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改性河湖泥沙胶凝复合材料力学性能试验研究

改性河湖泥沙胶凝复合材料力学性能试验研究

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作者：柴枭雄华北水利水电大学

学位级别：硕士

河道湖泊中淤积泥沙的处理是世界性难题,大量的泥沙淤积会影响河流的泄洪和通航能力,给沿岸的农业生产、生态环境和社会带来不利影响,清淤后淤泥的露天堆放不仅会造成土地资源的浪费,还会带来严重的环境污染问题。本论文以河道淤积泥沙... 详细信息

河道湖泊中淤积泥沙的处理是世界性难题,大量的泥沙淤积会影响河流的泄洪和通航能力,给沿岸的农业生产、生态环境和社会带来不利影响,清淤后淤泥的露天堆放不仅会造成土地资源的浪费,还会带来严重的环境污染问题。本论文以河道淤积泥沙为原材料,研究了泥沙在不同改性剂、不同掺合料、不同养护条件改性后的力学性能和抗蚀性能,探索了使用改性河湖淤积泥沙研制防汛石材的可能性。并借助激光粒度分析、力学性能分析、X射线衍射分析(XRD)、热重分析(TG-DTG)及扫描电子显微镜分析(SEM-EDS)等测试对改性泥沙复合材料的力学、微观结构与反应产物等进行了分析。研究内容和结果如下:(1)以小滦河泥沙为原材料,硅酸钠溶液、生石灰、NaSO为改性剂对泥沙进行胶凝改性。改变硅酸钠溶液模数,生石灰、NaSO的掺量和养护条件,探究改性泥沙试件抗压强度变化规律和抗蚀性能。结果表明:改性泥沙试件抗压强度随硅酸钠溶液模数的减小而提高,模数过低会出现碱析出现象;在一定范围内,改性泥沙试件的抗压强度随生石灰掺量的增加而增加;硫酸盐类改性剂会引起试件崩解;自然养护和标准养护对试件抗压强度的影响差别不大,泡水养护会削弱试件后期强度,高温养护可以明显改善改性泥沙试件的力学性能。不加掺合料时改性泥沙试件在生石灰掺量10%,养护龄期为60d时抗压强度达到最高6.21MPa,且具有一定的耐水耐酸碱性能。(2)确定改性剂最佳掺量后,在泥沙复合材料中分别单独加入矿粉、粉煤灰、赤泥、煤矸石四种掺合料,探究掺合料种类、掺量对改性泥沙试件抗压强度和抗蚀性能的影响。结果表明:掺合料的加入能够大幅度提高改性泥沙试件的抗压强度,在一定范围内,抗压强度随着掺合料掺量以及养护龄期的增加而增加,其中矿粉对抗压强度促进作用最佳。加入掺合料后,改性泥沙试件在矿粉掺量30%,养护龄期为90d时抗压强度达到最高34.12MPa,远高于无掺合料改性泥沙试件,其抗蚀性能也优于无掺合料改性泥沙材料。(3)为了少使用矿粉、粉煤灰而多用赤泥、煤矸石等工业废料,使用赤泥、煤矸石分别替代部分矿粉、粉煤灰,从而探究两种掺合料复掺对改性泥沙复合材料力学性能和抗蚀性能的影响。结果表明:掺合料复掺改性泥沙试件抗压强度随矿粉、粉煤灰用量的增加和赤泥、煤矸石掺量的减少而增加。且掺合料复掺改性泥沙材料的耐水耐酸碱侵蚀性能与掺合料单掺改性泥沙材料相似,相较于无掺合料改性泥沙复合材料有明显提升。掺合料复掺时,改性泥沙试件在矿粉掺量12%、赤泥掺量3%,养护龄期为90d时抗压强度达到最高22.51MPa,具备一定的耐水耐酸碱性能,满足作为防汛石材的条件。(4)XRD、TG-DTG、SEM-EDS测试结果表明,改性后泥沙的矿物晶相相较于原样钠长石和微斜长石衍射峰有所降低,且有新的方解石、水化硅酸钙衍射峰生成,加入掺合料后衍射峰变化更加明显;改性泥沙吸热峰变化相较于改性前在100℃-250℃时C-S-H凝胶和结合水分解质量损失有所增加;改性后泥沙试件产物为絮状C-S-H凝胶和Ca CO,提高了试件的致密性。

