加气混凝土相变充填体强度及热学特性研究_王晓军.pdf

第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023加气混凝土相变充填体强度及热学特性研究王晓军1，2，蒋旭1，2，王石1，2，赵奎1，2，张泽群1(1江西理工大学 资源与环境工程学院，江西 赣州 341000;2 江西理工大学 江西省矿业工程重点实验室，江西 赣州 341000)摘要:为降低深部矿山高温热灾害影响，研发了适用于矿山领域的石蜡 加气混凝土复合相变材料(AAC-PCM)，将其按照不同质量掺入尾砂充填体中制成加气混凝土相变充填体。为探究相变充填体的强度特征和热学性能，对掺入不同含量 AAC-PCM 的充填体进行了力学试验、导热系数试验、SEM、DSC 等测试。研究结果表明:添加 AAC-PCM 增大了充填体的孔隙率，导致充填体强度随 AAC-PCM 的添加而逐渐降低，但强度降低幅度逐渐减弱;AAC-PCM 的相变起始温度为 2475，峰值温度为 3338，相变焓值为 4071 J/g;添加复合相变材料充填体的导热系数最大降幅达 30%，比热容升高约 314%;添加少量的 AAC-PCM 可以显著提高充填体的储热能力，且具有良好的强度，满足矿山实际使用。关键词:充填体;抗压强度;相变材料;导热系数中图分类号:TD853文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0391-09Study on Strength Characteristics and Thermal Properties of AutoclavedAerated Concrete Phase Change Heat Storage BackfillWang Xiaojun1，2，Jiang Xu1，2，Wang Shi1，2，Zhao Kui1，2，Zhang Zequn1(1School of esources and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou，Jiang Xi，341000，China;2Jiangxi Key Laboratory of Mining Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou，Jiang Xi，341000，China)Abstract:In order to reduce the impact of high temperature thermal hazards in deep mines，paraffin-autoclavedaerated concrete composite phase change material(AAC-PCM)，was developed for mining applications and mixedinto the tailing sand backfill in different masses to make autoclaved aerated concrete phase change thermal storagebackfill Investigatethestrengthcharacteristicsandthermalpropertiesofthethermalstoragebackfill，mechanical tests，thermal conductivity tests，SEM and DSC tests were carried out on the backfill mixed with differentresulting in a gradual decrease in the strength of the composite thermal storage backfill with the addition of AAC-PCM，but the decrease in strength gradually decreases The maximum reduction in thermal conductivity was 30%and the specific heat capacity increased by about 314%Doping a small amount of AAC-PCM can significantlyimprove the thermal storage capacity of the backfill and has good strength for practical use in minesKeywords:backfill;compressive strength;phase change material;thermal conductivity收稿日期:2022-12-09(修改稿)作者简介:王晓军(1979)，男，山西晋中人，博士，教授 主要从事岩石力学、采矿工程等领域的教学与科研工作。