聚丙烯纤维增强尾砂胶结充填体力学及流动性能研究

针对聚丙烯纤维掺量、长度及矿渣掺量这三种因素对尾砂胶结充填体力学及流动性能的影响,进行正交试验设计.通过对试验结果进行极差和方差分析,得到了这三种因素对尾砂胶结充填体力学及流动性的影响程度和显著性影响因素,并借助扫描电镜(SEM)揭示了纤维对充填体力学性能的作用机理.研究结果表明:随着纤维掺量及长度的增加,充填料浆坍落度分别下降了8.7％和4.3％,说明纤维的掺入会对料浆流动性能产生不利的影响;充填体28 d抗压强度、抗拉强度均随着纤维掺量的增加呈先增加后减小的趋势,并在纤维掺量为0.6％时达到最大值,但纤维对充填体抗拉强度的改善效果明显优于对抗压强度的改善效果;矿渣的掺入对纤维增强尾砂胶结充填体流动性能无显著影响,但矿渣掺量的增加使得充填体抗压及抗拉强度分别降低了17.9％、19.7％,说明矿渣的掺入会对尾砂胶结充填体力学性能产生不利影响;纤维的掺入能够有效限制充填体裂纹的扩展,且随着纤维掺量的增加,充填体破坏特征由脆性向延性转变;纤维增强尾砂胶结充填体力学性能的关键在于纤维与砂浆基体界面存在粘结力,使得横跨于裂缝两侧的纤维能够形成"锚固"作用,从而提高充填体的整体力学性能.     

全尾砂-棒磨砂新型胶凝充填材料的制备

将某镍矿选矿全尾砂代替部分棒磨砂作为骨料,采用正交试验和神经网络预测模型,制备以铁矿渣粉为活性材料、以脱硫灰、生石灰为主要激发剂的全尾砂-棒磨砂新型胶凝充填材料,分析了该材料的微观结构及其水化产物。结果表明:全尾砂添加质量分数为30%时,新型胶凝充填材料3 d、7 d和28 d的抗压强度分别达到1.73 MPa、4.22 MPa和6.93MPa,比水泥分别提高了8.13%、51.8%和34.0%,满足镍矿的充填强度指标。新型胶凝充填材料的主要水化产物为C-S-H凝胶,团絮状C-S-H凝胶形成结构密实的胶凝体,将骨料紧密粘结在一起形成较高的力学强度。用这种新型胶凝充填材料可实现30%的全尾砂利用率。     

低浓度全尾砂充填材料泌水及其调控机理

针对低浓度全尾砂充填过程中的泌水造成输送堵管充填体强度不均匀和体积沉缩等问题,进行尾砂级配、胶凝材料用量、料浆浓度、固水材料掺量的正交实验,分析了各种因素对泌水率的影响,根据电阻率(ER)测试、SEM-EDS和XRD探讨了固水材料的作用机理。结果表明,充填料浆的泌水率随着尾砂细颗粒、胶砂比、浓度和固水材料掺量的增加而降低,料浆的浓度和固水材料掺量对泌水率的影响最显著。添加5%的固水材料可使充填材料泌水率降低10%,初始粘度降低30%,2 h粘度降低53%,28 d抗压强度提高20%。固水材料可改善充填材料的孔隙率,提高充填材料水化体系的SO₄^2-浓度和pH值,生成钙矾石、斜方钙沸石以及C-S-H凝胶和硅铝酸盐凝胶的混合物,消耗大量自由水,高分子聚合物通过分子缠绕提高了体系的稳定性,改善了充填材料的泌水现象。     

基于响应面法的复合充填料浆配比优化及微观结构影响机制

为探明因素间交互作用对充填体强度性能的影响机制及揭示胶凝材料水化产物作用机制,以水泥、石灰、石膏添加量为自变量影响因子,胶结体抗压强度为响应目标值,采用Box-Behnken响应面法(RSM)设计试验,建立二次多项式回归模型,结合Numencial功能优化模型自变量参数。最后,利用XRD、SEM、EDS分析手段,探讨净浆试样水化产物组成及微观结构形貌。研究结果表明∶方差分析及模型响应曲面共同诠释了水泥和石灰添加量的交互作用是影响充填体强度性能的关键性因素。对复合充填料浆配合比寻优可得,在水泥∶石灰∶石膏∶矿渣∶甲酸钙=30∶15∶1∶50∶4最优条件下,胶结体3天和7天抗压强度为1.19 MPa和2.17 MPa,模型验证试验相对误差为3.25%和0.93%,表明模型精确度高,可靠性强。复合胶凝体系水化产物主要为钙矾石(AFt)和C-S-H凝胶,随着龄期的延长,AFt和C-S-H凝胶交错生长,紧密搭接,形成致密的三维空间网络结构支撑体系,是胶结充填体具备强度性能的主要来源。      

