采空区治理再生骨料浆液物理性能及长期强度特性研究北大核心

为解决部分地区采空区充填材料供应不足,以城市建筑固废为原材料,加工成再生骨料,代替部分粉煤灰制成新型充填浆液,测试其物理性能及不同养护条件下强度特性。结果表明:新型充填浆液凝结时间满足注浆要求,随着骨料比例的增加,浆液结石率呈减小趋势、流动度呈增加趋势;当水固比为1∶1.2,再生骨料代替粉煤灰比例在50%以下时,浆液结石率、流动度均良好,当代替比例大于70%时,浆液有离析现象;2组浆液结石体28 d抗压强度都远大于2MPa、90 d长期强度值最小为3.59 MPa、最大值可达7.93 MPa,纯水泥粉煤灰浆液结石体各龄期抗压强度大于其它添加再生骨料的组别;同配比时,结石体短期抗压强度值水下养护大于标准养护。水固比为1∶2和1∶3的高浓度浆液,物理性能良好,长期强度值最大可达15.94 MPa。结合研究结果,分析论述了不同采空条件下浆液配比的优选,并应用于实际采空区充填治理工程。     

粉煤灰水泥充填注浆材料性能研究

对煤矿采空区充填用的粉煤灰水泥注浆材料性能进行了研究,研究内容主要包括粉煤灰用量对浆液粘度、结石率及浆体抗压强度等的影响。研究表明：随着粉煤灰用量的增加和水灰比的减小,浆液粘度增加,结石率提高;浆体抗压强度随着粉煤灰用量的增加和水灰比的提高而降低;水灰比为1：1,水泥替代率为70％时,浆体28d的抗压强度大于3．0MPa,完全可满足采空区充填注浆的技术要求。     

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。     

粉煤灰水泥注浆材料主要性能试验研究

粉煤灰水泥注浆材料在采空区治理方面应用广泛,其主要性能直接关系到注浆充填实施和效果。通过室内试验,探讨了不同水固比、固相比、水玻璃掺量与浆液黏度、浆液初凝时间、浆液结石率、浆液结石体抗压强度之间的相互关系。试验表明,水固比1∶1.2～1∶1.5、固相比3∶7、水玻璃占水泥含量2%或3%情况下,注浆体凝结后,结石率均在75%以上,7d单轴抗压强度均在2MPa以上,满足工程需要。     

原料配比对煤矸石膏体工作性能和抗压强度的影响

针对充填材料成本过高、性能欠优的状况，结合煤矸石等大宗固废资源化再利用等问题，以煤矸石为骨料，粉煤灰、矿渣和水泥为胶凝材料，聚羧酸减水剂和水玻璃为外加剂，制备早强型煤矸石膏体充填材料。重点研究了胶凝材料用量及配比对煤矸石膏体工作性能和抗压强度的影响，结果表明，随着胶凝材料用量的减少，新鲜膏体坍落度先增大后减小，泌水率先减小后增大，胶凝材料最佳用量约为25%;随着胶凝材料中水泥掺比量的减少和矿渣用量的增加，膏体坍落度小幅增加，膏体试块3～28 d的抗压强度稳步上升，煤矸石膏体制备原料最优配比为煤矸石∶粉煤灰∶矿渣粉∶水泥=75∶13∶6∶6,而新鲜膏体坍落度为26.5 cm, 1 h后坍落度为25.1 cm,泌水率为6.21%,膏体无分层离析现象；膏体2 h后抗压强度可达0.06 MPa, 28 d抗压强度可达10.5 MPa。     

水泥粉煤灰注浆材料特性试验及其应用研究

通过室内试验对水泥粉煤灰浆液的各项工程性能指标进行了系统的测试,探究了不同水灰比、固相比与结石体抗压(剪)强度、凝结时间、粘度、结实率与时间的关系,研究结果表明:不同龄期硬化体抗压(剪)强度,随水灰质量比的增大而降低,对浆液硬化体强度28d龄期更为适宜,但对于注浆工程本身来说,可参考7d龄期的浆液硬化体强度;水灰比为1:0.5~0.8时,浆液流动性能良好,但硬化体强度较低,加固效果较差;而水灰质量比为1:1时,硬化体强度高,结石率高,充填加固效果较好;水泥粉煤灰浆材凝结时间较长,随粉煤灰掺量的增大而增大,随水灰质量比的增加而延长;但浆材流动度随粉煤灰掺量的加大而降低,同时粘度增大,结石率升高;粉煤灰含量为20%时,水泥和粉煤灰的物理化学反应较好,可注性能优异,能够满足注浆堵水以及工作面底板改造的要求。     

