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分级细尾砂胶结充填体早期水化放热及强度演化特性

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工程科学学报 2023年第8期45卷 1293-1303页

作者：寇云鹏郭沫川谭玉叶齐兆军宋泽普宋卫东北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083 山东黄金矿业科技有限公司充填工程实验室分公司烟台261400

对分级细尾砂胶结充填体的早期水化反应及力学演化特性进行研究,对不同灰砂比充填体料浆进行水化放热及电阻特性测试,并根据扫描电子显微镜对早期水化产物进行微观形貌特征分析,最后在单轴压缩力学试验结果的基础上,分析早期水化反应进... 详细信息

对分级细尾砂胶结充填体的早期水化反应及力学演化特性进行研究,对不同灰砂比充填体料浆进行水化放热及电阻特性测试,并根据扫描电子显微镜对早期水化产物进行微观形貌特征分析,最后在单轴压缩力学试验结果的基础上,分析早期水化反应进程及产物对充填体强度演化的影响.研究表明,灰砂比越大,水化放热速率及放热量越大,生成水化产物越多,体积电阻率越大.同时水化反应速率直接决定了充填体自身强度形成的快慢,生成的Ca(OH)2减小了料浆体积电阻率,加快充填体自身强度的增长;随后生成的钙矾石(Aft)导致颗粒间孔隙更加致密,抑制了离子的溶解,减缓放出热量速率,从而阻碍了充填体强度的增长;当水化反应进行14 d基本结束后,充填材料凝结固化成为一个整体,强度基本稳定.充填体强度的变化呈现先迅速增加随后增加趋势逐渐减小直至稳定的趋势,为矿山采用分级细尾砂进行井下采空区充填、控制深部采场温度提供理论支撑及科学指导.

关键词：分级细尾砂充填体早期水化放热电阻率强度演化

沥青混合料饱水过程的强度演化规律及机理分析

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建筑材料学报 2022年第5期25卷 537-544页

作者：任敏达冯汉卿丛林刘人玮同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海201804 华设设计集团北京民航设计研究院有限公司北京101312

为研究SBS改性沥青混合料在饱水过程中的力学强度演化过程,提出了一种基于圆孔孔边应力集中效应的力学模型,分别计算了非饱水和饱水孔隙的孔边应力.对不同沥青含量的SBS改性沥青混合料试件进行水敏感性试验(MIST)和恒温浸水试验,采用间... 详细信息

为研究SBS改性沥青混合料在饱水过程中的力学强度演化过程,提出了一种基于圆孔孔边应力集中效应的力学模型,分别计算了非饱水和饱水孔隙的孔边应力.对不同沥青含量的SBS改性沥青混合料试件进行水敏感性试验(MIST)和恒温浸水试验,采用间接拉伸强度(ITS)和拉伸强度比(TSR)来表征沥青混合料的强度演化过程,分析孔隙水压循环次数、水浴时间、孔隙水压力和温度对沥青混合料强度的影响.结果表明:在劈裂荷载作用下,孔隙水压抗力消散了薄弱孔隙的应力集中;随着孔隙水压循环次数或恒温水浴时间的增加,试件的ITS先减小后增大,TSR持续增大;沥青混合料在饱水过程中的强度增加,实际上采集到的是沥青混合料自身强度与孔隙水压力的加和;温度对沥青混合料强度的影响比孔隙水压力的影响更加显著.

关键词：沥青混合料饱水过程水敏感性试验孔隙水压循环间接拉伸试验强度演化

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热力耦合作用下碳质千枚岩强度演化规律分析

力学与实践 2022年第2期44卷 303-309页

作者：杨丙昌中铁十四局集团第五工程有限公司山东兖州272100

温度场与应力场是影响碳质千枚岩地层引水隧洞围岩强度的重要因素。设定2因素4水平16组试验,依据单轴与三轴试验结果,探讨热力耦合作用下碳质千枚岩应力-应变曲线性态与破坏模式,得到了峰值强度变化规律;基于Mohr–Coulomb强度准则(M–C... 详细信息

