酸性环境下全尾砂胶结充填体力学性能研究

摘要

酸性腐蚀环境下，充填体内部的微观结构、矿物成分和孔隙率将会发生改变，严重劣化充填体的力学性能，影响充填体的稳定性。本文总结了国内外受腐蚀条件下材料力学试验的相关研究成果，配置灰砂比为1∶4，质量分数为75％，龄期为28d的全尾砂胶结充填体，分别浸泡在pH为1、3、5的硫酸溶液中，在室内实验基础上，研究了受腐蚀后全尾砂胶结充填体物理、化学、力学性质的变化规律，主要研究内容和结果包括：
　　(1)酸性环境下充填体物理化学性质研究。本文制备了19组的50mm×100mm充填体试件285个，配置pH值分别为1、3、5的硫酸溶液，将全尾砂胶结充填体浸泡在不同的硫酸溶液中，研究其物理化学性质的改变规律。通过核磁共振试验得到充填体微观孔隙变化规律，用声波检测仪测试了腐蚀后充填体纵波波速变化，pH计测试腐蚀后浸泡溶液的pH值变化情况，借助X衍射分析法（XRD）研究充填体成分变化情况，探讨了充填体微观损伤机理。结果发现：首先从外观上，p1（pH=1，下同）环境下，充填体表面变化较为明显，随着时间的增加，充填体表面胶凝损失越来越严重，坑蚀空洞逐渐增大，细骨料外露，用手触摸充填体，细骨料即可脱落，p3、p5环境下，充填体表观形貌没有明显的改变；腐蚀前30天，充填体质量出现先增加后减小的周期性规律，30天后，随腐蚀时间的增加，都表现出明显的下降趋势，p1环境下，充填体质量下降最快；腐蚀前30天，充填体纵波波速随腐蚀时间的增加而增加，且变化幅度较大，30天后，p3、p5充填体波速增长幅度较小，40天后，p1充填体的波速开始下降；充填体的体积随着腐蚀时间的增加，表现出明显的正相关性；充填体体积随腐蚀时间的延长，有增加的趋势；不论初始溶液是强酸还是弱酸性，溶液的pH值均有趋于中性的趋势，即硫酸溶液-充填体系统会随时间演化呈现酸碱度自平衡的趋势；p5环境下的试样，腐蚀10 d时，除了水化产物，还能够发现钙矾石的衍射峰，此时钙矾石生成量有限，对试件微孔隙起到填充作用，优化了孔结构，随着腐蚀时间的增加，Ca(OH)2和Aft衍射峰的数量减少，CaS04·2H20衍射峰的数量增多；p1环境下的试样Ca(OH)2已很微少，Aft衍射峰的数量减小，CaS04·2H20衍射峰的数量增多。
　　(2)酸性环境下充填体力学性质研究。采用50mm×100mm圆柱体充填体试件，对不同腐蚀时间的试件分别测试力学参数，研究充填体抗压强度、弹性模量、内聚力、内摩擦角在不同腐蚀条件下随腐蚀时间的变化规律，并用损伤力学相关知识探讨酸性腐蚀充填体机制。结果表明：充填体的抗压强度、弹性模量、内聚力、内摩擦角都表现出类似的规律，都是先增后减；充填体的损伤变量D随着腐蚀时间的增加，表现出增长的趋势，即腐蚀损伤越来越严重；孔隙率的增加对充填体的力学性质将产生不利影响；如果只研究抗压强度、弹性模量、内聚力、内摩擦角的下降阶段，可以发现充填体抗压强度、弹性模量、内聚力和内摩擦角和损伤变量D存在负相关性；腐蚀受荷环境下，充填体材料的损伤劣化程度随着应变的增加而增大，在受荷初期，充填体内部微孔隙、缺陷被“压密”，称之为压密阶段，之后随着应变的逐步增加，充填体内部微孔隙、微裂缝不断扩展贯通，损伤加速，直到出现宏观裂缝，试件强度达到峰值，产生破坏。
　　(3)酸性环境下充填体的强度预测分析。采用随机森林模型对浸泡不同天数的充填体强度进行预测，主要考虑pH值、天数两个影响因素，结合实验测试数据，建立充填体强度的随机森林模型，并使用模型对充填体强度进行预测。在影响充填体强度影响因子中，溶液pH值是影响充填体单轴抗压强度预测精度的重要因素；腐蚀时间是影响充填体单轴抗压强度的重要因素，其次是pH值；对比发现随机森林模型的拟合优度要高于支持向量机预测模型，说明随机森林更适合本次充填体强度预测。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究现状、存在问题

1.3 研究内容、技术路线

第二章 硫酸腐蚀对充填体物理化学性质的影响研究

2.1 实验条件及测试方法

2.2 充填试样受腐蚀的物理性质

2.3 充填试样受腐蚀的化学性质

2.4 本章小结

第三章 硫酸腐蚀对充填体力学性质的影响研究

3.1 实验条件及测试方法

3.2 实验结果及分析

3.3 酸性腐蚀机制分析

3.4 小结

第四章 硫酸腐蚀下充填体强度预测

4.1 概论

4.2 随机森林与SVM模型

4.3 实验预测

4.4 小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 不足

5.3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果