉眼观察的效果一致.掺加改性聚酯纤维能够提高混凝土的抗压强度，掺量为1.1kg·m-3时提高强度14%左右，继续增大纤维掺量不能持续提升强度.改性聚酯纤维在混凝土中的密集分布能够削弱CO₂的扩散，降低混凝土的碳化速率12.6%～18.9%，纤维掺量越多，抗碳化能力越好.掺加改性聚酯纤维能够降低混凝土的氯离子扩散系数，提高其抗氯离子侵蚀能力.改性聚酯纤维还能有效减少冻融循环过程中表层材料的剥落，大大改善混凝土的抗冻性.      

含水量对压实粘土抗剪强度的影响

通过室内直剪试验,研究了含水量对压实粘土的抗剪强度的影响,并从土体结构与土中基质吸力变化两个方面分析了作用机理。试验表明,随压实含水量增大,粘土的抗剪强度降低,粘聚力随压实含水量增加并非单调变化,其曲线型式类似于“”型,内摩擦角随压实含水量增加大体上是减小的;压实粘土浸水饱和后抗剪强度和粘聚力则显著降低,且压实含水量越小的土体在其它条件相同的条件下因饱和引起的抗剪强度和粘聚力损失越大,内摩擦角受浸水饱和的影响较小。     

废弃玻璃粉对水泥砂浆力学性能的影响

废弃玻璃经球磨机研磨成粉可作为水泥砂浆的原料.本文通过正交试验研究了废弃玻璃粉掺量(0、10%、20%、30%)、水胶比(0.35、0.4、0.5、0.6)、胶凝总量(420、450、480、500 kg/m~3)和玻璃着色剂种类等因素对水泥砂浆的力学性能影响规律.结果表明,随着废弃玻璃粉掺量的增加,砂浆试块的抗压强度先增大后降低.最佳玻璃粉掺量为10%,水胶比为0.4,胶凝总量为450 kg/m~3;对废弃玻璃粉水泥砂浆强度影响最显著的因素为玻璃粉掺量,其次为水胶比,而胶凝材料总量和着色剂对强度的影响很小.废弃玻璃粉的火山灰活性效应不明显.利用废弃玻璃粉作为掺合料生产水泥砂浆是可行的.     

废塑料与煤粉的热解特性对比及动力学研究

 采用热重分析法(TGA)研究了城市固体垃圾中的4种常见废弃塑料——废弃聚乙烯农膜(PE)、废弃聚苯乙烯泡沫塑料(PS)、废弃聚丙烯编织袋(PP)、丢弃的聚对苯二甲酸乙二醇酯饮料瓶(PET)和高炉喷吹用煤粉的热解特性,并计算出它们各自的热解动力学参数。结果表明：废塑料和煤粉的热裂解都属于一级反应,但是煤粉裂解温度远高于废塑料,而裂解量却远小于废塑料,在高炉高温条件下,废塑料将具有比煤粉更好的燃烧特性。     

Testing of Strength of Recycled Waste Concrete and Its Applicability

This paper gives results of studies undertaken to assess suitability of construction demolition as coarse aggregate in new concrete production. Three sets of concrete materials considered are fresh concrete (FCM), waste concrete (WCM), and waste concrete strengthened with admixtures (SWCM). Various mixes were prepared for carrying out the research by varying the proportions of cement, sand, and aggregates. All mixes were designed for characteristic strength (fck) of M20. The compressive strength of concretes was tested in laboratory after 3, 7, and 28 days. The specimens used for testing include cubes, cylinders, and flexural beams. The influence of admixtures on the strength of waste concrete was examined. The compressive strengths of FCM, WCM, and SWCM are compared and the results show that there is not much difference in the strengths of FCM and SWCM after 28 days. For this reason, this study recommends the recycling of waste concrete as an aggregate material in the production of new concrete.     