温度场与应力场是影响碳质千枚岩地层引水隧洞围岩强度的重要因素。设定2因素4水平16组试验,依据单轴与三轴试验结果,探讨热力耦合作用下碳质千枚岩应力-应变曲线性态与破坏模式,得到了峰值强度变化规律;基于Mohr–Coulomb强度准则(M–C)与Heok–Brown强度准则(H–B),分别建立了热力耦合作用下Mohr–Coulomb–Thermal法(M–C–T)和Heok–Brown–Thermal法(H–B–T)两种破坏强度计算方法。试验结果与理论分析表明,随围压增大与温度升高,碳质千枚岩从脆性破坏逐渐转为延性破坏,黏聚力、单轴抗压强度和参数n随温度升高呈线性增大,内摩擦角受温度影响不显著。通过试验值与计算对比分析,M–C–T法和H–B–T法均能较好地量化热力耦合作用下碳质千枚岩强度演化规律;误差分析表明,前者计算误差为-28.5%-7.7%,后者为-8.9%-5.6%,H–B–T法计算结果离散程度较小,稳定性更高,且更偏向于安全。

关键词：热力耦合碳质千枚岩强度演化应力-应变

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应力养护条件下充填体强度演化试验研究

矿业研究与开发 2022年第3期42卷 83-88页

作者：范玉赟王春龙刘兴全王玺姜明伟山东黄金集团有限公司深井开采实验室山东莱州市261442 山东省深海深地金属矿智能开采重点实验室山东莱州市261442

针对常规室内充填试验无法模拟充填采场原位环境和多因素对充填体强度发展的影响,无法获得与工程环境相匹配的充填体强度及材料配比参数的问题,利用充填体多场耦合养护试验仪,模拟试验深部应力条件下充填体强度的演化规律。研究发现:充... 详细信息

针对常规室内充填试验无法模拟充填采场原位环境和多因素对充填体强度发展的影响,无法获得与工程环境相匹配的充填体强度及材料配比参数的问题,利用充填体多场耦合养护试验仪,模拟试验深部应力条件下充填体强度的演化规律。研究发现:充填体的强度随着养护应力的增加而增加,养护应力对充填体后期强度的影响明显大于对其早期强度的影响;带压养护和常规养护方式下的相同配比的充填体其强度相差较大,养护14 d时,带压养护比常规养护充填体强度高15.4%;带压养护条件下影响充填体强度发展的主要因素是孔隙水和养护应力。

关键词：带压养护胶结尾砂充填体强度演化单轴压缩

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磷石膏基复合胶凝充填体强度演化规律研究

磷石膏基复合胶凝充填体强度演化规律研究

作者：杨帅贵州大学

学位级别：硕士

本文针对磷石膏固体废弃物的地面堆积问题,结合贵州省瓮福磷矿磷石膏赋存的物化特性和矿山充填工程的强度要求,基于现场调研、理论分析、物理实验、现场工业性试验等研究方法,对贵州地区磷石膏基复合胶凝体充填材料的强度规律演化进行... 详细信息