原料配比对泡沫膏体充填材料性能的影响

以水泥、粉煤灰、煤矸石、膨润土等为原料制备了泡沫膏体充填材料,采用单因素试验研究了不同水料比条件下,原料配比对泡沫膏体充填材料流动度、凝结时间、干密度及后期抗压强度的影响规律。结果表明:流动度随水料比和煤矸石掺量的增加而增加,随发泡剂和膨润土掺量的增加而减小,但在高、低水料比条件下流动度随粉煤灰掺量的增加其变化趋势略有不同;凝结时间随水料比、粉煤灰、煤矸石及发泡剂掺量的增加而延长,而膨润土掺量则对其影响不大;干密度随水料比、粉煤灰、煤矸石及发泡剂掺量的增加而减小,随膨润土掺量的增加先减后增;后期抗压强度随煤矸石、发泡剂掺量的增加而减小,随膨润土掺量的增加先增后减,在高、低水料比条件下粉煤灰对其影响规律相反,此外高水料比有助于原料之间配合成型,对强度有益,但随原料掺量的增加其强度急剧下降。     

冲击荷载作用下胶结充填体的力学特性研究

嗣后充填采矿法二步矿柱回采时,胶结充填体不可避免地受到爆破扰动。动载作用下胶结充填体的力学特性如何,直接关系到矿山的生产安全。借助SHPB(分离式霍布金森压杆)试验技术,进行高应变率下的分级尾砂胶结充填体SHPB动载单轴冲击试验,得到其不同应变率条件下的应力-应变曲线,分析了其破坏过程机理。试验结果表明:(1)平均应变率较小时,充填体动态强度增强因子为1左右;随着应变率上升,动载抗压强度变大,动态强度增强因子随之增大;当应变率达到80~100 s-1时,其动态强度增强因子为2左右,最大甚至超过3,体现了显著的应变率相关性;(2)一定范围内,充填体动载抗压强度随浓度、配比的增大而相应的增大;(3)通过对不同应变率下分级尾砂胶结充填体破坏形态的对比归纳,维持其宏观稳定的最高应变率为50 s-1;最后利用ANSYS/LS-DYNA模拟充填体SHPB单轴冲击过程,其应力-应变曲线、充填体破坏特征与试验相互吻合,验证了结论的正确性。     

钢渣-矿渣复合水泥基材料3D打印性能

为了提高固体废弃物的资源化利用，探究利用钢渣制备3D打印水泥基材料的可行性，研究了钢渣、矿渣的质量比对复合水泥基材料流变特性、可打印性和力学性能的影响规律。结果表明，随着钢渣质量的增加，浆体的流动度和静态屈服应力增大，塑性粘度减小，可挤出性增强，变形率降低，同时抗压强度显著降低。通过Zeta电位测试发现，随着钢渣掺量的增加，Zeta电位绝对值变小，胶体颗粒间引力增大，导致静态屈服应力增大。而随着矿渣掺量的增加，浆体固含量增多，固体颗粒间摩擦加剧，产生了更多絮凝结构和网状结构，提高了浆体的塑性粘度。     

膨润土对泡沫膏体充填材料孔结构及强度的影响

通过添加膨润土成功制备了孔径分布均匀的泡沫膏体充填材料,利用X射线衍射仪和扫描电镜分析了膨润土掺加前后泡沫膏体充填材料的水化产物及孔隙结构,研究了膨润土掺量对泡沫膏体充填材料28 d抗压强度的影响。结果表明,膨润土的掺加提高了气泡稳定性,有利于泡沫的引入,易于制备较低干密度的泡沫膏体充填材料,但膨润土对泡沫膏体充填材料水化产物的生成有一定抑制作用;在水料比为0.7~0.8时,掺加2.0%~4.0%(质量分数)膨润土可使微细孔含量明显增多,气孔孔径分布集中,比较均匀的孔隙结构改善了泡沫膏体充填材料的强度,28 d抗压强度可达0.50~0.73 MPa,满足煤矿充填使用要求。     

