磷石膏-水泥基复合充填材料的综合性能和细观水化机理

为提高矿山充填膏体的性能与环保效益,采用磷石膏-水泥复合胶凝剂制备了胶结充填膏体,分析了坍落度、干燥收缩率、渗透系数与强度等指标受胶凝剂配比和骨料性质的影响规律,并对充填膏体的细观水化机理进行了分析.结果表明:磷石膏水泥胶凝剂对充填膏体流动性、收缩性和强度均有改良效果;磷石膏掺量是影响膏体性能的重要因素,当磷石膏掺量为20％时,充填膏体抗压、抗折强度最高,渗透率和收缩率最低,耐久性最好;一定比例的含钢渣粗骨料可以增加磷石膏水泥基充填膏体的强度;磷石膏具有较好的化学活性,在反应过程中促进了絮凝状胶凝产物的形成,在细观上提高了膏体密实度,增强了矿山充填膏体的综合性能.利用磷石膏水泥基充填膏体实施自流充填采矿工艺,不仅有利于节约开采成本,还实现了磷石膏的资源化利用,在绿色矿山建设中具有广阔的应用前景.     

赤泥-矿渣少熟料体系制备全尾砂胶结充填料试验研究

试验研究了赤泥对矿渣少熟料全尾砂膏体胶结充填料性能的影响。结果表明赤泥能有效激发该体系的活性,解决了矿渣少熟料全尾砂膏体胶结充填料早期强度低的问题,赤泥的优化掺量为24%(占胶凝材料总量),1 d抗压强度约为3.6 MPa是不掺赤泥的抗压强度的6.5倍,3 d与7 d强度分别能达到5.3,7.2 MPa,满足矿山充填的要求。     

胶结剂种类及掺量对尾砂胶结膏体充填材料性能的影响

对三种胶结剂的不同掺量对粗、细尾砂胶结膏体充填材料性能的影响规律进行了试验研究,并对部分硬化体进行了扫描电镜分析。试验结果表明,无论尾砂是粗或细,均随胶结剂外掺量增加,硬化体7d和28d抗压强度增加,但对料浆析水率影响不大;对于细尾砂,在5%胶结剂掺量下,矿渣基复合胶结剂的胶结强度比纯硅酸盐水泥(包括复合硅酸盐水泥)强;对于粗尾砂,在30%胶结剂掺量下,矿渣基复合胶结剂的胶结强度比硅酸盐水泥弱。扫描电镜分析表明,在胶结膏体充填材料中矿渣基复合胶结剂水化产物比纯硅酸盐水泥水化产物分布均匀,前者比后者显微结构更密实。对胶结膏体充填材料的增强机理分析表明,增加充填集料之间的胶结连结、晶体连结能有效提高充填硬化体强度。结论是要制备低胶结剂掺量的胶结膏体充填材料,分散胶结剂水化产物是有效措施。     

矸石膏体充填材料耐久性试验研究

为探究研石膏体耐久性,将水泥:粉煤灰:煤研石按1:4:6的比例混合,质量浓度为74%,配制成膏体,对28d膏体充填体进行抗侵蚀性、抗渗性和热稳定性等耐久性试验。试验结果表明:充填体试件对碱有良好的抗侵蚀性能,酸和盐对充填体试件初期强度影响较大;充填体的抗渗标号为P6,抗渗等级较弱;充填体试件在30℃,60℃的温度下,其抗压强度略有上升,在90℃,120℃,150℃的温度下,抗压强度下降较为明显,热稳定性差。配制的膏体更加适合我国北部矿井(井下水环境偏碱性)及井下温度较高的深部矿井。     

矸石膏体充填材料耐久性试验研究

为探究研石膏体耐久性,将水泥:粉煤灰:煤研石按1:4:6的比例混合,质量浓度为74%,配制成膏体,对28d膏体充填体进行抗侵蚀性、抗渗性和热稳定性等耐久性试验。试验结果表明:充填体试件对碱有良好的抗侵蚀性能,酸和盐对充填体试件初期强度影响较大;充填体的抗渗标号为P6,抗渗等级较弱;充填体试件在30℃,60℃的温度下,其抗压强度略有上升,在90℃,120℃,150℃的温度下,抗压强度下降较为明显,热稳定性差。配制的膏体更加适合我国北部矿井(井下水环境偏碱性)及井下温度较高的深部矿井。     

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。     

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.     

