关键词:
工业固废
地聚物
注浆材料
响应曲面
注浆堵水
摘要:
目前我国主要使用的大部分注浆材料都是水泥基或水泥-水玻璃基浆液。但是,其存在成本较高、制备水泥所需的原料为非再生型,极易引起环境的污染和其他问题。针对上述情况,本研究利用大宗固体废弃物磷石膏作为主要掺合料,通过复掺矿渣和粉煤灰,利用生石灰激发剂,研制了一种新型的注浆材料。在此基础上,采用单因素及响应曲面实验,研究地聚合物浆体的流动性、凝结时间、抗压强度等性能参数,确定地聚合物浆体的配合比,并建立相应的回归模型。同时,探索材料的宏观性质与其微结构的内在联系,揭示其水解-聚合反应机制。开展不同孔隙介质的注浆堵水模型试验,为制得的地聚物注浆材料在实际工程应用中提供参考。主要结论如下:
(1)以磷石膏、矿渣、粉煤灰为原料,利用生石灰的碱性激发效应,研制出了一种新型的地聚物注浆材料。研究了在不同磷石膏掺量、生石灰掺量和液固比的条件下,地聚物注浆材料的析水率、流动度、凝结时间的影响和在不同养护龄期下的地聚物注浆材料抗压和抗折强度的力学特征参数。蒸馏水浸泡180d后,PG60试样浸出液的有害金属元素浓度低于国家污水综合排放标准。
(2)经过优化配比后,在此基础上,采用响应曲面方法,构建磷石膏-矿渣-粉煤灰地聚物注浆材料的二次多项式数学模型,其回归系数R2均在0.99以上,表明所建模型是合理的,拟合效果良好。确定了地聚物注浆材料的最佳配比:磷石膏掺量51.75%、生石灰掺量4.17%和液固比0.34。
(3)通过XRD、FTIR和SEM-EDS分析了不同磷石膏掺量、生石灰掺量和液固比的条件下的地聚物注浆材料的物相成分、表面微观形貌和元素组成、化学键能的变化规律,揭示了地聚物注浆材料结石体的水解聚合机理。
(4)利用得到的最佳配比制备固化剂,对不同孔隙介质(饱和与非饱和)进行原位固化试验,并与水泥固化的无侧限抗压强度进行对比;固化剂对不同孔隙介质(饱和与非饱和)固化后养护28 d的固结体的渗透系数为0.75×10-7-17.84×10-7cm/s(非饱和)和2.76×10-7-21.78×10-7 cm/s(饱和)。
(5)设计简易的模拟实验装置,将注浆配方应用于模拟不同孔隙介质地层(碎石、粗砂、细砂、砂土和淤泥),得出浆液的孔隙水压力和堵水率的变化特点,评价结石体的抗渗性。