地面注浆加固顶板高掺量粉煤灰水泥浆液材料性能研究

针对垮落带直覆下采煤破碎顶板低强度加固特点,基于粉煤灰对水泥浆液性能影响,采用室内静置试验方法,分别对不同水泥粉煤灰比例的浆液进行了优化试验并得出最优强度和流动性配比。试验结果表明,水泥浆液的抗压强度和流动度随固相比的减小(粉煤灰掺量增大)而降低,但凝结时间随之延长及结石率随之增大;硬化体早期强度较低,后期强度有明显增长。当固相比为2∶8时,水泥和粉煤灰的物理化学反应良好,流动性能整体上较好,结石体强度在1MPa以上,凝结时间也较长。研究成果在许疃矿7228工作面垮落带直覆下采煤地面注浆加固工程中取得了良好的应用效果。     

骨料堆积密实度对充填体强度影响的规律研究

骨料堆积密实度是孔隙率、骨料粒径、级配关系的综合反映。为研究骨料堆积密实度对充填体强度影响的规律,以废石集料和风砂为骨料,开展了堆积密实度试验;以水泥掺量、水灰比、质量浓度为变量,以单轴抗压强度为考察指标,开展了骨料密实度对充填体强度影响的试验研究。结果表明:混合料堆积密实度对充填强度有较大影响。在实验范围内,随着废石集料的增加,混合料堆积密实度呈"拱形"先增大后减小,当砂石比为5∶5时,密实度达到最大值为0.724,此时可充分发挥混合料的强度效应,此后废石占比每提高10%,充填体7d和28d强度分别降低12.5%和11%。充填体强度与水泥掺量和质量浓度成正相关,而与水灰比成负相关;满足7d和28d强度分别为2.5MPa和5MPa的前提下,最佳水泥掺量为240kg/m3,最佳水灰比为1.6,最佳砂石比为5∶5,最佳质量浓度为79%。     

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。     

某多金属矿新型充填胶凝材料性能及微观结构研究

采用矿渣新型胶凝材料为胶结剂,细尾砂为骨料,开展充填料浆流动度、泌水率和充填配比试验,研究浓度、灰砂比对料浆流动性、泌水率、充填体抗压强度的影响,以及不同养护龄期下充填体抗压强度的发展规律。结果表明：充填浓度对料浆流动度、泌水率的影响较大,随着浓度的提高,料浆流动度和泌水率显著降低;灰砂比的影响相对较小,随着灰砂比的降低,料浆流动度、泌水率略有提高;充填体抗压强度随浓度的增加而提高,随灰砂比的减小而降低,新型胶凝材料充填体在养护早期3 d强度发展较为缓慢,7 d后强度开始明显提高,28 d后强度仍能持续增长,且养护60 d强度相比28 d提高约20%;矿渣微粉在水泥、石膏等激发作用下生成纤维状C-S-H、针棒状钙矾石等水化产物是充填体产生强度的主要原因。     

水泥-粉煤灰-水玻璃注浆材料强度影响因素试验研究

为研究不同配比水泥-粉煤灰-水玻璃注浆材料结石体抗压强度的变化规律,在正交实验设计原则指导下,确定了影响浆液性能的水固比、粉煤灰掺量、水玻璃添加比例三个因素以及各因素的水平,设计了正交实验方案,测试了结石体抗压强度。通过极差和方差分析了各因素对抗压强度的影响规律,最终得出水固比0. 8∶1、粉煤灰掺量20%、水玻璃添加比1%的浆液结石体强度性能最好。采用多元非线性回归法建立结石体28d强度与三因素之间定量关系的基础上,分析浆液固化过程和结石体SEM图像,阐明了三因素对结石体强度的影响机理,认为粉煤灰掺量超过20%会减少氢氧化钙(CH)六方晶体的析出,水固比的增大会稀释浆液,直接导致浆液凝结速度变缓,水玻璃添加比过大一方面会导致浆液凝结过快,其他物料不能充分反应,另一方面会抑制氢氧化钙(CH)的生成,导致强度降低。     

