基于响应面法的采空区膏体充填材料强度影响因素研究

以大同东周窑煤矿采空区膏体充填材料为研究对象，通过室内流动性试验、保水性试验、抗压强度试验确定了煤矸石粉掺量、水泥掺量、减水剂掺量的配比。使用响应面软件设计了膏体材料试验方案，探究以煤矸石为主要成份的膏体材料在煤矸石粉掺量、水泥掺量、减水剂掺量3种因素及各因素两两交互作用下对膏体材料强度的影响规律，建立了3、7、28 d养护龄期的膏体材料强度与3种因素间的响应面回归模型，得到了膏体材料最佳配比。试验结果表明：水泥是膏体材料强度的最重要影响因素；水泥与减水剂的交互作用对膏体材料强度影响最大；膏体材料最佳材料配比为：煤矸粉掺量为10%、水泥掺量为11.7%、减水剂掺量为0.926%。     

基于RSM-BBD的废石-风砂胶结体配合比与强度试验研究

充填料浆配合比的选择直接决定了充填体的强度及运行成本。根据两种骨料混合堆积密实度试验,得到废石风砂最优配比。利用Design-Expert软件中的Box-Behnken中心组合试验设计及响应面法(RSM)研究了料浆质量分数、水泥用量和骨料配比对充填体不同龄期内无侧限抗压强度的影响规律,建立了以粗骨料胶结体3,7,28 d强度为响应值的三元二次回归模型,并对该模型的适用性进行了验证。试验结果表明,充填体强度不仅受单一因素影响,而且两因素之间的交互作用对强度影响显著。由模型的响应曲面可知,质量分数与骨料配比的交互作用对充填体早期强度影响显著,水泥用量与骨料配比的交互作用对充填体中期强度影响显著,质量分数与水泥用量的交互作用对充填体后期强度显著。通过回归模型及建立的充填材料成本函数,优选出一组料浆配合比,经现场试验满足生产要求。     

基于响应面法的煤矸石胶结充填体抗压强度试验研究

煤矸石胶结充填可有效控制煤矿开采造成的地表沉陷,减少环境破坏。为研究细矸率、水泥掺量和料浆质量浓度对充填体抗压强度的影响规律,优化充填材料配比,在单因素试验基础上采用响应面法设计3因素17组配比试验,构建响应面回归模型并计算优化配比,为工程上获得合理充填材料配比提供科学方法。研究表明:单因素对充填体抗压强度的影响大小依次为料浆质量浓度、水泥掺量、细矸率;细矸率和料浆质量浓度交互作用对充填体早期抗压强度影响较小,水泥掺量和料浆质量浓度交互作用对充填体中后期抗压强度影响最大;为满足充填强度要求（一般≥5.0 MPa）,经模型优化确定充填料浆最佳配比为m（煤矸石）︰m（粉煤灰）︰m（水泥）︰m（水）=50%︰22%︰8%︰20%,细矸率为52%时,充填体28 d抗压强度为5.07 MPa,验证试验误差范围在2%左右,模型精准可靠;水泥水化生成Ca(OH)₂激发粉煤灰和煤矸石活性物质生成钙矾石（AFt）和水化硅酸钙（C-S-H）凝胶,随着龄期不断增长对胶凝体系起到了良好的连接作用,网状结构更加稳定,能有效提高充填体抗压强度。      

基于响应面法的废石-铜渣掺和比充填强度影响试验

充填料浆配比与强度在矿山准确充填过程中起决定性作用,运用两种骨料堆积密实度模型分析废石-铜渣混合比例以得出混合骨料最佳掺和比,采用BBD响应面法,对废石-铜渣进行膏体配比设计,建立了各龄期的充填体强度回归模型,研究了料浆质量浓度、水泥添加量、废石-铜渣掺和比单因素及其交互作用对不同龄期充填体强度的影响。结果表明：料浆质量浓度和废石-铜渣掺和比的交互作用对充填体强度初期形成起支撑作用,水泥添加量和废石-铜渣掺和比交互作用对中期充填体强度影响显著,料浆质量浓度和水泥添加量交互作用对后期充填体强度增长起决定性作用。建立充填物料多目标函数模型对废石-铜渣膏体配比进行优化,满足矿山生产要求。在一定程度上为矿山多元骨料的应用提供了理论指导,同时有助于矿冶固废铜渣的综合利用。     