掺废陶瓷粉对碱激发矿渣早期反应、硬化体强度及收缩性能的影响

碱激发矿渣(Alkali activated slag—AAS)水泥具有强度发展快、胶结性能好的特点，但大收缩和高成本限制了其工程应用。本研究探索了废陶瓷粉作为新的原材料，其用量对AAS体系早期反应、硬化体的抗压强度和收缩性能以及微观结构的影响。研究表明，废陶瓷粉因活性较低，其掺入会延缓AAS凝结时间；碱激发100%废陶瓷粉甚至不能在常温下正常凝结硬化。掺10%～50%废陶瓷粉的碱激发净浆强度7 d前发展慢，但到90 d时抗压强度提高且超过碱激发100%矿渣的抗压强度；更高掺量会导致碱激发净浆及砂浆强度的显著下降。AAS中掺废陶瓷粉可有效降低砂浆的自收缩，但会不同程度地增加干缩，掺量低于20%时对碱激发水泥砂浆的干缩影响小。综合考虑净浆和砂浆的各项性质，认为废陶瓷粉在AAS中具有应用价值。     

掺农作物秸秆水泥浆体的水化与硬化性能

将稻秆、麦秆、棉花杆、稻壳4种秸秆在20℃水中浸泡24h,测定了浸出液中糖类含量、掺浸出液水泥净浆的力学性能、凝结时间、水化热,掺水泥质量分数为5%各种秸秆水泥胶砂试样的力学性能,用TG-DSC、XRD、SEM方法研究了各种浸出液对水泥净浆水化程度的影响。结果表明各种浸出液对水泥水化和硬化均有显著的抑制作用,其作用顺序为:麦秆>稻草>棉杆>稻壳,同未掺秸秆的试样相比,掺5%秸秆(占水泥质量的百分数)水泥砂浆试样28 d的抗压强度分别下降了49.5%(掺稻壳试样),51.3%(掺棉杆试样),74.7%(掺稻草试样)和76.8%(掺麦秆试样),分析指出,掺加秸秆会显著降低水泥力学强度的原因一方面是秸秆浸出液对水泥水化硬化有显著的抑制作用,另一方面是由于秸秆密度小,导致水泥硬化浆体中起力学强度作用的组分显著减少。     

矿冶固废基胶结充填料的制备及性能研究

以钢渣、钒钛矿渣为主要原料制备胶结剂,再将其与钒钛铁尾矿制成矿井充填料,通过力学性能、XRD、SEM、FTIR等测试,研究了胶结充填料的性能及胶结剂水化产物的组成和结构。结果表明：当钢渣、钒钛矿渣的质量比为13∶12,胶结剂中钢渣/钒钛矿渣、磷石膏、双氰胺废渣、复合磷酸、水泥熟料的质量比为84∶3.6∶5.4∶4.2∶2.8,充填料胶砂比为1∶4,料浆浓度为80%,减水剂含量为0.178%时,充填料坍落度为214 mm,充填料28 d抗折和抗压强度分别达到4.04 MPa、8.31 MPa,满足GB/T 39489-2020《全尾砂膏体充填技术规范》要求。XRD和SEM分析表明,胶结剂水化产物主要为钙矾石(AFt),磷石膏的存在促进了AFt的形成,而AFt又进一步促进了钒钛矿渣和钢渣中[AlO₄]^5-和[SiO₄]^4-沿桥氧的断裂。     