本文针对磷石膏固体废弃物的地面堆积问题,结合贵州省瓮福磷矿磷石膏赋存的物化特性和矿山充填工程的强度要求,基于现场调研、理论分析、物理实验、现场工业性试验等研究方法,对贵州地区磷石膏基复合胶凝体充填材料的强度规律演化进行了研究,主要研究成果如下:(1)分析得到各胶凝材料的基本物化特性,其中磷石膏、水泥和生石灰的水化胶凝机理关系为水泥为胶凝物料的生成提供了具有火山灰活性的反应物,磷石膏的存在为水泥的水化与水硬性成分的生成提供了条件,生石灰的加入改善早期的酸性溶液环境,并加速硬化体的硬化过程。(2)基于前期充填物料性能试验的成功,确定了充填材料的基本原料和粗略的取值范围,对不同配比的胶凝材料开展正交试验,利用极差法对试验结果进行分析,得到不同养护龄期影响充填体强度的主要因素,其中7 d、14 d和28 d的强度主要影响因素分别为磷石膏、生石灰和水泥。(3)BP神经网络模型下对正交试验结果进行优化决策,并对各影响因素的不同掺量对充填体强度的影响进行分析,得到胶凝材料最佳配比方案为:生石灰5%、磷石膏36%、氢氧化钠2%、水泥11%,胶凝材料7 d、14 d和28 d抗压强度分别为0.89 MPa、1.50 MPa和3.18 MPa。(4)扫描电子显微镜下观察了各个养护期下胶凝试块的微观局部结构变化,结果表明:充填体的强度机理在于不同养护龄期下水化产物硅酸钙凝胶和钙矾石的数量增长,以及钙矾石的晶体形态从短小向粗长的发育。凝胶物与水硬性成分交织填充在充填体的孔隙中,形成了充填体的强度骨架,降低了结构体的缝隙率,提高了硬化体的密度和改善了硬化体的力学性能。(5)现场工业性试验表明:根据研究所得胶凝材料配比方案,制备瓮福磷矿大信北斗矿山采空区充填料浆,28天充填体的抗压强度大于1.5 MPa,满足矿山充填工程的强度要求。

关键词：磷石膏复合胶凝材料正交试验 BP神经网络现场工业性试验强度演化

XRD和FTIR的掺硅酸钠富水材料强度演化机制

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光谱学与光谱分析 2019年第10期39卷 3199-3204页

作者：王志明孙玉宁王永龙张硕河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454002 深井瓦斯抽采与围岩控制国家地方联合工程实验室(河南理工大学) 河南焦作454000

硅酸盐水泥和铝酸盐水泥是广泛应用的无机注浆材料,混合使用这两种材料可制备凝结时间短及强度高的胶凝材料。然而,在富水条件下(水灰比大于1),添加适量二水石膏所制备的硅酸盐-铝酸盐水泥基材料水化后期发生强度衰减。为了改善硅酸盐-... 详细信息

硅酸盐水泥和铝酸盐水泥是广泛应用的无机注浆材料,混合使用这两种材料可制备凝结时间短及强度高的胶凝材料。然而,在富水条件下(水灰比大于1),添加适量二水石膏所制备的硅酸盐-铝酸盐水泥基材料水化后期发生强度衰减。为了改善硅酸盐-铝酸盐水泥基富水材料的强度性能,将一定量的硅酸钠掺入硅酸盐水泥-铝酸盐水泥-二水石膏三元体系中。采用RMT-150力学试验系统测试含不同硅酸钠掺入量的硅酸盐-铝酸盐水泥基富水材料的强度,分析其强度演化特性及掺入硅酸钠对其强度的影响;采用扫描电镜(SEM),X射线衍射(XRD)及傅里叶变换红外光谱(FTIR)对不同硅酸钠掺量的富水材料微观结构进行表征,分析其微观形貌、物相的变化规律,进而揭示该富水材料的强度演化机制。强度试验结果显示,不掺硅酸钠的富水材料早期强度低,并且后期强度发生衰减;而硅酸钠的掺入有助于提高硅酸盐-铝酸盐水泥基富水材料的早期强度,并且在一定程度上减少材料固化后的后期强度衰减量,当硅酸钠掺入量高于3%以上时,可以有效控制该富水材料后期强度的衰减。SEM,XRD及FTIR研究结果表明:不掺硅酸钠的硅酸盐-铝酸盐水泥基富水材料水化14d时,检测到所属六方晶系的物相CAH10及C2AH8转变为具有立方晶系结构的C3AH6,这种晶型转变是导致该富水材料强度衰减的原因。相比不掺硅酸钠的富水材料,当硅酸钠掺入1%时,富水材料水化3d生成更多的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶,这有利于提高富水材料的早期强度;水化14d后,XRD结果显示,在d=11.75,6.24出现C2ASH8的衍射峰,而直至28d才检测到C3AH6(d=5.16,3.18)衍射峰,并且C3AH6衍射强度较不掺硅酸钠的材料低,FTIR谱3643cm^-1处出现的振动带证实了这一发现。这说明掺入1%硅酸钠促使六方晶系(CAH10及C2AH8)转变为C2ASH8,进而抑制了CAH10及C2AH8向C3AH6的转变。但是,添加1%的硅酸钠却不足以完全抑制富水材料水化后期的晶型转变,因此富水材料水化后期仍会发生强度衰减。当硅酸钠掺入量升至4%时,硅酸盐-铝酸盐水泥基富水材料中的C2ASH8生成量显著增大,并且水化28d后未检测到C3AH6,表明富水材料内的晶型转变完全得以抑制,材料水化后期强度衰减得到有效控制。