煤矿井用赤泥/粉煤灰充填材料的抗压抗折性能研究

以赤泥为主要原料制备煤矿井充填材料，研究了激发剂种类及其掺量、粉煤灰掺量、水泥掺量及加水量对充填材料抗压强度、抗折强度的影响。研究表明:激发剂A（主要成分为木质苯磺酸钙，用量为赤泥干基的0.5%）对充填材料的激发效果最为显著；且在一定条件下抗压、抗折强度下随粉煤灰添加量增加呈先增大后减小的变化趋势；随水泥添加量的增加逐渐增大。通过各方面试验得出最优强度为:28 d抗压强度为1.30 MPa，抗折强度为0.71 Mpa，满足相关充填指标。经过浸出毒性检验，结果表明赤泥基填充材料中重金属元素均达标。      

基于正交试验的充填材料改性最优配合比及其机理研究

为了改善充填体在抗折强度、收缩和抗冲刷性能方面的不足,用现代材料改性技术对充填体材料进行最优配合比的研究。采用脱硫石膏、石灰、粉煤灰、水泥和尾矿砂粗骨料作为试验材料,通过正交试验的方法系统研究了几种外掺料在骨料中的比例料对试件强度性能、收缩率的抗水性能的影响程度,并采用扫描电子显微镜对改性的微观机理进行了探究。试验结果表明:改性充填体材料的最佳配合比为:骨料56%、粉煤灰掺量4%、石灰掺量10%、石膏掺量10%、水泥掺量20%。外掺料分别从物理和化学2方面对生土材料的性能进行了改良;孔隙结构的改变和粒间黏聚力的增强是强度、收缩和抗水性能提高的根本原因。     

铁尾矿粉-硅粉矿物掺合料对混凝土性能的影响

将研磨后的铁尾矿粉末和硅粉分别按照3∶2和4∶1的比例制备了两种复合矿物掺合料替代水泥进行浆体和混凝土试样的制备。通过微观结构分析、强度和耐久性分析对铁尾矿-硅粉复合矿物掺合料浆体和混凝土的基本性能进行了研究,结果表明：随着复合矿物掺合料掺量的增加,试样的水化反应放热量、抗压强度、劈裂抗拉强度和冻融耐久性均逐渐降低;且加入铁尾矿粉可使的硬化浆体试块孔隙结构变大,导致混凝土的抗压强度和冻融耐久性降低;但增加硅粉的掺量可以提高试样的水化反应强度,降低Ca(OH)₂的含量,且硅粉水化反应生产的C-S-H凝胶也可以细化孔结构,从而改善混凝土的微观特性、抗压强度、劈裂抗拉强度和冻融耐久性;弥补铁尾矿粉对混凝土性能的负面影响。整体上,改性混凝土的抗压强度在普通混凝土抗压强的85%以上,能满足工程要求。     

矿渣棉纤维对水泥基复合材料性能的影响

以玄武岩纤维及聚丙烯纤维为对比,文章研究了不同掺量的矿渣棉纤维对水泥砂浆抗折、抗压强度以及干缩性能的影响,并采用SEM观察矿渣棉纤维在砂浆中的分布状态。结果表明:矿渣棉纤维能够提高砂浆试件的抗折、抗压强度,改善水泥砂浆的干缩性能。试件内的矿渣棉纤维表面粘结大量的水化产物,与基体有很好的结合形态,但纤维也受到一定的腐蚀,性能下降。纤维掺量为0.48%时,玄武岩纤维及聚丙烯纤维增强水泥砂浆后期的力学性能优于矿渣棉纤维。     

高分子乳液对水泥基充填材料性能的影响

为解决水泥基充填材料存在的流动性差、强度低的问题，提出以高分子乳液改性其性能。对比研究了苯丙乳液、纯丙乳液、VAE乳液3种乳液对充填料浆流动性能和力学性能的影响，采用SEM扫描电镜观测微观结构形貌。结果表明：2%掺量的苯丙乳液和6%掺量的纯丙乳液对浆体流动度具有促进作用；VAE乳液则增加了浆体黏度，但对充填体抗压强度和抗折强度的改性效果优于苯丙乳液和纯丙乳液，当VAE乳液掺量为10%时，充填体3 d、7 d抗压强度和抗折强度达最大值为12.82 MPa、16.55 MPa和4.37 MPa、5.63 MPa;当VAE乳液掺量为6%时，28 d抗压强度和抗折强度达最大值为16.25 MPa和5.63 MPa。苯丙乳液对充填体的抗拉强度改性效果最好，当苯丙乳液掺量为10%时，充填体3 d、7 d和28 d抗拉强度达最大值为1.77 MPa、2.55 MPa、2.91 MPa。随着水化龄期的延长，聚合物乳液改性充填体微观结构形貌由细针状钙矾石和絮状C-S-H凝胶发育为短棒状和团聚状，水化产物与乳胶颗粒构筑成紧密结合的有机-无机三维互穿网状结构，填充至骨料基体孔隙之间，使充填体具备良好的宏观力...     