关键词：河湖泥沙胶凝改性力学性能微观机理

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膨润土改性凝胶防治煤自燃技术研发与应用

膨润土改性凝胶防治煤自燃技术研发与应用

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作者：刘杰中国矿业大学

学位级别：硕士

针对常规防治煤自燃的无机凝胶易粉化开裂、堵漏性能差的缺点,以钠基膨润土为基料,研制了一种具有双网络结构的防治煤炭自燃的膨润土改性凝胶,并对其胶凝特性、成胶机理、阻化性能和现场应用效果进行了分析,主要研究工作和结论如下:根... 详细信息

针对常规防治煤自燃的无机凝胶易粉化开裂、堵漏性能差的缺点,以钠基膨润土为基料,研制了一种具有双网络结构的防治煤炭自燃的膨润土改性凝胶,并对其胶凝特性、成胶机理、阻化性能和现场应用效果进行了分析,主要研究工作和结论如下:根据钠基膨润土晶体结构的特殊性,开展了对钠基膨润土胶凝改性的研究,确定了以Al(OH)、聚丙烯酸高分子聚合物、黄原胶以及木质纤维素为钠基膨润土胶凝改性的材料,通过正交实验以成胶时间为指标优选出最佳材料配比:钠基膨润土80%,聚丙烯酸有机高分子4.0%,Al(OH) 5.0%,黄原胶1.0%,木质纤维素10%。采用电子天平、旋转流变仪、同步热分析仪等,考察了膨润土改性凝胶的基本性能。结果表明,该膨润土改性凝胶热稳定性强,具有优良的吸水性、保水性及吸水再生性,且不干裂粉化;同时,具有剪切稀化以及良好的滞留特性,成胶时间可调、无毒无害,能够满足煤自燃防治需求。采用扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱、X射线衍射仪、比表面积及孔径分析仪,测试了钠基膨润土和膨润土改性凝胶的形貌、层间距、比表面积及孔径分布,分析了膨润土改性凝胶的成胶机理,并通过电子万能试验机测试了膨润土改性凝胶的抗压强度随固水比及固化时间的变化规律进行验证。结果表明,钠基膨润土晶层经Al中和电荷,削弱层间作用力,扩大层间距后,层间的Al与聚丙烯酸配位交联,在膨润土层间形成层间聚合物;同时,木质纤维素和黄原胶分子链上的羟基与聚丙烯酸通过氢键形成物理交联,在膨润土层间构建了双网络结构,网络结构中孔的数目增加,孔结构增多,增强了Si—O—Al键的稳定性,提高了屈服强度与抗压能力,改变了膨润土不易胶化固结的特性。采用煤自燃程序升温实验装置,以SSP煤、XT煤和HRXH煤为研究对象,测试了原煤及经膨润土改性凝胶处理煤样氧化过程中CO、交叉点温度变化规律,分析了膨润土改性凝胶对不同煤样的阻化效果,并与水玻璃凝胶及常规有机凝胶进行了对比分析。结果表明,膨润土改性凝胶对不同煤样均表现出较好的阻化效果,与水玻璃凝胶和常规有机凝胶相比,相同温度下CO释放量最少,交叉点温度明显滞后,对煤的阻化效果最佳。最后,在千秋煤矿+320 m水平新大巷东段顶板裂隙煤自燃火区开展了现场应用试验,注胶治理后火区的CO浓度由治理前的999 ppm快速降低到报警值以下,并且最终维持在0 ppm,治理效果明显;表明研发的膨润土改性凝胶对煤自燃火灾具有很好的防治作用。

关键词：煤炭自燃膨润土胶凝改性成胶机理火区治理

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