石粉对赤泥基注浆材料的影响机制

为明确石粉掺合料对地聚物材料的作用机理,以赤泥基注浆材料为研究对象,系统研究了石粉掺量和粒径分布对赤泥基注浆材料浆体性能、力学性能和微观结构的作用规律,并结合X射线衍射仪（XRD）、压汞仪（MIP）和扫描电镜（SEM）等微观测试手段分析其作用机理。研究表明,结石体力学强度随石粉掺量的上升先增大后减小,当石粉的质量分数为5%时抗压强度最高,3 d时可达5.65 MPa,抗压强度提升幅度为18.94%,同时浆液泌水率上升幅度仅为9.85%,且28 d结石体孔隙率降低了18.35%,因此,5%为石粉在赤泥基注浆材料中的最佳质量分数。在石粉最佳质量分数条件下,随着石粉平均粒径减小,浆液凝结时间及泌水率均呈现下降的趋势;当石粉平均粒径达到8 μm时,石粉“填充效应”和“成核效应”作用尤为明显,浆液黏度突升,且3 d和28 d试样强度分别提升了11.86%和10%,故石粉平均粒径越小,其对赤泥基注浆材料的提升作用越显著,赤泥基注浆材料的最佳粉料质量配比为赤泥47.5%,矿粉47.5%,石粉5%;微观分析证实,石粉在浆液水化历程中以物理特性参与其中,为Na₂O–SiO₂–Al₂O₃–H₂O凝胶（N–A–S–H）, 水化硅铝酸钙凝胶（C–A–S–H）和水化硅酸钙凝胶（C–S–H）等凝胶提供成核位点,供地聚物凝胶沉淀和生长,加速浆液水化。      

建筑垃圾制备膏体充填材料骨料级配优化

建筑垃圾用作井下充填材料,不仅可以消除其大量堆放造成的环境危害,而且可以解决矿山采空区充填材料不足的问题,有效维护采场安全。采用土工试验的方法,测试了建筑垃圾的基本物理性质。针对建筑垃圾一次破碎中间粒径缺失问题,提出了新的破碎工艺,即将一次破碎后粗骨料的1/3二次破碎至15 mm以下后回混,能够得到级配良好的骨料。根据膏体材料强度及流动性能要求,选用建筑垃圾制备骨料,普通水泥作为胶凝材料,粉煤灰作为添加料,制备合格的膏体材料,开展单轴抗压试验和坍落度试验。结果表明：使用建筑垃圾制备骨料时,控制粉煤灰掺量为15%、水泥掺量为10%、含水率在27%~28%之间,膏体材料的坍落度为21.5~24.0 cm,得到的充填体3 d单轴抗压强度为1.23 MPa、28 d单轴抗压强度为3.55 MPa,能够满足膏体材料对强度和流动性能的要求。     

柠檬酸浸法预处理对磷石膏充填体性能的影响

为探究柠檬酸水溶液预处理磷石膏作为充填体材料的可行性,试验采用质量浓度为4%的柠檬酸水溶液对磷石膏进行浸泡预处理,将处理后的磷石膏与未处理的磷石膏分别制备成6种不同配比的试样,先后对标准养护条件下的样本进行了剪切流变测试,7 d、14 d和28 d的单轴抗压强度测试,以及扫描电镜(SEM)测试。试验结果表明:柠檬酸浸法预处理磷石膏充填体较未处理磷石膏充填体单轴抗压强度明显提高,且主要强度形成期在0~7 d,同时,预处理磷石膏可以降低浆体屈服应力,提高浆体易泵性;SEM结果显示,预处理磷石膏充填体的微观结构与未处理磷石膏相比其标志性水化产物的产生量更多,微观结构更加致密。     

