煤系固体废弃物泡沫膏体充填材料的制备及性能研究

摘要

煤炭开采利用造成了采空区沉陷、矸石和粉煤灰堆放等诸多环境问题。膏体充填开采技术是绿色开采技术的重要组成部分，但存在充填材料性能可调性差、配比缺乏科学性、成本偏高等问题。为此提出利用煤系固体废弃物制备新型泡沫膏体充填材料的试验研究，拟通过该研究克服或改善充填材料面临的不足，为制备高性能充填材料提供研究基础。首先采用化学方法对粉煤灰进行活性激发，研究激发剂种类、用量以及养护龄期对粉煤灰活性的影响，并借助XRD、SEM、EDS分析了其水化产物及微观形貌;其次，采用单因素试验方法，探究原料配比对充填材料工作性能的影响规律;最后，运用正交试验方法，以充填材料后期抗压强度为试验指标，对充填材料主配比参数进行优化，并对充填材料微观结构进行了相应分析。
　　粉煤灰活性激发研究表明:1）与CaCl2、KOH相比，掺加Na2SO4可显著提高粉煤灰-水泥胶凝材料的强度，其强度随养护龄期及Na2SO4掺量的增加而增加，当其掺量为3.0％时，28d抗压强度提高82.4％;2）XRD、SEM及EDS分析表明:掺3.0％Na2SO4的粉煤灰-水泥胶凝材料水化产物AFt、CSH较为丰富，粉煤灰颗粒水化状态良好。
　　泡沫膏体充填材料工作性能研究表明:1）流动度整体上随水料比、煤矸石和减水剂掺量的增加而增加，随发泡剂和膨润土掺量的增加而减小，在高、低水料比条件下流动度随粉煤灰及煤矸石掺量的增加其变化趋势略有不同;2）凝结时间随水料比、粉煤灰、煤矸石及发泡剂掺量的增加而增加，随促凝剂掺量的增加先减后增，膨润土掺量则对其影响不大;3）干密度随水料比、粉煤灰、煤矸石及发泡剂掺量的增加而减小，随膨润土掺量的增加先减后增;4）掺2.0～4.0％的膨润土能显著改善泡沫膏体充填材料的孔隙结构及表观成型效果。
　　泡沫膏体充填材料强度及配比优化研究表明:1）影响泡沫膏体充填材料28d抗压强度的因素主次顺序为:发泡剂＞煤矸石＞粉煤灰＞水料比;2）泡沫膏体充填材料配比优化的结果为水料比0.65～0.75、粉煤灰55～65％、胶矸比1∶0.6～1∶0.8、发泡剂2.0～3.0％、膨润土3.0％、促凝剂6.0％、激发剂3.0％、减水剂1.5％以及适量石灰和石膏，该配比下泡沫膏体充填材料综合性能较优，其流动度为16.5～20.0cm、干密度为300～450kg/m3、初凝时间50～350min、终凝时间175～550min、28d抗压强度＞0.5MP，成型效果较优;3）SEM分析表明:随着充填材料干密度的增加，气孔微观结构呈一定规律的变化，孔径由小到大、气孔分布由均匀到杂乱、孔壁变厚、水化产物由松散到密实，并且针棒状和柱状的AFt和CSH逐渐密布于体系之中，水化颗粒之间架桥连接成一个整体。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 我国煤炭开采利用造成的环境问题

1．2 煤矿充填的重要作用及意义

1．3 煤矿膏体充填及存在的主要问题

1．4 煤矿膏体充填开采研究现状

1．4．1 国内研究现状

1．4．2 国外研究现状

1．5 课题研究的目的、意义及主要内容

1．5．1 课题研究的目的

1．5．2 课题研究的意义

1．5．3 课题研究的内容

2 泡沫膏体充填材料制备的理论基础

2．1 引言

2．2 泡沫

2．2．1 泡沫的形成

2．2．2 泡沫孔型、孔径及分布状况对充填材料的影响

2．2．3 泡沫膏体充填材料对泡沫的技术要求

2．3 粉煤灰活性激发机理及其作用

2．3．1 粉煤灰活性激发机理分析

2．3．2 粉煤灰在泡沫膏体充填材料中的作用

2．4 充填体强度设计

2．4．1 设计方法

2．4．2 早期强度

2．4．3 后期强度

3 粉煤灰活性激发试验研究

3．1 引言

3．2 试验原料、仪器及方法

3．2．1 试验原料

3．2．2 试验仪器

3．2．3 试验方法

3．3 试验方案

3．4 结果与分析

3．4．1 不同掺量氯化钙对粉煤灰活性的激发效果

3．4．2 不同掺量硫酸钠对粉煤灰活性的激发效果

3．4．3 不同掺量氢氧化钾对粉煤灰活性的激发效果

3．4．4 硫酸钠对粉煤灰活性激发的XRD、SEM及EDS分析

3．5 小结

4 泡沫膏体充填材料工作性能试验研究

4．1 引言

4．2 试验原料、仪器及方法

4．2．1 试验原料

4．2．2 试验仪器

4．2．3 试验方法

4．3 结果与分析

4．3．1 粉煤灰的影响

4．3．2 煤矸石的影响

4．3．3 发泡剂的影响

4．3．4 膨润土的影响

4．3．5 外加剂的影响

4．4 小结

5 泡沫膏体充填材料强度及配比优化试验研究

5．1 引言

5．2 试验原料、仪器及方法

5．2．1 试验原料

5．2．2 试验仪器

5．2．3 试验方法

5．3 试验方案及测试数据

5．3．1 试验方案

5．3．2 测试数据

5．4 结果与分析

5．4．1 正交试验结果的直观分析

5．4．2 优化配合比

5．4．3 微观分析

5．5 小结

6 结论

6．1 研究结论

6．2 主要创新点

参考文献

致谢

研究生期间获得的成果