减水剂对超细全尾砂充填体弹性模量影响

为了研究聚羧酸减水剂对超细全尾砂膏体充填体弹性模量的影响,制备了不同减水剂掺量、不同养护龄期、不同膏体浓度的充填体试件,通过强度试验分析减水剂掺量、养护龄期、膏体浓度对弹性模量的影响规律。结果显示:减水剂掺量由0.1%增至0.5%、养护龄期延长、膏体浓度由70%增至76%,弹性模量逐渐增大;研究了充填体密度与弹性模量、抗压强度的相关性,并建立回归预测方程,为矿山提供了预测充填体弹性模量和抗压强度的简易方法。     

基于响应面分析法的戈壁料充填体强度影响因素研究

:针对戈壁料充填矿山,为确定最优的充填体强度配比试验方案,以金龙沟矿区为研究对象,基于室内充填体强度及流动性试验,确定了灰砂比、料浆质量浓度、粉煤灰占比３种因素的试验设计范围,并利用响应面分析法设计了１７组试验方案,研究了３种因素及其交互作用下对戈壁料充填体强度的影响规律,同时建立了３种因素与３d、７d、２８d养护龄期时戈壁料充填体强度间的响应面回归模型,优化了金龙沟矿区戈壁料充填料浆的材料配比.研究结果表明:灰砂比是影响戈壁料充填体强度的最大因素;３种因素交互作用下对戈壁料充填体强度的影响程度为灰砂比与料浆质量浓度＞灰砂比与粉煤灰占比＞料浆质量浓度与粉煤灰占比;在满足充填体强度条件下,金龙沟矿区戈壁料充填料浆的最优配比:灰 砂 比 为 １∶８、料 浆 质 量 浓 度 为 ８２％、粉 煤 灰 占 比为１０％.     

基于响应面法的废石-细尾砂充填性能优化试验

为获得满足矿山采矿强度要求的废石-细尾砂充填最佳配比,首先根据混合骨料的堆积密实度和料浆浓度初探试验,初步获得配比范围;在此基础上利用响应面法建立了以废石-细尾砂充填体的3、7、28 d抗压强度为响应值的回归模型,揭示了骨料配比、浓度和灰砂比三因素对充填体强度的影响规律,并通过回归模型优选出充填最佳配比,进行半工业试验验证。结果表明,当充填体养护至3、7 d时,浓度和灰砂比两因素的交互作用影响显著;当充填体养护至28 d时,骨料配比与浓度的交互作用影响显著。当骨料配比1∶3、浓度82%、灰砂比1∶4时,废石-细尾砂充填性能完全满足矿山的充填需求,为废石-细尾砂混合骨料膏体充填性能优化提供了理论基础。     

混合骨料充填体强度发展规律与配比优化

混合骨料充填体强度受混合骨料配比、充填料浆质量 分数和水泥掺量等多因素影响.为探究不同因素对充填体 强度 的 影 响 规 律,并 确 定 最 佳 充 填 配 合 比,采 用 BoxＧ Behnken响应面法(RSMＧBBD)开展了混合骨料充填配合比 试验.以河砂占比、料浆浓度和水泥掺量作为影响因素,以 充填体７d、１４d和２８d强度值作为响应量,构建了不同养 护龄期的充填体强度试验回归模型.试验结果表明:混合骨 料堆积密实度随着河砂占比增大先增大后减小,充填体强度 亦表现出了相同的发展趋势.在多因素影响下,河砂占比越 大同时料浆质量分数越小时,充填体强度越低;河砂占比越 小同时水泥掺量越大时,充填体强度越高;充填体强度随着 水泥掺量和料浆质量分数的提高而增大.     

基于均匀设计的充填体强度特性试验研究

为探究红牛铜矿全尾砂胶结充填体强度特性,以充填料浆浓度、砂灰比、养护龄期为影响因素,基于均匀设计试验方案开展了充填配比试验,并对试验结果进行了非线性回归分析。结果表明:均匀设计试验方法可靠性高;对充填体强度的影响程度大小排序为砂灰比、养护龄期、充填料浆浓度;充填体单轴抗压强度随养护龄期、充填料浆浓度的增大而增大,随砂灰比的增大而减小。     

不同养护龄期下胶结充填体多尺度力学特性研究

为多尺度探究养护龄期对充填体力学特性的影响,对不同龄期充 填 体 开 展 了 超 声 波 测 试、单 轴 压 缩 试 验、电 镜SEM 微观结构扫描,从宏—细—微观三个尺度分析养护龄期对充填体力学特性的影响.研究结果表明:养护龄期越长,充填体应力 应变曲线越陡,峰值应力越大,残余应力越大;充填体的波速、弹性模量、抗压强度随龄期的延长逐渐增大,增长速率逐渐减小;充填体的抗压强度、弹性模量与波速具有良好的指数相关性,二者的增长速度随波速的增大而增大;随着养护龄期的延长,充填体内部Ca(OH)２ 晶体尺寸变小,钙矾石的 形 态 由 细 长 针 状 演 化 为 短 粗 柱 状,水 化 产 物C—S—H 网状凝胶数量明显增多,孔隙数量和孔隙率减少,结构致密性增加,充填体抗压强度提高.     

