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全煤矸石基地质聚合物固结体制备及力学性能

采矿与安全工程学报 2023年

作者：张卫清梅璟昕柴军吴征艳邵昊伍基仁李沛原国能神东煤炭集团保德煤矿中国矿业大学矿业工程学院中国矿业大学安全工程学院中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室

煤矸石基地质聚合物是煤矸石固废材料安全增值利用的新方向之一，具备优良的无机胶凝固结特性。本文分析了胶凝固结原煤矸石骨料的全煤矸石基地质聚合物固结体的力学性能和环境友好性。采用单轴抗压强度(UCS)、扫描电镜(SEM)、核磁共振(... 详细信息

煤矸石基地质聚合物是煤矸石固废材料安全增值利用的新方向之一，具备优良的无机胶凝固结特性。本文分析了胶凝固结原煤矸石骨料的全煤矸石基地质聚合物固结体的力学性能和环境友好性。采用单轴抗压强度(UCS)、扫描电镜(SEM)、核磁共振(NMR)和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析了固结体的力学性能、微观结构及重金属浸出特征。结果表明：添加原煤矸石骨料后，固结体UCS均不同程度下降；随着骨料粒径从0～1mm增加到1～5mm和5～10mm后，固结体UCS先减小后增加，其中，1～5mm骨料的固结体UCS减幅高达18.1%，而5～10mm骨料的固结体UCS增加的原因是其骨料能形成更有效的承载结构；SEM结果显示固结体的界面过渡区随骨料粒径增加而增大，但5～10mm骨料的固结体中地质聚合物表面更加完整连续，这是其UCS高于1～5mm条件的另一重要原因；固结体的压缩破坏符合脆性破坏特征，其中未经机械活化的全煤矸石基地质聚合物组(0h-CGGP组)脆性相对更强，UCS更高，这与其地质聚合反应程度更充分有关；固结体中的重金属离子均有不同程度浸出，其中Cu的浸出浓度和释放率均最高，Mn的浸出浓度次之，但释放率最小；各重金属浸出值均低于我国相关水质量标准以及危险废物浸出毒性标准，说明该固结体材料具备环境友好性。

关键词：煤矸石基地质聚合物固结体单轴抗压强度界面过渡区重金属浸出

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全煤矸石基地质聚合物固结体制备及性能研究

全煤矸石基地质聚合物固结体制备及性能研究

作者：梅璟昕中国矿业大学

学位级别：硕士

煤矸石固废资源化利用技术是矿区生态环境保护领域的核心攻关技术之一。煤矸石富含硅铝质无机矿物组分,能够制备煤矸石基地质聚合物胶凝材料,煤矸石作为骨料时的合理级配能形成良好的力学承载结构,因此,综合利用煤矸石的胶凝材料特性和... 详细信息

