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采矿与安全工程学报 2023年第4期40卷 809-817页

作者：丁小华杨雨清朱晓寒张兆亮周伟敖忠晨中国矿业大学矿业工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116 徐州徐工汽车制造有限公司江苏徐州221000

粉煤灰-矿渣地聚合物材料作为硬化露天矿山运输道路的黏结剂具有强度高、通车速度快的特点,并且可以消耗矿山工业圈内产生的固废,是未来有望规模性应用的矿山环保、高效、经济的筑路材料。为研究粉煤灰-矿渣基地聚合物疲劳强度,设计了... 详细信息

粉煤灰-矿渣地聚合物材料作为硬化露天矿山运输道路的黏结剂具有强度高、通车速度快的特点,并且可以消耗矿山工业圈内产生的固废,是未来有望规模性应用的矿山环保、高效、经济的筑路材料。为研究粉煤灰-矿渣基地聚合物疲劳强度,设计了粉煤灰与矿渣的质量比与碱激发剂含量2个变量的对照试验,测试了试样动载荷下的疲劳寿命。试验结果表明,疲劳载荷下地聚合物材料的破坏过程分为3个阶段,分别为压密阶段、弹塑性变形阶段和裂纹扩展阶段。疲劳试验的统计分析结果表明粉煤灰-矿渣地聚合物疲劳破坏概率密度函数服从Weibull分布,粉煤灰的加入增强了材料的疲劳强度,而碱激发剂的掺量对材料疲劳寿命的影响不具备统计意义,可认为对疲劳强度没有影响。最后给出了可供参考的粉煤灰-矿渣地聚合物疲劳寿命方程。

关键词：露天矿道路粉煤灰-矿渣地聚合物疲劳载荷 Weibull分布方差分析

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脱硫石膏对粉煤灰-矿渣地聚合物固化土力学性能影响的试验研究

脱硫石膏对粉煤灰-矿渣地聚合物固化土力学性能影响的试验研究

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作者：张子龙浙江理工大学

学位级别：硕士

我国东南沿海地区广泛分布着第四纪泻湖相、溺谷相与滨海相等沉积软土层,一般包括淤泥与淤泥质软土。工程建设中,这些软土地基由于其承载力低、易变形的特点,往往达不到工程设计要求,需要进行地基加固处理。传统水泥固化剂生产过程中能... 详细信息