脱硫灰渣的改性及其对矿渣基充填料性能的影响研究

为解决脱硫灰渣堆放所带来的环境污染问题,并以其和其他固废为主要原料生产矿山井下充填所需的低成本充填料,在对脱硫灰渣进行改性的基础上,以改性脱硫灰渣、增强剂、石膏、矿渣、尾砂为原料进行了充填料性能试验,并对充填料试件的水化产物进行了SEM分析。结果表明:(1)改性剂CHJ-1可在掺量为2%、改性温度为120℃、改性时间为12 h情况下使脱硫灰渣中CaSO_3的含量降低48.30%。(2)改性脱硫灰渣掺量的变化对充填料浆流动性影响不大。改性脱硫灰渣掺量从10%提高至15%,充填料浆的沉缩率明显减小,各龄期试件的抗压强度均明显增大;改性脱硫灰渣掺量继续提高至20%,充填料浆的沉缩率显著增大,各龄期试件的抗压强度均明显减小。改性脱硫灰渣掺量为15%时充填料浆扩展度为152 mm、沉缩率为1.41%,充填料试件7 d、28 d的抗压强度分别为1.28 MPa和2.86 MPa,满足矿山井下充填要求。(3)改性脱硫灰渣能成功激发矿渣发生水化反应,水化产物主要是棒状的钙矾石、团簇状的水化硅酸钙凝胶,它们之间相互穿插形成的空间网络结构使充填料试件具有结构强度,且随着养护龄期的延长,水化产物数量增多,充填料试件的抗压强度提高。     

基于粉煤灰－矿渣微粉的新型胶凝材料开发研究

为了降低充填采矿成本及推进无废化开采,利用粉煤灰和矿渣开发新型充填胶凝材料替代水泥是目前最行之有效的途径。本文在金川镍矿采用棒磨砂充填料、1:4的胶砂比和78%的质量浓度的充填系统条件下,首先,开展了添加早强剂的粉煤灰替代水泥合理掺量的试验研究;结果表明,当添加2%的芒硝时,粉煤灰掺量可提高到20%。然后,采用正交设计试验和极差分析研究矿渣微粉替代水泥开发新型充填胶凝材料试验;在获得最优配比基础上再次进行粉煤灰替代部分矿渣试验,从而提高粉煤灰掺量,实现降低充填采矿成本的目的。结果表明,当生石灰为5%、芒硝3%、亚硫酸钠1.5%、脱硫灰渣17.5%、粉煤灰20%和矿渣微粉53%的掺量时,棒磨砂胶结充填体的3d、7d和28d的抗压强度分别达到1.50MPa,3.15MPa和5.12MPa,充填体沉缩率仅为8.68%,均满足金川矿山下向分层胶结充填法采矿的强度要求。该种充填胶凝材料的粉煤灰掺量高达37.5%,其成本降低到121元/t。该试验研究结果为中试和工业试验奠定基础,为金川矿区固体废弃物资源化利用和提高充填采矿效益起到重要作用。     

早强剂对充填膏体宏观力学性能和微观结构的影响

为了尽快提高充填膏体的早期强度,从而加速采-充循环频率和控制顶板下沉,对内掺不同含量硫酸钠早强剂的充填膏体试件进行了单轴抗压强度试验,并分析其微观结构变化和反应机理。试验结果表明:掺有硫酸钠早强剂的充填膏体试件在不同龄期内的单轴抗压强度均远高于对照试件。当养护3d和7d时,掺量为2%的硫酸钠早强剂对充填膏体强度提升最大,分别提高了131%和116%;当养护28d时,掺量为1%的硫酸钠早强剂对充填膏体强度提升最大,提高了135%。扫描电镜结果显示,掺有1%和2%硫酸钠早强剂的充填膏体试件内部结构致密性更好,针状晶体更粗、絮状凝结物更多。硫酸钠作为一种早强剂掺入充填膏体后能与水泥水化产物氢氧化钙发生反应生成二水硫酸钙,进一步与水化产物铝酸钙(C3A)迅速反应生成水化硫铝酸钙针状晶体(AFt),在充填体内部形成早期骨架从而提高早期强度。     