煤矸石固废资源化利用技术是矿区生态环境保护领域的核心攻关技术之一。煤矸石富含硅铝质无机矿物组分,能够制备煤矸石基地质聚合物胶凝材料,煤矸石作为骨料时的合理级配能形成良好的力学承载结构,因此,综合利用煤矸石的胶凝材料特性和物理力学性能,开发全组分为煤矸石的全煤矸石基地质聚合物固结体不仅能够有效提高煤矸石的利用率,也能为煤矸石类新材料的开发利用提供理论参考。本文首先对煤矸石中的活性硅铝质组分结构进行表征分析,基于理论分析和实验测试得到活化煤矸石制备地质聚合物的最优配比,并用于胶凝固结不同粒径级配的原煤矸石骨料,得到全煤矸石基地质聚合物固结体,通过分析固结体的力学性能、耐久性能和重金属浸出特征,得到全煤矸石基地质聚合物固结体的宏微观性能特征,为煤矸石基地质聚合物利用提供参考。主要研究工作如下:(1)对机械力活化和热活化煤矸石进行化学组分、晶相结构、表面官能团和硅铝结构态分析,发现机械力活化条件下稳定Si-O-Al结构略有减少,热活化条件下稳定Si-O-Al显著减少,高岭石结构完全消失,偏高岭石结构出现。机械力活化和热活化均能不同程度的提高煤矸石活性。活化煤矸石的硅铝核磁谱图分峰拟合结果显示机械力活化条件下Al减小程度小,研磨20h后Al结构出现,高岭石晶体结构被破坏转变为无定形结构;热活化条件下,Al显著减少,Al和Al含量显著增多。热活化提高煤矸石活性的效果优于机械力活化。(2)对不同配比条件下煤矸石基地质聚合物力学性能和强度发展规律分析,发现煤矸石基地质聚合物最优配比为热活化温度为800℃的活化煤矸石和模数为1.0的碱溶液。使用最优配比制备全煤矸石基地质聚合物固结体,并比较了不同骨料级配和不同骨料占比的固结体材料力学特性,发现全煤矸石基地质聚合物固结体最优配比方案为级配系数0.5,骨料占比45%。(3)对两组全煤矸石基地质聚合物固结体(级配系数0.5、骨料占比45%和级配系数0.4、骨料占比50%)的耐久性能进行分析,并与同样配比的煤矸石混凝土进行对照,通过抗毛细吸水性能和盐溶液干湿循环条件下试件的抗化学腐蚀性能,发现全煤矸石基地质聚合物固结体的抗毛细吸水性能优于煤矸石混凝土,但抗盐溶液侵蚀性能较差。(4)对比分析了不同固结体试件的表面微观形貌特征和重金属浸出值,发现养护龄期相同时,固结体的粒径级配和骨料占比适中时单轴抗压强度较高;地质聚合物固结骨料效果好时,随着养护龄期增加至28d,固结体与地质聚合物的过渡区宽度减小;各固结体的重金属浸出浓度小于鉴别标准,具备环境友好性。

关键词：煤矸石基地质聚合物活性结构固结体力学性能耐久性能

全尾砂固结体固结过程孔隙与强度特性实验研究

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中国矿业大学学报 2016年第2期45卷 272-279页

作者：徐文彬田喜春侯运炳魏书祥岳润芳樊攀峰朱时廷殷天军中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083 金属矿山安全与健康国家重点实验室安徽马鞍山243000 五矿集团邯邢矿业有限公司河北邯郸056002

为探明全尾砂固结体在固结过程中的孔隙与力学参数变化规律及其间的定量关系,以不同条件下全尾砂固结体为研究对象,采用压汞法、单轴压缩和剪切试验等方法,着重分析其孔隙率、平均孔径、单轴抗压强度、内聚力和内摩擦角的变化规律.结果... 详细信息

为探明全尾砂固结体在固结过程中的孔隙与力学参数变化规律及其间的定量关系,以不同条件下全尾砂固结体为研究对象,采用压汞法、单轴压缩和剪切试验等方法,着重分析其孔隙率、平均孔径、单轴抗压强度、内聚力和内摩擦角的变化规律.结果表明:养护龄期显著改变固结体的孔径尺寸及分布,随着养护龄期的增加,微小孔径(10~100nm)比例增加,孔隙率降低;在养护龄期28d之内,不同灰砂质量比和质量分数固结体的单轴抗压强度增长规律随龄期变化基本相同,皆遵循指数函数曲线增长规律,强度增长曲线趋势与灰砂质量比、料浆质量分数以及养护龄期正相关;灰砂质量比、质量分数和养护龄期对固结体的内聚力影响显著,对内摩擦角影响较小;单轴抗压强度、内聚力和内摩擦角均与孔隙率、平均孔径呈非线性负相关,基本遵循指数函数y=ae^(-bx)的定量关系;孔隙率对单轴抗压强度影响显著.