我国东南沿海地区广泛分布着第四纪泻湖相、溺谷相与滨海相等沉积软土层,一般包括淤泥与淤泥质软土。工程建设中,这些软土地基由于其承载力低、易变形的特点,往往达不到工程设计要求,需要进行地基加固处理。传统水泥固化剂生产过程中能耗高污染高,针对这些问题,提出粉煤灰-矿渣地聚合物替代传统水泥固化剂应用于固化软土。粉煤灰-矿渣地聚合物固化土所受影响因素较多,使得硅铝原料不能够充分参与反应,在不同工况甚至恶劣环境下固化土的力学性能差,然而脱硫石膏富含的Ca与SO可以促进地聚合物的反应生成胶凝产物,提高其力学性能。基于此,本文通过宏观与微观相结合的手段,首先研究了粉煤灰-矿渣地聚合物固化土的力学性能,其次研究了脱硫石膏外加剂改善其固化土的力学性能,以及在恶劣环境中的耐久性能。论文主要内容有:(1)以粉煤灰地聚合物固化土为基准组,分别制备碱激发剂模数为0.6、0.8、1.0、1.2,碱固比为0.2、0.4、0.6、0.8的粉煤灰-矿渣地聚合物固化土,通过无侧限抗压强度试验研究了碱激发剂模数、碱固比对粉煤灰-矿渣地聚合物固化土抗压强度的影响,并采用SEM和XRD试验进一步分析了矿物成分和微观结构变化。试验结果表明,激发剂模数、碱固比可以在一定范围内改变固化土抗压强度,地聚合物固化土试样抗压强度均呈现先升后降的趋势。粉煤灰地聚合物固化土抗压强度受碱激发剂模数和碱固比影响有限,粉煤灰地聚合物固化土抗压强度始终较低,难以满足实际工程的需求。然而粉煤灰-矿渣地聚合物固化土,当碱激发剂模数和碱固比分别为0.8和0.4时强度能够满足规范要求。经微观试验分析发现,激发剂模数、碱固比的变化均会引起地聚合物固化土的矿物成分和微观结构的变化,但是不会改变其生成物相种类。粉煤灰地聚合物生成N-A-S-H填充在土颗粒间,但胶凝产物含量少,胶结作用弱,土体整体较为松散,固化土抗压强度低。而粉煤灰-矿渣地聚合物固化土生成大量(N,C)-A-S-H和C-S-H,填充在颗粒之间,土体结构整体性好,固化土抗压强度较高。(2)在粉煤灰-矿渣地聚合物固化土体系中加入脱硫石膏外加剂,通过无侧限抗压强度、SEM和XRD试验探究了不同掺量脱硫石膏对地聚合物固化土的影响。基于以上分析,响应面法采取碱激发剂模数、碱固比和脱硫石膏三个因素的变化范围分别为0.6～1.0、0.2～0.6和10%～20%,探究两两因素对常温环境下地聚合物固化土力学性能的影响,并进行配合比的优化。试验结果表明,添加脱硫石膏后固化土抗压强度显著提升。由于掺入富含钙离子和硫酸根的脱硫石膏,地聚合物固化土除了生成的大量胶凝产物C-S-H和(N,C)-A-S-H,还生成了新矿物成分钙矾石,从而导致强度提升。响应面法将28 d固化土抗压强度最大值作为目标优化值,得出固化土的最优配合比:脱硫石膏掺量15.96%,激发剂模数0.809,碱固比0.6。28d龄期各因素的影响程度:脱硫石膏>碱固比>碱激发剂模数,同时建立了强度预测公式。(3)基于最优配合比,采用单一变量法探究各个因素对地聚合物固化土抗压强度以及微观结构的影响。通过不固结不排水三轴剪切试验,研究了地聚合物固化土不同龄期下的抗剪性能。试验结果表明,改善后地聚合物固化土的抗压强度随前驱体掺量增加而增加,其中地聚合物固化土前驱体掺量越大,其抗压强度的增幅越明显;随着龄期的增加,地聚合物固化土的抗压强度不断增加,且固化土抗压强度呈对数型增长;养护温度对固化土抗压强度的影响较大,较高的温度更有利于凝胶产物生成导致短期内强度快速增长;随着围压的增加,固化土的偏应力峰值随之增加,同时对应的轴向应变也逐渐增加;随着龄期的增加,偏应力的峰值变化范围在增大,峰值相对应的应变变化范围缩小,固化土由塑性破坏模式转为脆性破坏模式;此外,粘聚力、内摩擦角随龄期的增加均呈递增趋势。(4)以最优配合比固化土,同时设置两组对照组,分别为水泥固化土与脱硫石膏改善前的地聚合物固化土,以期比较试验组和对照组耐久性的差异。通过水稳性、干湿循环和冻融循环试验研究了改善前后地聚合物固化土与水泥土的耐久性能。试验结果表明,三种固化土中,固化土试样强度随着浸泡时间的增加均逐渐增加,但相比标准养护的试块强度有所降低,改善后地聚合物固化土的水稳性优于改善前地聚合物固化土的水稳性;改善前地聚合物固化土的干湿循环特性最差,而改善后地聚合物固化土与水泥固化土达到较为接近的抵抗干湿循环能力;在冻融循环环境下,改善后地聚合物固化土的抗冻融性能最优。本文关于脱硫石膏与地聚合物固化土的研究为粉煤灰、矿渣和脱硫石膏等工业废弃物的资源利用提供了参考,为地聚合物应用于实际工程中软土地基处理提供了技术支持。