水泥-粉煤灰胶结矸石充填材料的流变特性与固结机理

将粉煤灰、水泥、煤矸石和水作为充填材料进行制备矿山充填,既能实现固体废弃物的资源化利用,还能有效控制矿山采空区塌陷。本研究针对胶结矸石充填材料进行了流变测试、力学性能测试以及水化特性试验,分别研究了矸石充填材料的流变特性、抗压强度、水化产物以及微观结构。结果表明,当325普通硅酸盐水泥含量为15%、低钙粉煤灰掺量超20%、料浆质量浓度保持在77%以上时,所制备的矸石充填试样28d龄期的最小抗压强度超4.229MPa,这可以为井下充填开采提供良好的顶板支撑。其次,通过流变试验探究了粉煤灰掺量和料浆质量浓度变化对矸石充填料浆流变性能的影响,并得到了充填料浆所对应的流变参数以及流变方程拟合。此外,对矸石胶结充填材料的矿物成分、水化产物以及微观结构进行了研究。因此,该研究可以为大宗固体废弃物在矿山充填领域应用提供一定的理论指导。     

矿渣基胶凝材料充填试验及胶结体微观结构演化研究北大核心

采用矿粉-水泥复合胶凝材料作为胶结剂,细尾砂作为骨料,开展了不同浓度、砂灰比下充填流动度、泌水率、沉缩率及抗压强度试验。利用扫描电镜-能谱(SEM-EDS)、压汞(MIP)对特定养护龄期下充填体中水化产物种类、分布及孔结构变化进行了表征。结果表明:充填浓度的提高,料浆流动度、泌水率及沉缩率明显降低,而砂灰比对其影响相对较小。充填浓度66%~72%时,料浆流动度为16.1~27.1cm,满足充填泵送及自流输送流动度要求;充填浓度74%时,料浆流动度仅为12.25~13.40cm,且泌水率及沉缩率均较小,不适宜于输送。充填体抗压强度随充填浓度的提高而增加,随砂灰比的提高而下降。养护早期(3d),充填体强度普遍较低,但后期强度发展较快,尤其是28~60d仍有一定幅度的增长。矿粉在水泥碱环境作用下持续发生火山灰反应并生成大量水化硅酸钙(C-S-H)、钙矾石(AFt)等产物细化了充填体内部孔径,增加了体系密实程度是导致充填体强度稳定增长的重要原因。     

冻融交替作用下煤矸石混凝土性能裂化的研究

为探究冻融交替作用下煤矸石混凝土性能裂化规律,采用快冻法,分析不同水灰比和含气量对其质量、动弹性模量及强度等方面损失特性影响。结果表明：质量损失率与循环数呈正相关,其显著性为水灰比0.75>水灰比0.65>水灰比0.55;水灰比为0.65和0.75时,其相对动弹性模量显著降低,降低变化率分别为9.56%、11.2%;不同含气量条件下强度损失率与循环数呈正相关,显著性为含气量1.8%＞含气量3.5%＞含气量4.4%。     

表面活化煤矸石集料水泥砂浆性能试验研究

将煤矸石颗粒分别置于500℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、900℃、1000℃的温度中煅烧活化,然后按一定级配制作砂浆试件,测定其抗压、抗折强度,评定最佳的集料活化温度;根据基准砂浆流动度,研究不同活化煤矸石集料比例下减水剂的掺入量;测试不同养护龄期、不同活化煤矸石集料比例的水泥砂浆试块的立方体抗压强度与抗氯离子渗透性能,并分析了水灰比与砂浆强度的关系。研究表明,煤矸石集料的最佳活化煅烧温度为750℃左右;水泥砂浆流动度相同时,活化煤矸石集料比例的增大会增加减水剂的加入量;水泥砂浆试件的抗氯离子渗透性能随表面活化煤矸石集料的增加先增强后减弱,活化煤矸石集料比例为35%、水灰比为0.86~1.01时水泥砂浆的后期抗压强度与抗氯离子渗透性能均达到最佳状态。     

夯实水泥土强度影响因素的试验研究

通过水泥土试块无侧限抗压强度的试验研究,定量分析了含水量、水泥掺量和养护龄期对黄土性粉质粘土水泥土桩无侧限抗压强度的影响.同时建立了水泥土试块无侧限抗压强度与水泥掺量、水泥土试块无侧限抗压强度与养护龄期、水泥土试块无侧限抗压强度与养护龄期和水泥掺量的关系式.为寻求更加经济、合理的施工配合比和参数提供了依据.     