冲击荷载下高韧性水泥基复合材料动态力学特性与微结构演化研究

为提升水泥基材料静态力学性能、抗冲击特性及为减少温室气体排放而降低水泥用量,以硅粉为矿物掺合料(掺量为10%,质量比)、钢纤维为功能组分(掺量为2%,体积比),并匹配高效减水剂(掺量为1.5%～2.0%,质量比)制备高韧性水泥基复合材料,通过准静态抗压/抗折强度、分离式霍普金森压杆试验和采用水化微量热仪、热重分析仪,分别研究了高韧性水泥基复合材料准静态/动态力学特性及其微结构演变特征。结果表明：冲击荷载下(冲击速率为0.5 MPa/s)水泥基材料典型破坏过程分为三阶段,高韧性水泥基复合材料受作用后仅出现局部浆体剥落、飞散现象,而基准组体系均发生显著破坏直至整体破碎;硅粉在10%掺量下有效提升了水泥基复合材料体系早期和后期的准静态力学性能,1 d天龄期下抗压强度和抗折强度最高可达61.4 MPa、23.9 MPa,也显著提升了动态抗压强度至123.3 MPa(28 d天龄期)。微结构演变结果表明：硅粉和减水剂复合作用下浆体水化放热速率主峰提前,且主要水化产物——氢氧化钙含量减少,降低了浆体内部氢氧化钙分布的取向性,有助于改善浆体微结构。     

钢渣-矿渣基全尾矿充填胶结材料的研究

以冶金废渣钢渣、矿渣及电厂废渣脱硫石膏为主要原材料,添加少量的硅酸盐水泥及激发剂,制备了一种新型的钢渣～矿渣基全尾矿充填胶结材料。通过系统试验,确定了制备钢渣-矿渣基全尾矿充填胶结材料的最优配比及影响其性能的显著性因素。结果表明,采用钢渣-矿渣基全尾矿充填胶结材料制备的充填体在胶砂比为1;9、固体浓度约为68％时,28天抗压强度可达到2．5MPa以上。钢渣-矿渣基全尾矿充填胶结材料的固体废弃物含量高达90％以上,且成本明显低于普通水泥,因此会产生较好的环境和经济效益。     

脱硫石膏对大掺量粉煤灰-矿渣粉干混砂浆性能的影响

针对大掺量粉煤灰、矿渣粉导致干混砂浆早期强度和后期强度较低的问题,研究脱硫石膏对该干混砂浆性能的影响;采用X射线衍射、扫描电镜及孔结构分析等手段进行微观机理讨论。结果表明,在大掺量粉煤灰矿粉干混砂浆中掺加占胶凝材料总质量6%～8%的脱硫石膏,对和易性无不良影响,并可显著提高浆体的抗压强度及拉伸粘结强度,收缩率降低10%以上,并改善抗碳化能力,使砂浆体积更稳定;脱硫石膏对粉煤灰及矿渣粉起到激发硫酸盐和碱性的双重作用,并在一定程度上促进水泥水化;胶凝材料的水化产物改善砂浆浆体内部结构,使砂浆浆体中的孔隙大大减少。     

微胶囊-玄武岩纤维/水泥复合材料的力学性能

以水泥、玄武岩纤维和脲醛/环氧树脂微胶囊为主要材料,制备水泥基复合材料标准试样,研究纤维掺量、纤维长度、微胶囊质量分数、水灰质量比和养护龄期对复合材料抗折强度和抗压强度的影响,利用正交实验确定微胶囊-玄武岩纤维/水泥自修复复合材料力学性能的最优配比。实验结果表明：抗折强度随着纤维掺量的增加而增加,抗压强度随着纤维掺量增加而减小;随着纤维长度的增加,抗折强度略有增加,抗压强度略有降低;抗折强度随着微胶囊质量分数的增加呈现出先增加后减小的趋势,而抗压强度则呈现下降趋势;抗折强度与抗压强度随养护龄期的增加而呈增加的趋势;材料经损伤后修复,抗折强度修复率为117%,恢复率为103%,抗压强度修复率为71%,恢复率为97%。     

纳米Fe2O3水泥基复合材料制备的响应曲面研究

配制三种常用高效减水剂溶液,观察纳米Fe_2O_3在三种溶液中的分散效果;基于响应曲面正交旋转组合设计,并考虑纳米Fe_2O_3掺量(Nano-Fe_2O_3content,NFC)、聚羧酸减水剂母液掺量(Polycarboxylate superplasticizer content,PSC)、水胶比(Water-binder rational,WBR)三因素,研究水泥硬化浆体的配比参数与强度间的响应曲面,分析各参数对强度的影响规律。结果表明:纳米Fe_2O_3在聚羧酸高性能减水剂母液溶液中分散效果最好;当配比参数NFC=0.027、PSC=0.017 5、WBR=0.28时,水泥硬化浆体具有较高的强度;从统计学与实践角度来看,响应曲面方程具有较高的可靠性和精度;抗压强度随PSC的增大先增大后减小,随WBR的增大而减小,随NFC的增大而增大;最佳数值附近存在最适宜配方和掺量,使水泥基复合材料具有较好的强度和施工性;响应曲面法(Response surface methodology,RSM)可广泛应用于新型水泥基复合材料的研发领域,发展前景广阔。     

