矿渣胶凝材料胶结矿山尾砂充填性能及机理研究

摘要

矿山胶结充填中的胶凝材料大部分采用通用水泥，但水泥做胶结固化材料时，对充填料的粒度有一定要求，存在着凝结时间长、脱水困难和成本太高等问题。而矿渣是炼铁过程中排放的工业废渣，具有较好的潜在活性，而且产生量很大。从有效利用资源、节约能源、保护环境的角度出发，选用矿渣作为矿山充填胶凝材料的主要原材料具有重要的战略意义。 本文以高炉矿渣作为原材料，通过在矿渣中掺入不同含量水泥熟料和石膏、不同激发剂含量和类型，探讨不同型号的矿渣胶凝材料对不同类型尾砂的胶结效果，从而确定其优化配比选出效果最好的矿渣胶凝材料。根据矿渣胶凝材料对胶结充填体强度及性能的影响规律，探讨了矿渣胶凝材料在矿山充填中的胶凝机理，并为矿渣胶凝材料进一步应用于矿山胶结充填提供理论依据和技术支持。 (1)试验结果表明不同的尾砂作为充填骨料用于矿山充填时，对矿渣胶凝材料有一定的选择性。以无侧限抗压强度指标来衡量，对于颗粒较粗的程潮尾砂，采用H1低硫型矿渣胶凝材料固化效果较好;而H4高硫型矿渣胶凝材料则对颗粒较细的金山店尾砂具有良好的固结性能。 (2)通过充填体的强度试验，探讨了掺灰量、料浆质量浓度、龄期等因素对充填体强度的影响规律，并与水泥尾砂胶结体进行对比。当矿渣胶凝材料的掺量为5.3％时，其胶结体强度要高于10％掺量的水泥硬化体。同时，影响充填体强度的因素有很多，分别从絮凝剂和细粒废石掺量、试验用水及养护条件等因素探讨了对充填体强度的影响。 (3)在室内无侧限抗压强度的试验基础上，分析充填体的细观损伤机制及损伤特性，推导出在全尾砂胶结体和废石尾砂胶结体两种不同的损伤本构方程模型。 (4)借助于XRD、SEM、TG-DSC等微观分析手段，探讨了矿渣胶凝材料水化产物和充填胶结体的微观结构特点及其胶凝机理。通过试验结果发现，矿渣胶凝材料具有较高强度的原因是其水化产物主要以C-S-H凝胶和AFt晶体为主，这些产物共同参与胶结体网状结构形成;而且在固结尾砂的过程中，尾砂中的活性成分如方英石、云母和白云石、方解石等碳酸盐矿物会与胶凝材料发生反应，提高胶结体的固化性能。 (5)根据矿渣胶凝材料、尾砂系统的反应特点，采用扫描电镜分析方法，建立了矿渣胶凝材料的水化反应物理模型。通过水化反应模型，可将矿渣胶凝材料水化反应看成是多矿物的化合反应，矿渣受到碱和硫酸盐的双重激发，从而反映出良好的胶凝性能。 (6)矿山现场胶结充填试验表明，矿渣胶凝材料完全可以代替水泥作为矿山充填系统中的胶结剂，而且充填体在井下环境中养护更有利于强度的增长。

目录

声明

摘要

引言

第一章绪论

1．1 矿山充填技术的研究进展

1．1．1胶结充填技术的种类及特点

1．1．2 国内外胶结充填理论与技术研究成果

1．1．3充填体强度的影响因素

1．2高炉矿渣的研究现状

1．2．1矿渣的化学组成

1．2．2矿渣的组成结构

1．2．3矿渣的激发活化方法

1．2．4矿渣的利用途径

1．2．5我国矿渣的利用情况

1．3本论文研究内容

第二章矿渣胶凝材料的性能及选择试验

2．1 矿渣胶凝材料的制备

2．1．1试验材料

2．1．2矿渣胶凝材料的配制

2．1．3矿渣胶凝材料的基本性能

2．2 充填骨料

2．2．1取样

2．2．2尾砂的基本物理性质

2．2．3尾砂最优含水率和最大干密度

2．2．4充填材料的粒级组成

2．2．5尾砂的化学成分

2．3 矿渣胶凝材料对尾砂的选择试验

2．3．1试验方法

2．3．2 试验结果

2．4 本章小结

第三章胶结充填体强度试验研究

3．1 充填材料的物理化学性能研究

3．1．1充填骨料

3．1．2胶凝材料

3．1．3充填材料性能初步评价

3．2尾砂胶结体强度试验

3．2．1程潮尾砂胶结体强度试验

3．2．2金山店和程潮尾砂胶结体对比试验

3．2．3水泥尾砂胶结体强度试验

3．3 絮凝剂对充填体强度的影响

3．3．1试验方法和试验结果

3．3．2絮凝剂影响充填体强度的原因

3．4 混入细粒废石对充填体强度的影响

3．4．1正交设计方法的选择

3．4．2正交设计结果及分析

3．4．3各指标变化趋势的分析

3．5外界因素对充填体强度的影响

3．5．1尾水

3．5．2养护环境

3．6本章小结

第四章充填体力学性能及粉化试验

4．1 尾砂胶结体的本构关系及损伤演化

4．1．1尾砂胶结充填体破坏特征分析

4．1．2充填体本构模型的建立

4．1．3全尾砂胶结充填体损伤模型

4．1．4混入废石胶结充填体损伤模型

4．2胶结体粉化试验

4．2．1 固结块体破碎粉化试验置介绍

4．2．2破碎粉化试验

4．2．3试验结果分析

4．3本章小结

第五章矿渣胶凝材料固结尾砂的机理研究

5．1矿渣胶凝材料的水化产物

5．1．1 X射线衍射分析

5．1．2扫描电镜分析

5．1．3热重—差热分析

5．2矿渣胶凝材料尾砂胶结体的微观分析

5．2．2尾砂胶结体X射线衍射分析

5．2．3尾砂胶结体扫描电镜分析

5．3矿渣胶凝材料胶凝机理研究

5．3．1 水泥熟料的水解和水化反应

5．3．2多矿物的化合反应

5．3．3矿渣胶凝材料水化机理分析

5．3．4矿渣胶凝材料的水化反应过程

5．3．5不同尾砂胶结体强度差异形成机理

5．4尾砂胶结体中的水及其形态

5．4．1尾砂胶结体中的水分形态的分类

5．4．2胶结体中的水在湿度和温度作用下的转移

5．5 本章小结

第六章矿渣胶凝材料在矿山充填的应用

6．1尾砂充填料浆强度试验

6．1．1充填料物理化学性质

6．1．2矿渣胶凝材料的配制

6．1．3料浆配合比试验

6．1．4泌水试验

6．1．5料浆流动度试验

6．1．6结论与建议

6．2矿渣胶凝材料充填工业试验

6．2．1矿渣胶凝材料胶结充填系统

6．2．2现场取样及强度测试结果

6．2．3胶结充填工业试验评价

6．2．4胶结充填方案技术经济评价

6．3本章小结

第七章结论与建议

7．1主要研究结论

7．2下一步工作建议

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