盐腐蚀环境下矸石骨料胶结充填材料性能演化特征研究

摘要

矿山充填开采过程中形成的充填体在承受上覆岩层复杂多变的压应力作用的同时还会遭受矿井水中有害离子化学腐蚀，致使充填材料性能劣化进而导致充填体承载力降低甚至失稳破坏，影响充填体作用效果。 本文以矸石骨料胶结充填材料为研究对象，采用室内试验研究和理论分析相结合的方法，研究了盐腐蚀环境中充填材料的强度与相对动弹性模量演化规律及机理、充填材料徐变特性及硫酸根离子在充填材料内的扩散规律。研究结论如下： （1）充填材料在不同腐蚀介质中轴向抗压强度和相对动弹性模量随腐蚀龄期的变化都呈先増加后减小的趋势，且浓度越大，增加或降低速率越快；增加少量镁盐有利于提高充填材料早期的抗硫酸盐性能，而镁盐和碳酸氢盐均会降低充填材料长期的抗硫酸盐性能，且碳酸氢盐对矸石骨料胶结充填材料的抗硫酸盐腐蚀劣化更加明显；硫酸盐-镁盐-碳酸氢盐三者复合溶液的侵蚀性能最大。 （2）XRD和SEM表明：腐蚀产物钙矾石和石膏对充填材料的膨胀作用使得其内部膨胀开裂甚至剥落；腐蚀产物中无胶结性能的M-H-S和碳硫硅钙石使得试件表面不断地被软化和剥落，最终丧失强度发生破坏。 （3）运用修正徐变预测模型计算公式进行盐腐蚀矸石骨料胶结充填材料轴心受压平均徐变参数分析表明：盐腐蚀下矸石骨料胶结充填材料轴心受压徐变变形分为两个阶段，0-60d内快速变形段和超过60d的缓慢增加段；盐腐蚀作用下充填材料轴心受压徐变变形均大于单一盐腐蚀或荷载作用；加载腐蚀0~1800d时，应力级为40%的平均徐变值较30%的增大了15.74%，应力级为50%的平均徐变值较40%的增大了23.20%；各离子浓度对加载腐蚀下充填材料平均徐变值的影响顺序是：三者复合＞SO42-与HCO3-双重复合＞SO42-与Mg2+双重复合＞单一SO42-。 （4）硫酸根离子扩散系数是一个随时间变化的函数，随着时间的增长，硫酸根离子扩散系数呈指数型函数逐渐减小；外界侵蚀溶液中增加Mg2+和HCO3-均会加速硫酸根离子在充填材料中长期的扩散系数，且HCO3-对充填材料内硫酸根离子的传输影响更甚；相同渗透时间，Mg2+和HCO3-浓度的越大，充填材料相同深度处硫酸根离子含量越大，相应扩散系数越大；随着压应力水平的增大，持荷侵蚀的进行，充填材料中硫酸根离子含量增加，扩散系数增大。

目录

硕士期间学术成果与参加科研项目情况