粉煤灰充填材料早龄期物理力学特性及其水化过程分析

针对粉煤灰充填材料早期强度低、变形量大、流动性差、泌水严重等缺陷,基于电阻率法和力学特性测试法研究3种配比粉煤灰充填材料早龄期的体积电阻率、孔隙溶液电阻率、单轴抗压强度和弹性模量随时间的变化规律;结合充填材料初始孔隙度和1 d孔隙度的测试结果,对孔隙度随时间的变化规律作进一步分析。结果表明:(1)材料的体积电阻率随时间呈升高、降低、再升高的变化规律,孔隙溶液的电阻率随时间呈先急剧下降后趋于稳定的变化规律,但材料的电阻率变化在时间上和数值上受粉煤灰掺量的影响;(2)材料的单轴抗压强度和弹性模量随水化时间的延长而增大,随粉煤灰掺量的增加而降低;(3)材料的孔隙度随水化时间的延长呈负指数规律降低,随粉煤灰掺量的增加先降低后增加;(4)在水化后期,材料的单轴抗压强度和弹性模量与其体积电阻率呈对数相关;(5)材料早龄期的水化过程可分为吸附期、溶解期、凝结期和硬化期4个阶段。研究结果为进一步了解、改善粉煤灰充填材料早龄期的物理力学特性和实现材料特性的无损检测提供了一定的理论与应用参考。

粉煤灰充填材料管道输送弯管局部阻力数值模拟

采用Fluent(3D)从充填材料浓度、细矸石率、流速、管道内径及弯管曲率半径等5个方面对粉煤灰充填材料弯管局部阻力进行了数值模拟。结果表明:弯管局部阻力随充填材料浓度、细矸石率及流速的增加呈多项式规律增加,随管道内径和弯管曲率半径的增加呈多项式规律减小。不同因素对局部阻力影响程度的主次排序为:浓度>管道内径>细矸石率>流速>弯管曲率半径。研究结果为实际工程中的粉煤灰充填材料的配比及管道输送参数优化提供了参考。

粉煤灰基胶结充填材料基本性能的实验研究

掌握粉煤灰基胶结充填材料的基本性能有利于其合理应用。以水、粉煤灰为主要原料,制备粉煤灰基胶结充填材料,通过实验分析材料抗压强度、凝结时间、流动性及显微结构。结果表明:粉煤灰基胶结充填材料具有速凝、早强、流动性好的性能。充填体高度越高,充填体顶、底部的抗压强度及凝结时间差异越大;灰浆和成浆的流动性与粉煤灰的活化时间密切相关;材料中钙矾石结构与石膏和石灰用量有关。袋式、挡板式充填开采工业试验结果证实,该材料是一种性能良好的采空区充填材料。

粉煤灰膏体充填材料水化放热特性的微量热测试与分析

采用TAM Air等温微量热仪对8种配比的粉煤灰膏体充填材料的水化放热速率和水化热进行了微量热测试与分析。结果表明:粉煤灰膏体充填材料水化放热速率明显表现出起始、诱导、加速、快速降速、缓慢降速和稳定等6个阶段;随粉煤灰和煤矸石掺量的增加,水化诱导和加速阶段时间延长、但放热速率和水化热降低;在所测材料配比范围内,水胶比对水化放热速率无明显影响,而添加剂仅加速了水化诱导阶段的水化放热速率。基于测试结果,在不考虑与外界热交换的理想条件下,计算出纯水泥、水泥∶粉煤灰=1∶3+添加剂和水泥∶粉煤灰∶煤矸石=1∶3∶5+添加剂等3种材料充填体7 d温度升高的理论预测值分别为69,22.9和10℃。

粉煤灰膏体充填材料水化动力过程与水化机制

明确粉煤灰膏体充填材料的水化动力学特性及胶结过程演变机制,有助于剖析充填材料早期强度低、变形量大及泌水严重等缺陷存在的原因,进而为科学调控充填材料结构形成过程和合理制定充填工艺参数提供指导。本文采用TAMAir等温微量热仪测定充填材料的水化放热速率和放热量,基于Krstulovic-Dabic水化动力学模型,计算充填材料的水化动力学参数,对水化动力过程各阶段的变化特征进行分析。利用水泥水化建模软件模拟了充填材料在不同水化程度下的水化过程,并对水化机制作进一步解释。结果表明:充填材料水化动力过程可通过结晶成核与晶体成长(NG)、相边界反应(I)和扩散(D)进行描述。水化初期NG过程控制水化反应的进程,随着水化程度的提高逐渐转变为由I过程和D过程控制。与纯水泥水化动力过程变化特征相比,充填材料水化动力过程的转变则需要更高的水化反应程度。水化过程模拟结果为描述和探讨粉煤灰充填材料的水化特征与微结构演变提供了有益参考。通过对粉煤灰膏体充填材料水化机制的研究,揭示了充填材料结构及其形成过程的一般规律。