关键词：富水材料硅酸钠强度演化 X射线衍射傅里叶变换红外光谱

沥青混合料饱水过程的强度演化规律及机理分析

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建筑材料学报 2021年

作者：丛林冯汉卿任敏达同济大学道路与交通工程教育部重点实验室

为研究SBS改性沥青混合料在饱水过程中的力学强度演化过程，提出了一种基于圆孔孔边应力集中效应的力学模型，分别计算了非饱水和饱水孔隙的孔边应力。同时进行试验研究，对不同沥青含量（3.5%、4.5%、5.5%）的SBS改性沥青混合料试件分... 详细信息

为研究SBS改性沥青混合料在饱水过程中的力学强度演化过程，提出了一种基于圆孔孔边应力集中效应的力学模型，分别计算了非饱水和饱水孔隙的孔边应力。同时进行试验研究，对不同沥青含量（3.5%、4.5%、5.5%）的SBS改性沥青混合料试件分别进行了0～7000次水敏感性试验（MIST）和0～7h的恒温浸水试验，利用间接拉伸试验测得的间接拉伸强度（ITS）和拉伸强度比（TSR）来表征沥青混合料的强度演化过程，分析孔隙水压循环次数与水浴时间、孔隙水压力、温度对沥青混合料强度的影响。结果表明：在劈裂荷载作用下，无水孔隙的孔边最大环向应力等于竖直荷载q，饱水孔隙的孔边最大应力等于q/2，说明孔隙水压抗力消散了薄弱孔隙的应力集中现象；随着孔隙水压循环次数与水浴时间的增加，试件的ITS先减小后增大，TSR持续增大；沥青混合料在饱水过程中的强度增加，实际上采集到的是沥青混合料自身强度与孔隙水压力的加和；温度的影响比孔隙水压力的影响更显著。

关键词：沥青混合料饱水过程水敏感性试验孔隙水压循环间接拉伸试验强度演化

循环荷载作用下黏土海床强度演化模型及其应用

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循环荷载作用下黏土海床强度演化模型及其应用

作者：慕东霖天津大学

学位级别：硕士

黏土海床在全球海洋中广泛分布,海床下蕴含的丰富的油气资源使其具有巨大的开发价值。坐落于黏土海床上的海上结构物,受到风、波浪、海流甚至地震等荷载的共同作用,传递给黏土海床的荷载呈现为复杂的循环荷载形式。不同于单调荷载作用,... 详细信息