废塑料与煤粉热解特性的研究

分别将4种废塑料和煤粉置于非氧化性气氛中研究其热解特性。研究结果表明,在氮气中废塑料的裂解过程主要分为三个阶段:缓慢裂解—急速裂解—缓慢裂解至结束,煤粉的裂解过程比较平缓;最大裂解速度对应的温度,废塑料平均超过400℃,煤粉为900℃;终了裂解量,不同品种废塑料为85%～100%,而煤粉仅22%,两者差异极大;废塑料的完全裂解表观活化能是煤粉的6～10倍。     

低浓度拜耳赤泥充填材料制备及水化机理

针对矿山充填中拜耳法赤泥利用率较低或低浓度赤泥充填材料存在强度低、泌水量高、易收缩等问题,研究粉煤灰添加比例、脱硫石膏、石灰及激发剂对赤泥充填材料早期强度及体积稳定性的影响,采用扫描电子显微镜-能谱仪（SEM-EDS）和X射线衍射（XRD）分析手段探讨赤泥基充填材料的水化机理。结果表明,脱硫石膏促进钙矾石的生成,石灰促进粉煤灰火山灰效应,激发剂可以加快赤泥?粉煤灰水化反应进程,三者协同作用提高赤泥充填体强度。充填材料28 d抗压强度3.35 MPa,且初始及60 min流动度在200 mm以上。微观实验表明,硬化体水化产物为钙矾石、硬柱石、硅铝酸盐凝胶类矿物,水化产物通过填充孔隙,提高浆体强度。赤泥基充填材料固体废弃物利用率达到92%,无泌水,无沉缩,具有较高的经济价值和环保价值。      

钢渣作为钾盐矿充填料胶结剂的固化机理

以有效解决钾盐矿尾盐和尾液导致的环境污染、资源浪费、安全隐患等问题为出发点,以改善钾盐矿充填料流动度和强度为目的,利用钢渣水化反应缓慢持久的特点,制备了以钢渣为胶结剂的钾盐矿充填料,初步证明钢渣细度和养护温度对充填料的性能有较大影响.所制备的充填料8 h内流动度保持在200 mm以上,28 d抗压强度可达2 MPa,满足充填料的性能要求.本文着重从微观角度分析了其固化机理,X射线衍射技术、扫描电子显微镜、热重分析、红外分析等分析结果表明:钢渣粉与钾盐矿尾液水化反应的产物主要为C-S-H凝胶、水铝钙石(或称费里德尔盐)、类水滑石等,在水化反应过程中水化产物之间相互穿插包裹使体系结构的致密度和强度不断增长.在微观结构呈层状的水铝钙石和类水滑石中出现类质同象代替现象,Ca2+、Mg2+、Fe2+,Fe3+、Al3+和Si4+都可相互取代而使得OH-和Cl-参与其中,这对体系中的杂质离子起到固定作用,对充填料的稳定性有利.该研究结果初步表明钢渣具有充当钾盐矿充填料胶结剂的潜力.      

超高流动性改性镁渣基充填材料的性能

针对超远距离输送过程中,特殊管路布置等充填技术中堵管、爆管风险大,管道磨损严重等问题,采用改性镁渣（MMS）和粉煤灰（FA）在不同配比下制备超高流动性新型膏体充填材料（UH-MFPB）,探究其早期强度、流动性以及流变特性,并建立流动性和流变参数的相关关系。研究结果表明:（1）UH-MFPB样品的单轴抗压强度随FA含量增加呈先增大后减小的趋势。当FA质量分数为20%时,样品的抗压强度最大,养护28 d可达到6.759 MPa,后期强度持续增加;（2）新鲜UH-MFPB料浆的坍落度为25.6～29.2 cm,扩展度为61～93.1 cm,具有很好的流动性;（3）新鲜UH-MFPB料浆的流变特性符合Herschel?Bulkley模型,流变参数（屈服应力、塑性黏度和触变性）随FA含量的增大而减小,且FA质量分数达到20%时,料浆出现剪切增稠的现象;（4）新鲜UH-MFPB料浆的流动性和流变参数满足二次多项式关系,呈现出负相关性。