关键词：粉煤灰-矿渣地聚合物脱硫石膏软土固化力学性能耐久性微观分析

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粉煤灰-矿渣地聚合物性能优化及收缩特性研究

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作者：王均益浙江理工大学

学位级别：硕士

普通硅酸盐水泥(OPC)一直以来是混凝土制备中常见的成分,但其熟料生产阶段产生大量的二氧化碳与工业废料,与我国实现“碳中和”和“碳达峰”的战略目标不太相符,亟需寻找一种可接受的绿色胶凝材料替代品。地聚合物(Geopolymer)的概念是... 详细信息

普通硅酸盐水泥(OPC)一直以来是混凝土制备中常见的成分,但其熟料生产阶段产生大量的二氧化碳与工业废料,与我国实现“碳中和”和“碳达峰”的战略目标不太相符,亟需寻找一种可接受的绿色胶凝材料替代品。地聚合物(Geopolymer)的概念是在1978年由法国人Davidovits提出的,它是一种由Al O和Si O四面体结构单元组成三维立体网状结构的无机聚合物,经碱激发硅铝含量高的工业废料制备得来,具有制备简单、力学性能好、碳排放低等诸多优势,且为工业废料的处理提供了一条新的途径。自1978年至今,学者们对地聚合物的前驱体做了众多研究,其中粉煤灰-矿渣地聚合物的研究最为广泛,这是因为粉煤灰作为燃煤发电厂燃烧产生的工业废料,具有来源广泛和价格低廉等优势,粉煤灰地聚合物的应用为废弃材料再利用提供新的途径。然而粉煤灰地聚合物制备阶段往往需要热养护,常温养护状态下强度过低,所以往往通过掺入矿渣来改善粉煤灰地聚合物需高温养护以及强度过低的缺点,但伴随着矿渣掺量的提高,粉煤灰-矿渣地聚合物收缩也会相应变大,收缩过大在实际应用中可能会导致裂缝的产生,带来一定工程弊端。基于此,本文为改善矿渣掺量高收缩大、掺量低强度小的现状,首先研究不同粉煤灰矿渣比例下地聚合物的力学性能以及收缩特性,并在此配比的基础上从外掺料维度入手进一步优化粉煤灰-矿渣地聚合物性能,主要的工作及成果如下:(1)首先设置9:1、8:2、7:3和6:4四个粉煤灰与矿渣的比例,探究不同矿渣掺量下粉煤灰-矿渣地聚合物的凝结时间、力学性能、收缩特性、微观机理以及前驱体中钙组分的增加对粉煤灰-矿渣地聚合物的性能影响。结果表明,凝结时间随着矿渣掺量增加而缩短;抗压强度和抗折强度随着矿渣掺量增加而提高,但是随着矿渣替代率增加,收缩值却越来越大。为避免矿渣掺量增加导致收缩过高,本文选定粉煤灰与矿渣比例为8:2,保证力学性能(抗压强度)的基础上进一步探究粉煤灰-矿渣性能增强技术。(2)在上述配合比的基础上探究沸石粉作为外掺料对粉煤灰-矿渣地聚合物的影响。基于响应面法建立沸石粉掺量、碱激发剂掺量和碱激发剂模数三个因素与3天抗压强度、28天抗压强度两个响应值之间的关系;利用Box-Behnken模型建立3天和28天抗压强度的二次多项式拟合公式;并开展扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射分析(XRD)和Si核磁共振(NMR)试验进行微观分析研究。通过试验发现添加沸石粉后3天和28天的最大抗压强度分别为40.2 MPa和70.9 MPa,抗压强度较不掺沸石粉分别提高了58.9%和20.0%。将最高抗压强度作为目标值优化配合比,得到沸石粉掺量、碱激发剂掺量、碱激发剂模数的最优配合比为13.3%、40.2%、1.2。微观分析结果表明沸石粉降低了总孔隙体积,优化了孔隙结构,使地聚合物的微观结构更加致密,提高了地聚合物的强度。试验发现掺入过量沸石粉导致反应过程中吸水率高,不利于水化反应。(3)外掺沸石粉有效提高了地聚合物抗压强度,但抗折强度无明显提升。开展了外掺不同长度聚乙烯醇(PVA)纤维粉煤灰-矿渣地聚合物的抗压强度、抗折强度,以及收缩特性试验研究。同时采用XRD、SEM、能谱仪(EDS)研究复合材料的微观结构和机理。结果表明,室温下粉煤灰-矿渣地聚合物28天抗压强度提高18.51%,弯曲/抗折强度提高78.72%,PVA纤维对提高地聚合物抗弯效果显著。归因于PVA纤维的桥接效应,使得地聚合物基体的韧性增加。但纤维过长有可能导致纤维团聚,增加地聚合物的孔隙率,反而导致抗压强度和抗折强度呈现下降趋势。试验结果显示6mm长度的PVA纤维在1.0%体积掺量下使粉煤灰-矿渣地聚合物砂浆干燥收缩减少了49.7%,最大限度地减少了地聚合物的干燥收缩和脆性。本文所开展研究为粉煤灰、矿渣等工业废料的利用提供参考,也为粉煤灰-矿渣地聚合物性能的提升提供了新的思路。