黏土海床在全球海洋中广泛分布,海床下蕴含的丰富的油气资源使其具有巨大的开发价值。坐落于黏土海床上的海上结构物,受到风、波浪、海流甚至地震等荷载的共同作用,传递给黏土海床的荷载呈现为复杂的循环荷载形式。不同于单调荷载作用,黏土海床在循环荷载作用下,土体强度会发生演化。因此深入理解循环荷载作用下黏土海床强度演化机制,对于海洋基础工程设计具有重要意义。本文首先对以往学者提出的黏土强度演化模型进行了回顾、并对其优缺点进行了对比,最终结合本文研究内容选择了由Einav和Randolph提出的应变软化、应变率效应模型作为本文所使用黏土强度演化模型。该模型具有模型参数易获得、对不同地区的黏土具有普遍适用性等优势,且符合本文的黏土受短时循环荷载时的不排水条件,因此选用Einav&Randolph模型作为本文研究黏土受循环荷载发生强度演化行为的模型。其次,本文开展了土单元循环界面剪切试验,确定了钢与天津滨海地区软黏土之间的循环界面摩擦系数;开展土单元动三轴试验,确定了天津滨海地区软黏土应变软化参数;再次,本文利用Einav&Randolph模型(以下简称E-R模型)预测海洋结构物基础在循环荷载作用下的承载力演化。本文研究成果如下:(1)通过试验获得了Q235钢与天津滨海地区软黏土之间的循环截面摩擦系数α＝0.2;通过试验确定了天津滨海地区软黏土在10k Pa围压下固结后灵敏度S＝6,达到95%重塑时的累积塑性应变ξ＝11;在50k Pa围压下固结后灵敏度S＝7.5,达到95%重塑时的累积塑性应变ξ＝10;(2)将E-R模型应用到条形板锚受循环荷载作用的有限元计算中,分析了条形板锚受竖向循环荷载过程中极限承载力的演化,及应变软化参数、应变率效应参数、循环荷载条件对条形板锚循环极限承载力的影响,并提出“破坏振次”与“危险埋深”的概念;(3)分析了单桩基础受水平向循环荷载过程中的位移-反力关系,提取了单桩沿深度分布的各截面弯矩变化以及单桩周围土体软化区域的发展。

关键词：黏土海床循环荷载强度演化海洋结构物基础

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风积砂充填体力学特性及强度演化特征研究

风积砂充填体力学特性及强度演化特征研究

作者：丁一西安科技大学

学位级别：硕士

因矿产资源需求量的不断上升,采空区问题日益严峻。充填采矿技术因其便捷、高效以及安全等特点近年来得到了极大地发展,是目前采空区治理的重要手段。该技术主要依靠充填体形成的人工柱体为采区顶板提供支撑,保障采区安全。因此,开展充... 详细信息

因矿产资源需求量的不断上升,采空区问题日益严峻。充填采矿技术因其便捷、高效以及安全等特点近年来得到了极大地发展,是目前采空区治理的重要手段。该技术主要依靠充填体形成的人工柱体为采区顶板提供支撑,保障采区安全。因此,开展充填体力学特性及强度演化特征研究,有利于了解充填体受力变形至破坏全过程应力应变特征,揭示充填体受力过程中的损伤变化规律,为矿山开采工作及理论研究提供基础。此次研究结合永乐煤矿充填实例,分析了永乐煤矿的开采现状,对充填工作中的材料选择、配比选取、充填工艺以及经济性进行了描述。确定风积砂、黄土以及水泥作为充填材料,对其进行物理力学性质测定与研究。采用美特斯电子万能试验机开展充填体单轴压缩试验,绘制应力-应变曲线,分析不同材料比、质量分数及固化时间对充填体力学性质的影响。之后,利用损伤力学理论及应变等价原理推导损伤本构方程,构建风积砂充填体三段式强度演化模型,并对比试验曲线,验证了模型的正确性。通过室内试验与理论分析,本文主要取得了如下成果:(1)充填体强度与质量分数、养护时间呈正相关关系,质量分数为82%的试样单轴抗压强度高于80%、高于78%。养护时间越久,充填体强度越大,增长幅度也越大。风积砂、黄土和水泥三者之比为4:1:1时,充填体强度最大,三者比为6:1:1时,强度值最小。(2)风积砂充填体应力-应变曲线可划分为四个阶段,孔隙压密阶段、弹性变形阶段、裂纹萌生及扩展阶段以及峰后阶段。整体上峰值强度越大,曲线斜率越大,峰值强度对应应变值越小。(3)风积砂充填体破坏形态与其配比、浓度、养护时间无关,受力状态由单向受力变为三向,最终又变为单向,受压后破坏形式均为X形剪切破坏。(4)对充填体强度演化特征进行分析,本构方程绘制的理论曲线与单轴压缩得到的试验曲线变化规律一致,拟合度良好,证明风积砂充填体在单轴压缩下的应力-应变曲线特征可由三段式强度演化模型印证。

关键词：风积砂充填体单轴压缩应力应变强度演化