基于再生粗骨料裹浆厚度的含砂透水混凝土配合比设计方法

研究了不同水胶比下外加剂掺量对胶凝材料净浆流动度的影响,以及净浆流动度、中砂/净浆质量比双因素耦合作用下再生粗骨料裹覆砂浆厚度的变化规律;建立了胶凝材料净浆流动度与外加剂掺量,再生粗骨料裹覆砂浆厚度与净浆流动度、中砂/净浆质量比两个数学关联模型,并将两个数学关联模型应用到透水混凝土配合比设计中.结果表明,再生粗骨料裹覆砂浆厚度随砂浆流动度减小而增大,且骨料粒径愈大,其裹覆厚度愈大.采用再生骨料RCA-9.5配制含砂透水混凝土,其砂浆浆体稳定包裹再生粗骨料,无漏浆封底、露骨散架等问题;混凝土试件28 d抗压强度为14.1～17.1 MPa,28 d抗折强度为2.0～2.7 MPa,透水系数大于6 mm·s-1,抗冻性和耐磨性良好.     

超细粉体对水泥基材料力学性能的影响

为了研究超细粉体在水泥基材料中的应用,对掺加不同活性超细粉体的水泥基试件进行了抗压强度和抗折强度的测试,讨论了矿粉A掺量、硅粉掺量、复掺矿粉A和硅粉对水泥基材料力学性能的影响。结论表明:活性超细粉体对水泥基试件的抗折和抗压强度有较大影响,尤其是硅粉能够很好地提高试件的抗折强度和抗压强度。通过SEM形貌分析,说明掺加的超细粉体能够与水泥基材料内部的不利成分Ca(OH)2发生二次水化反应,生成有利的C-S-H凝胶,有效改善水泥基材料的微观结构。     

水泥基复合材料中碳纤维的分散性研究

运用正交试验方法研究以羧甲基纤维素钠(CMC)和硅灰按不同比例配制的分散体系对碳纤维在水泥浆体中分散性的影响,采用新拌料浆法从多份新拌的水泥浆料中分离出碳纤维,并计算碳纤维质量的变动系数,由变动系数评价碳纤维的分散性和分散剂的作用效果.在各种CMC掺量下,硅灰均能显著改善碳纤维的分散性.随着CMC掺量的增加,碳纤维分散性提高.当CMC掺量为0.8%,硅灰掺量为15%时,CMC和硅灰的共同作用使变动系数最小,此时碳纤维在水泥基体中分散性最好,为最佳的分散剂配比.     

纤维素等若干因素对仿钢纤维增强透水混凝土性能的影响

本实验研究了不同仿钢纤维掺量(0%、0.2%、0.4%、0.6%)对透水混凝土抗压强度和透水系数的影响,并分析了骨料粒径、细骨料、纤维素等因素对仿钢纤维增强透水混凝土抗压强度和透水性能的影响。研究表明:仿钢纤维能够在一定程度上提高透水混凝土的早期强度;随仿钢纤维掺量的增加,透水混凝土28 d的抗压强度呈先上升后下降趋势,即存在最优掺量;当仿钢纤维掺量增加时,透水混凝土的透水能力先下降后上升;透水混凝土的抗压强度随骨料粒径的增大而降低,透水系数随骨料粒径的增大而明显增大;细骨料会使透水混凝土的早期抗压强度降低,但会提高透水混凝土28 d的抗压强度;随着细骨料取代量的增加,透水混凝土的透水系数先增大后减小;透水混凝土的抗压强度随纤维素掺量的增加而降低,透水系数随纤维素掺量的增加而增大。本研究可为实际透水混凝土施工过程中外掺料的选择提供参考。