煤矸石混凝土抗氯离子渗透实验研究

为了解煤矸石混凝土抗氯离子渗透性能,以自燃煤矸石为粗、细集料,42.5普通硅酸盐水泥为胶凝材料并掺入粉煤灰,制备煤矸石混凝土试件,进行抗氯离子渗透实验,研究了水胶比、粉煤灰掺量以及抗压强度对煤矸石混凝土抗氯离子渗透性能的影响。结果表明：非稳态条件下煤矸石混凝土氯离子渗透深度随水胶比增加而加深,呈正相关,氯离子渗透深度增长速度在水胶比0.42~0.48时较快,在水胶比0.48~0.56时缓慢;氯离子迁移系数与水胶比呈正相关,与粉煤灰掺量呈负相关;氯离子迁移系数随抗压强度增大而减小,呈负相关,负相关显著性强弱表现为粉煤灰掺量0%<粉煤灰掺量20%<粉煤灰掺量40%。掺入粉煤灰可以改善煤矸石混凝土耐久性能。     

基于正交试验充填体力学性能及配比优化研究

针对矿山充填开采成本较高、尾砂和废石等固废处置困难等问题,以废石、尾砂为实验材料,通过正交试验法确定质量浓度、灰砂比及废石掺量对粗骨料胶结充填体流动性及力学性能的影响规律,并确定出合理的配比参数。结果表明：质量浓度、废石掺量及灰砂比均为充填料浆坍落度的显著性影响因素,其中质量浓度的影响最为关键;方差分析结果表明,质量浓度、灰砂比能够对充填体3d及28d抗压强度有显著性影响,而当废石掺量为5%~20%时,废石掺量对粗骨料充填体抗压强度无显著性影响;多元线性回归模型能够准确的反映出粗骨料胶结充填体抗压强度及坍落的变化规律,且构建三维可视化模型能够直观反映出质量浓度、灰砂比及废石掺量的复合作用对充填体性能的影响;基于建立的充填体配比参数寻优模型可得出一组合理的配比参数为：灰砂比为1:9.5,质量浓度为80%,废石掺量为20%。     

防冻剂对自燃煤矸石混凝土力学性能影响研究

为探究防冻剂对煤矸石混凝土力学性能的影响,以防冻剂种类、不同掺量和养护温度等为因素进行对比试验,分析其对煤矸石混凝土强度影响水平和作用机制。结果表明：通过单掺不同防冻剂标养煤矸石混凝土强度分析,早强效果显著性为氯化钙＞硝酸钙＞乙二醇;养护环境由负温度到正温度,基准煤矸石混凝土的抗压强度损失率与养护温度呈正相关;在-5℃和-10℃养护环境中,不同掺量3种防冻剂对负温煤矸石混凝土均起一定防冻效果,其显著性体现为氯化钙＞硝酸钙＞乙二醇。     

矿渣微粉对细尾砂胶结充填体力学性能及微观结构影响

研究了不同矿渣微粉掺量对充填体早期、长龄期强度以及充填料浆流动性、泌水率的影响规律,通过采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）等技术手段对特定龄期下充填体水化产物进行了微观表征并揭示其强度发展机制。结果表明：充填体养护早期（3d）,矿渣微粉的掺入不利于其强度的发展,且掺量越高充填体强度降低幅度越大;养护龄期超7d后,矿渣微粉对充填体强度提升作用开始显现,且充填体养护龄期越长,相同掺量下抗压强度提升效果越明显。充填浓度70%,灰砂比1:6,矿渣微粉掺量80%时,充填体养护28d、90d后抗压强度分别为5.02MPa和6.53MPa,相较养护7d充填体强度分别提高211.80%和305.59%。少量矿渣微粉的掺入在一定程度上会降低充填料浆流动性和泌水率,但当矿渣微粉掺量较高时,充填料浆流动性和泌水率均有一定程度的提高。矿渣微粉掺入后充填体内部水化硅酸钙（C-S-H）、钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）等水化产物生成数量的增加,是导致其强度高于纯水泥充填体的重要原因。