建筑垃圾充填膏体强度性能影响因素的试验

为验证建筑垃圾作为充填材料的合理性以及对充填膏体强度性能的影响因素,制备了不同固相比(水泥、粉煤灰、建筑垃圾的比例)和质量分数下的建筑垃圾充填膏体,然后进行了单轴抗压强度测试,并探究不同龄期对建筑垃圾充填膏体应力应变的影响规律。结果显示:建筑垃圾作为充填材料在不同固相比和质量分数下,其抗压强度均可以达到矿井需求;当固相比大于1∶4∶6时,抗压强度开始显著下降,质量分数适宜控制在76%左右;建筑垃圾充填膏体应力应变特性属于塑-弹-塑性类型。     

粉煤灰—石膏—钢渣复掺充填料浆制备与性能研究

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、粉煤灰及石膏作为材料开展粉煤灰—石膏—钢渣基胶结材料研究,并对充填体强度进行了分析。研究表明:充填体强度随着粉煤灰掺量增加表现出先增大后减小的趋势,并且都在粉煤灰掺量为15%时达到最大值,说明单掺粉煤灰存在最佳掺量现象;充填体的强度随着钢渣掺量增加也表现出先增大后减小趋势,并且都在钢渣掺量为30%时达到最大值,说明单掺钢渣也存在最佳掺量值;当石膏掺量从0增加至8%时,单掺粉煤灰或钢渣下的充填体抗压强度随着石膏掺量增加表现出不断增大趋势,并且石膏掺量增加更有利于提高充填体的早期抗压强度;复掺粉煤灰和钢渣情况下,充填体的抗压强度得到了显著提高,并且复掺粉煤灰和钢渣的充填体强度均要高于单掺粉煤灰或钢渣的充填体强度。     

基于正交实验的赤泥-粉煤灰膏体充填材料配比优化

为了解决赤泥、粉煤灰等工业固废的堆放对环境产生的危害,同时降低矿山充填材料的高成本问题,试验采用拜耳法赤泥、粉煤灰制备矿山充填材料。采用正交试验方法以及MATLAB进行线性回归预测和3D可视化模型建立,得出影响赤泥基膏体充填强度及塌落度、泌水率的因素及回归方程。实验结果表明:料浆质量分数是影响塌落度的主要因素,其中58%料浆浓度的塌落度效果最好;赤泥粉煤灰比是影响充填料浆泌水率的主要因素,赤泥粉煤灰比为3∶2可以满足工艺要求;水泥掺量对试块的早期强度影响最大,料浆质量分数次之,赤泥粉煤灰比最小。因此,选择料浆浓度58%、赤泥粉煤灰比3∶2,水泥掺量10%为赤泥粉煤灰膏体充填的最优配比。     

神东矿区山砂基膏体充填材料配比优化试验

为制备成本低廉、配比合理和稳定优越的膏体充填材料，以山砂作为骨料，水泥和粉煤灰作为胶凝材料，分别对充填材料的物理力学性质、化学成分、膏体流动性、速凝特性和配比进行系统研究。结果表明：神东矿区山砂颗粒粒度中等偏细，SiO₂含量较高，有利于提高充填体强度；粉煤灰颗粒超细，具备部分活性，是良好的添加辅料；山砂基膏体的推荐质量浓度为水泥∶粉煤灰∶山砂=1∶2∶6、1∶2∶10、1∶4∶15、1∶4∶20时，质量浓度分别为83%、84.5%、84%、84.5%；水泥∶粉煤灰∶山砂=1∶4∶15时，3 d龄期抗压强度为1.44 MPa,28 d龄期抗压强度可达8.88 MPa，而配比为1∶4∶20时，膏体充填体强度略有降低；充填体的早期强度较高，能够满足充填技术要求。     