关键词：粉煤灰-矿渣地聚合物外掺料沸石粉 PVA纤维收缩特性

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碳纤维与纳米SiO2改性粉煤灰—矿渣地聚合物性能研究

碳纤维与纳米SiO2改性粉煤灰—矿渣地聚合物性能研究

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作者：王亚凡宁夏大学

学位级别：硕士

在倡导绿色可持续发展的今天,“双碳”目标正在逐步实现。地聚合物作为新型环保材料,凭借其制备工艺简单、生产耗能低、实现固废资源化利用等优点,在建筑土木与交通工程中发挥着重要作用。但地聚合物也存在着脆性较大、易开裂的问题,从... 详细信息

在倡导绿色可持续发展的今天,“双碳”目标正在逐步实现。地聚合物作为新型环保材料,凭借其制备工艺简单、生产耗能低、实现固废资源化利用等优点,在建筑土木与交通工程中发挥着重要作用。但地聚合物也存在着脆性较大、易开裂的问题,从而阻碍了进一步推广利用。为此,本文首先研究不同化学激发剂(水玻璃、NaOH溶液、KOH溶液)和矿渣替代率(10%、20%、30%、40%)对粉煤灰地聚合物的性能影响,以此确定粉煤灰-矿渣地聚合物基准配合比。在此基础上,采用不同长度(6mm、12mm)及掺量(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)的碳纤维和不同掺量(1.0%、2.0%、3.0%)的纳米SiO2对粉煤灰-矿渣地聚合物进行增韧,研究其工作性能、抗压强度、抗折强度、单轴拉伸性能、断裂性能、收缩性能和耐高温性能,确定最优碳纤维长度、掺量及纳米SiO2掺量,主要研究结果如下:(1)首先,确定粉煤灰-矿渣地聚合物基准配合比。地聚合物抗压强度的敏感因素由大到小依次为水玻璃掺量、模数、陈化时间,综合考虑抗压抗折强度,本文确定最优激发剂为A2B3C2,即水玻璃模数1.4、掺量20%、陈化时间24h,其制备的地聚合物28d抗压抗折强度分别为17.6MPa和3.9MPa。在此基础上掺入矿渣后强度得到明显提升,当替代率为40%时试件工作性能较差,且抗折强度提升不大,故选取矿渣掺量为30%,并以此作为基础配合比进行后续改性研究。(2)其次,研究不同掺量碳纤维对粉煤灰-矿渣地聚合物的工作性能、抗压强度、抗折强度、单轴拉伸性能、断裂性能、收缩性能的影响。结果表明:碳纤维的掺入会降低地聚合物的工作性能,但同时可以有效改善其力学性能、单轴拉伸性能、断裂性能及收缩性能。在相同掺量下,12mm碳纤维对流动度和凝结时间的影响较6mm碳纤维更为明显,同时12mm碳纤维掺入后地聚合物展示出更低的干燥收缩值;而6mm碳纤维对地聚合物孔隙结构、抗压抗折强度、单轴拉伸性能、断裂性能的改善优于12mm碳纤维,上述性能均在6C-3配比取得最大值。