关键词：全尾砂固结体孔隙结构力学特性定量关系

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一种高强度单组分疏水型灌浆材料的研制

聚氨酯工业 2024年第2期39卷 40-42页

作者：李心强上海越大节能科技有限公司上海201112

不同的聚醚多元醇与异氰酸酯合成预聚体,采用常温下相对挥发性较小的助剂与预聚体复配成单组分疏水型化学注浆液。通过对注浆液遇水反应生成固结体的抗压强度进行对比,同时考察了不同原料对施工工艺(可灌性、膨胀倍率等)的影响。结果表... 详细信息

不同的聚醚多元醇与异氰酸酯合成预聚体,采用常温下相对挥发性较小的助剂与预聚体复配成单组分疏水型化学注浆液。通过对注浆液遇水反应生成固结体的抗压强度进行对比,同时考察了不同原料对施工工艺(可灌性、膨胀倍率等)的影响。结果表明,采用季戊四醇聚醚多元醇和聚合MDI合成的预聚体与增塑剂DBP等复配成的注浆液可以满足低黏度高强度的要求,适用于水利、大坝、矿山、民用等对防水加固要求较高的领域。

关键词：灌浆材料聚氨酯预聚体固结体

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土石混合土层注浆固结体崩解特性研究

科技通报 2023年第10期39卷 44-51页

作者：孔德彪陈安李林杨景凯昆明理工大学国土资源工程学院昆明650031

为研究元阳老虎嘴滑坡区梯田土石混合体注浆后固结体崩解特性,本文对元阳梯田土石混合体进行室内模型注浆后取样养护,再进行室内干湿循环崩解试验分析。结果表明:注浆固结体的崩解主要是未受浆液胶结或胶结弱的石块或土颗粒的崩解损失,... 详细信息

为研究元阳老虎嘴滑坡区梯田土石混合体注浆后固结体崩解特性,本文对元阳梯田土石混合体进行室内模型注浆后取样养护,再进行室内干湿循环崩解试验分析。结果表明:注浆固结体的崩解主要是未受浆液胶结或胶结弱的石块或土颗粒的崩解损失,且距离注浆孔越远,崩解掉落损失的土块直径越大;固结体前3次崩解的崩解速度最快,之后崩解速度变缓;注浆压力变大,崩解率会变小,但注浆压力增大幅度仅为0.1 MPa时对固结体的崩解改善作用并不是很明显;存在一个介于0.8~1.0之间的临界水灰比,当水灰比小于临界值时,同一压力下固结体崩解率随水灰比增大而减小,反之当水灰比大于临界值时,同一压力下固结体崩解率随水灰比增大而增大;对于注浆压力大的注浆固结体,养护时间变大能改善固结体崩解性,注浆压力小时养护时间对崩解性无影响。建议此次工程选择注浆压力0.45 MPa、水灰比0.8的注浆参数,固结体抗崩解性最好。

关键词：土石混合体注浆试验干湿循环试验固结体崩解率

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公路路基高砂高泡固结体的强度与演化特征

太原学院学报（自然科学版） 2022年第2期40卷 28-33页

作者：吴瑞安徽水利水电职业技术学院建筑工程学院安徽合肥231603

研究了水胶比和砂胶比对公路路基高砂高泡水泥基填充材料固结体单轴抗压强度和气孔孔径分布的影响。结果表明,随着水胶比从0.5增加至0.8,高砂高泡水泥基填充材料基体的单轴抗压强度呈现先增加后减小的特征,在水胶比为0.7时取得最大值,约... 详细信息

研究了水胶比和砂胶比对公路路基高砂高泡水泥基填充材料固结体单轴抗压强度和气孔孔径分布的影响。结果表明,随着水胶比从0.5增加至0.8,高砂高泡水泥基填充材料基体的单轴抗压强度呈现先增加后减小的特征,在水胶比为0.7时取得最大值,约13.2 MPa。在相同标准氧化时间下,水胶比为0.6的固结体可以获得最大的单轴抗压强度。随着砂胶比从3.0增加至4.5,高砂高泡水泥基填充材料基体的单轴抗压强度和胶凝材料含量都呈现逐渐减小的特征。不同砂胶比下,试样中气孔孔径在0.25~0.35 mm和0.35~0.45 mm的频率高达50%以上;随着砂胶比从3.0增加至4.5,等效平均孔径和方差值都呈现逐渐增大的特征,且在相同标准氧化时间下,砂胶比为3.0的固结体可以获得最大的单轴抗压强度。