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%。     

矿渣-粉煤灰注浆材料的性能与微观结构研究及优化

为研究矿渣-粉煤灰注浆材料的宏观性能与微观结构,利用正交试验和极差分析方法对矿渣-粉煤灰注浆材料进行了测试,研究了水玻璃模数、碱固比、水灰比、矿渣粉煤灰比等因素对浆液流动度、表现黏度、析水率、凝胶时间、28 d抗压强度等物理和力学性能的影响规律。通过扫描电子显微镜(SEM)分析了注浆材料微观结构和宏观性能之间的联系。结果表明：水灰比对浆液的物理力学性能有明显的影响,水灰比与浆液流动度、凝胶时间、析水率呈正相关,与表现黏度、抗压强度呈负相关;水玻璃模数主要影响凝胶时间,二者呈正相关;碱固比主要影响析水率,二者呈负相关;矿渣与粉煤灰的比值对流动度和强度有较大的影响,随着比值的提高,浆液流动度和强度升高。利用矩阵分析法得到了料浆配比的优选方案：矿渣∶粉煤灰为7∶3、水玻璃模数2.0、碱固比4%、水灰比0.9。矿渣-粉煤灰注浆材料充分利用工业废渣,现场工程应用效果良好,研究结果为该材料的工程应用提供了参考。     

水泥—粉煤灰注浆材料特性试验研究

通过室内对水泥—粉煤灰浆液的各项物理力学及化学性质进行测试,获取了不同材料配比及不同龄期条件下浆液的结石体抗压及抗剪强度、流动度(扩散半径)、黏度、结实率、凝结时间等工程参数,探究了各工程参数间的相互作用关系。结果表明:不同龄期条件下的浆液硬化体抗压及抗剪强度随水灰比的增大而降低,对于注浆工程本身来说,选取7 d龄期条件下的浆液硬化体强度最为适宜;水灰比为1:0.5~1:0.8时,浆液流动性比较好,但硬化体强度较低,加固效果较差;而水灰质量比为1:1时,硬化体强度及结实率较高,充填加固效果较好;水泥—粉煤灰浆液的凝结时间随粉煤灰掺入量的增大而增大,随水灰比的增加而延长;水泥—粉煤灰浆液的流动度随着粉煤灰掺量的加大而降低,但黏度增大,结石率升高;当粉煤灰含量为20%时,水泥和粉煤灰的物理化学反应较好,可注性能优异,能够满足注浆堵水以及工作面底板改造的要求。     

高强度低黏度注浆材料配比试验研究

为满足微裂隙岩体注浆加固要求,需研究一种强度高、黏度低的高性能注浆材料。选用超细水泥、硅粉、超细粉煤灰、聚羧酸系减水剂为原料,结合单因素试验和正交试验,对浆液进行改性。试验结果表明：在水泥中掺加4%～12%的硅粉,浆液的结石体强度可以提高8%～34%|用超细粉煤灰替代一定量的水泥,可以降低浆液的黏度,当粉煤灰替代量超过20%后,浆液黏度不再降低,达到作用极限值|聚羧酸系减水剂对于降低水泥浆液的黏度有着显著效果,掺加0.1%～0.5%的减水剂,浆液的黏度可以降低25%～90.6%,减水剂掺量越高,浆液析水率越大,浆液越不稳定|当水灰比为0.8、硅粉掺量为10%、粉煤灰代替量为20%、减水剂掺量为0.3%时配置的浆液性能最优,新型浆液结石体28d抗压强度为22.98MPa,比纯水泥浆液结石体的抗压强度提高13.6%,黏度为21.83s,比纯水泥浆液黏度降低89%。     

戈壁集料级配优化试验及充填材料制备

为验证戈壁集料制备充填材料的可能性,以某矿充填所用的高含泥全尾砂和戈壁集料为主要原料,研究戈壁集料制备充填材料时所需的最优级配,并制备全尾砂戈壁充填材料,采用二次多项式回归分析探讨浓度、添加剂剂量、砂灰比、尾废比对充填材料的塌落度及各龄期抗压强度的影响。试验结果表明:戈壁集料颗粒级配为0~12mm制备矿山充填材料更为合理。影响(假顶)充填体塌落度和各龄期强度的因素中,浓度74%~79%对塌落度和28d抗压强度影响较小,骨料比对7,14d抗压强度影响较小。影响(嗣后)充填体塌落度和各龄期强度的因素中,浓度74%~79%对充填体塌落度及14,28d抗压强度影响较小,各因素变化对7d强度影响都较明显。当浓度为74%~79%,添加剂为2.5%、砂灰比为4、骨料比为3时,(假顶)充填体的28d强度达到10.7 MPa;当浓度为74%~79%,添加剂为1%、砂灰比为8、骨料比为2时,(嗣后)充填体的28d强度达到3.5 MPa。