(3)然后,在同一纤维长度下,随碳纤维掺量的增大,地聚合物流动度和凝结时间逐渐降低,降幅逐渐变缓;孔隙率和吸水率先降低后上升,当掺量0.6%时二者均达到最小值;碳纤维的掺入能够明显提高地聚合物的抗压抗折强度、单轴拉伸性能及断裂性能,存在最佳掺量0.6%,此时6C-3试件抗压抗折强度分别为35.7MPa和5.9MPa,超过这个掺量时强度下降;单轴拉伸性能方面,掺量为0.6%时延性最优,6C-3试件极限抗拉强度为4.881MPa,极限延伸率为0.407%;同一纤维长度下,地聚合物起裂韧度和失稳韧度均随碳纤维掺量的增大呈现先增大后减小趋势,6C-3的起裂韧度为0.782MPa·m1/2,较FSG-0提升了 71.8%,失稳韧度为1.174MPa·m1/2,提升了73.5%;地聚合物干燥收缩率随碳纤维掺量的增大逐渐减小。综合上述性能,得出碳纤维最优长度为6mm,最优掺量为0.6%。(4)之后,研究不同掺量纳米SiO2对碳纤维增强粉煤灰-矿渣地聚合物工作性能、抗压强度、抗折强度、单轴拉伸性能、断裂性能、收缩性能的影响。结果表明:纳米SiO2的掺入降低了新拌地聚合物砂浆的流动度和凝结时间;当掺量为2.0%时,孔隙率最小且抗压强度最高,孔隙率越低抗压强度越高;单轴拉伸性能方面,掺入纳米SiO2对地聚合物抗拉性能改善并不明显,当掺量为2.0%时对单轴拉伸性能的提升最明显,此时极限抗拉强度为5.112MPa,极限延伸率为0.446%;掺入适量纳米SiO2对断裂韧度有一定的提升,可以延缓地聚合物的开裂时间,维持地聚合物更加平稳的劣化失稳,但改善效果有限,尤其对起裂韧度的提高甚微。随纳米SiO2掺量的增加地聚合物干燥收缩逐渐增大,但在前3d干燥收缩增长并不显著,当龄期增加到3-14d,地聚合物的干燥收缩增长较快。综合上述,选取纳米SiO2最优掺量为2.0%。(5)最后,对碳纤维及纳米SiO2改性后的粉煤灰-矿渣地聚合物进行高温试验,测试其质量损失、强度及强度损失、单轴拉伸性能及线性收缩性能,结果表明:碳纤维和纳米SiO2的掺入良好的改善了粉煤灰-矿渣地聚合物高温后的性能,400℃以内时质量损失率较小且增幅不大,600℃时质量明显降低,高于800℃时质量大幅下降;在同一温度下,随碳纤维掺量和纳米SiO2掺量的增加,G-6C组和G-NS组抗压、抗拉强度均先升后降,纳米SiO2掺量为2.0%的G-NS-2试件在400℃时表现出最优性能,此时抗压强度高达54.4MPa,比常温下增加了 52.4%,初裂强度为5.221MPa,极限抗拉强度为5.765MPa,极限延伸率为0.561%,分别提升了 8.5%、12.8%、0.115%。随着煅烧温度的增加,试件线收缩率逐渐增加,当温度

关键词：粉煤灰-矿渣地聚合物碳纤维纳米SiO2 力学性能耐高温性能

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