聚合物改性煤矸石粉煤灰混凝土性能研究

为探讨聚合物对大掺量煤矸石粉煤灰混凝土性能的影响,制备不同掺量苯乙烯、191#UP和196#UP 3种聚合物改性大掺量煤矸石粉煤灰混凝土试件,进行抗压强度、抗折强度、碳化性能试验研究。结果表明,3种聚合物的加入均提升了混凝土试件抗压强度,且应控制掺加191#UP和196#UP的量在10%左右;掺加3种聚合物的混凝土试件抗折强度都有明显提高,折压比也呈增长趋势,测得掺191#UP和196#UP混凝土的韧性比掺苯乙烯的性能优越;混凝土试件的碳化深度随着聚合物掺量的增加而逐渐减小,说明聚合物可以改善混凝土的碳化性能,并且随着聚合物的增加,改善效果越明显。试验表明,适量掺入聚合物可以改善大掺量煤矸石粉煤灰混凝土的抗压强度、抗折强度及碳化性能,这为聚合物改性大掺量煤矸石粉煤灰混凝土性能的应用提供了试验依据。     

减水剂-粉煤灰复合掺料膏体力学性能及水化机理研究

煤矿井下胶结充填技术可有效解决固废地表堆存和煤炭开采引发系列地质灾害等问题,针对粉煤灰基复合掺料井下充填中料浆流动性和力学性能系统研究的不足,开展坍落度为220 mm时掺减水剂、水泥及粉煤灰复合掺料膏体状态下含水率、抗压强度、凝结时间、SEM和压汞实验研究,从宏观和微观分析并探讨复合材料膏体强度演化规律与水化机理。结果表明,掺减水剂可保障低水灰比下充填料浆的坍落度,选择合适类型与剂量的减水剂可提高复合掺料膏体强度达33%;掺减水剂可降低充填料浆含水率,与未掺减水剂充填料浆相比,减水率达3%～7%;掺减水剂和增加减水剂掺量可减少粉煤灰复合掺料充填料浆凝结时间,掺B型减水剂与掺A型减水剂、未掺减水剂相比,无论从短期强度还是长期强度均高于后者;掺减水剂粉煤灰膏体C-S-H凝胶中主要元素为Si和Al,未掺减水剂膏体凝胶中主要元素为Ca和O,已完全发育的C-S-H凝胶以晶体的形式填充于充填体孔隙和裂缝中,有助于提升充填体强度和耐久性;掺减水剂和增加减水剂掺量均可降低充填体孔隙率,使得充填体结构更为致密,更有利于充填体强度的提高。研究成果可丰富我国煤矿井下粉煤灰基胶结充填技术和固废处置等领域理论研...     

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。     

纤维对矿用无机发泡充填材料应力的影响

利用普通硅酸盐水泥、粉煤灰、微硅粉等胶凝剂,发泡剂以及聚丙烯纤维制备出矿用无机发泡重填材料,并对纤维提高无机发泡充填材料各项性能做了实验研究。研究并分析了聚丙烯纤维的长度、掺量以及不同的掺加方式对无机发泡充填材料的力学性能的影响,得出聚丙烯纤维对无机发泡充填材料的抗压强度、抗折强度有一定的提高作用,并且能够有效抑制材料的干燥收缩的结论。因此,聚丙烯纤维的掺入对无机发泡充填材料力学性能的改善有较好的促进作用。     

改性钢渣制备水泥的基础性能研究

摘要:以钢渣、铁尾矿为主要原料,将钢渣掺加三种铁尾矿并在高温下熔融,熔融后得到的改性钢渣用于制备钢渣水泥。研究钢渣掺加三种铁尾矿制备的钢渣水泥的凝结时间、安定性、抗折抗压强度等性能。通过物理性能和XRD检测分析三种改性钢渣水泥的各项基础性能。结果表明,此改性钢渣水泥具有良好的物理力学性能。钢渣掺加铁尾矿改性之后能缩短钢渣水泥的初凝时间,有效提高钢渣水泥的早期强度;改性钢渣水泥中f-CaO含量低于2%,钢渣掺加铁尾矿能有效降低f-CaO含量,提高水泥的安定性;抗折抗压强度分别达到P?SS42.5和P?SS32.5R等级。本项目利用当地工业废渣和尾矿研制的改性钢渣复合硅酸盐水泥,铁尾矿掺量达到了10%,对废弃资源进行了有效利用,增加了钢渣的高附加值,减少了环境污染。