关键词：公路路基高砂高泡固结体气孔孔径抗压强度

水泥环弹性参数对套管—水泥环—地层固结体结构完整性的影响

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石油钻采工艺 2013年第5期35卷 43-46页

作者：张景富张德兵张强岳宏野王博杨金龙东北石油大学石油工程学院黑龙江大庆163318

油气井套管试压、压裂等施工作业过程中,套管—水泥环—地层固结体将产生应力与变形响应。过高的载荷作用下,可能会造成水泥环本体破坏、胶结界面撕开等结构破坏形式,危及水泥环的封固效果。应用力学原理及有限元理论,建立了套管—水泥... 详细信息

油气井套管试压、压裂等施工作业过程中,套管—水泥环—地层固结体将产生应力与变形响应。过高的载荷作用下,可能会造成水泥环本体破坏、胶结界面撕开等结构破坏形式,危及水泥环的封固效果。应用力学原理及有限元理论,建立了套管—水泥环—地层固结体力学模型,分析了水泥环弹性常数对固结体结构完整性的影响。研究结果表明,水泥环弹性模量较小时,变形能力强,载荷作用下不易于产生结构破坏,卸载后抗撕裂能力较好;高地应力地层条件下,泊松比越小水泥环抗破坏能力越强;低地应力地层,泊松比越大胶结界面抗撕开能力越好。工程中应根据封固井深等具体情况综合考虑加载、卸载两种载荷作用方式对水泥环弹性参数进行优选。

关键词：水泥环弹性模量泊松比固结体胶结界面应力

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水平旋喷固结体力学性能试验及分析

岩石力学与工程学报 2003年第10期22卷 1695-1698页

作者：孙星亮王海珍中国科学院武汉岩土力学研究所石家庄铁路工程职业技术学院石家庄050041

对在通常旋喷参数条件下形成的水平旋喷固结体进行了多种试验,包括无侧限抗压试验、劈裂抗拉试验、点荷载试验等,得到无侧限抗压强度、抗拉强度、抗压强度软化系数、变形模量、粘聚力和内摩擦角等水平旋喷固结体的物理力学指标,并讨论... 详细信息

对在通常旋喷参数条件下形成的水平旋喷固结体进行了多种试验,包括无侧限抗压试验、劈裂抗拉试验、点荷载试验等,得到无侧限抗压强度、抗拉强度、抗压强度软化系数、变形模量、粘聚力和内摩擦角等水平旋喷固结体的物理力学指标,并讨论了变形模量、抗拉强度和无侧限抗压强度之间的关系。

关键词：土力学水平旋喷固结体力学指标试验抗压试验抗压强度抗拉强度

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高压喷射注浆固结体性能研究

长江科学院院报 2002年第B9期19卷 68-70页

作者：李晓鄂王树清长江科学院材料结构研究所湖北武汉430010

根据南水北调穿黄工程地质条件进行的高压喷射注浆材料及固结体性能研究结果表明,采用水泥系注浆材料所形成的固结体抗压强度、弹性模量、抗渗性能除与水灰比有关外,还与土质有很大关系。在水泥含量和水灰比一定时,中砂抗压强度高,弹模... 详细信息

根据南水北调穿黄工程地质条件进行的高压喷射注浆材料及固结体性能研究结果表明,采用水泥系注浆材料所形成的固结体抗压强度、弹性模量、抗渗性能除与水灰比有关外,还与土质有很大关系。在水泥含量和水灰比一定时,中砂抗压强度高,弹模大,粉细砂次之,粘性土最小;而抗渗性能则粘性土最好,粉细砂次之,中砂最差。经过室内试验研究,可估计成桩强度,有利于设计施工试验参数的确定。

关键词：南水北调工程高压喷射注浆浆材固结体地基加固