E-mial:xiaojun7903 126com通讯作者:王石(1987)，男，河南济源人，博士，副教授 主要从事采矿工程领域的教学与科研工作。E-mia:sxp9612 126com基金项目:国家自然科学基金(51804134);江西省自然科学基金(20192BAB206018);江西省研究生创新专项资金项目(YC2021-S552);江西省“双千计划”科技创新高端人才项目(jxsq2019201043);江西省青年井岗学者奖励计划(QNJG2018051)0引言当今，充填采矿法已成为深部采矿控制地压与减少排放的主要技术1。除深部开采地温热害之外，采场胶结充填体也是又一热源释放点2。面对深井热害，常用的防治措施主要有增大通风3、辅助制冷4、阻隔热源5 等。对于深部矿山，通风、隔热等方式无法有效降温;部分深部矿山采用了矿山空调技术对井下降温，但此方法系统复杂，维护成本较高6-8。深部矿山需要一种简单高效的 降 温 方 式，其 中 加 入 相 变 材 料(phasechange material，PCM)后的功能性充填体可根据环境温度控制充填体吸放热9，具有节能、稳定等特点。以 PCM 为蓄热/储热材料，加入充填材料中，与尾砂、水泥和水制成相变充填体，通过 PCM 吸收充填体水化热和围岩中的热量发生相变实现井下降温功能10。现阶段 PCM 主要应用在建筑领域中，国内外的许多学者都做出了相关研究。PCM 在实际使用发生相变的过程中会产生泄露，通常以多孔材料吸附 PCM 制 备 性 能 稳 定 的 复 合 相 变 材 料11。Shadniaa 等12 使用惰性微胶囊粉末包裹 PCM 并加入砂浆中，通过 SEM、DSC、立方体模型测试等实验，评估掺入 PCM 在控制砂浆流动、热流、内部温度控制方面的有效性。Kima 等13 研究了含复合相变材料的水泥砂浆的水化过程，结果显示水化放热峰值和释放时间均延迟了 5%。孔德玉等14 制备了相变陶粒，加入水泥浆料中可以有效抑制水泥砂浆的水化放热。PCM 的添加可以有效降低水泥砂浆的水化热，应用在充填采矿中还需考虑对强度的影响。对于 PCM 在充填体中的应用，目前主要研究对热学性能的改善和强度的影响。金爱兵等15 通过质量替换法将复合相变材料替代一定量的尾砂后制备相变储能充填体，研究了 5%、10%添加量对充填体强度与导热系数的影响。结果表明:PCM添加量为 5%，充填体的导热系数降低约 65%;添加量为 10%，充填体导热系数相比普通尾砂充填体增加了约 35%，导热系数没有随着 PCM 的添加而降低。充填体强度随着 PCM 的添加而降低，添加量为 15%时，抗压强度、抗拉强度分别降低了510%、542%，强度降低幅度过大。夏湘等16 利用蓄热材料制备了尾砂基相变蓄热砂浆，研究了5%、10%蓄热材料对充填体比热的影响。发现蓄热材料由 0%增加到 10%，充填体的比热增大约9%，抗压强度降低了 2326%。PCM 应用在矿山充填领域中，在吸附围岩热量和减少水化放热的同时，充填体的强度要能够满足采场的稳定性。因此，在制备具有储热功能的充填体时，应尽量减小对于强度的影响，并进行强度变化的机理分析，探究强度与 PCM 添加量的关系。石蜡作为常见的相变材料，具有经济、相变潜热高、相变温度可控的特点，可作为矿山充填储热材料。谷亚新17 将固 液石蜡熔融混合后制备了低相变温度的复合石蜡，改变混合比例控制复合石蜡相变温度。石蜡直接掺入充填体中使用会发生泄露、过冷，降低相变潜热的同时影响充填浆料水化凝固过程。随着近年来我国建筑行业的发展许多建 筑 被 拆 除，加 气 混 凝 土 砌 块(autoclavedaerated concrete，AAC)作为其中产生的建筑垃圾没有得到重复利用。加气混凝土砌块具有一定抗压性，标准强度约为 35 MPa，还具有轻质、多孔、导热系数低的特点18-19，可作为相变材料的载体。以建筑废料中的加气混凝土为复合相变载体，石蜡为相变材料，通过真空吸附法制备复合相变材料;将复合相变材料掺入充填浆料中制备标准充填体试件。试验采用差式扫描量热仪(DSC)测试复合石蜡的相变温度与焓变，选择适合矿山使用的复合石蜡。采用单轴压缩、巴西劈裂实验测试充填体的抗压、抗拉强度，通过扫描电子显微镜、核磁共振实验研究复合相变材料对充填体微观结构和孔隙率的影响，分析强度变化的机理。利用导热系数测定添加复合相变材料后充填体导热系数、比热容的变化，得到复合相变材料对充填体热学性能的影响规律。本研究对于复合相变材料提高充填体热学性能和影响强度机理具有借鉴意义，在实现储热功能的同时保证强度要求，为复合相变材料在矿山领域的利用奠定基础。1试验方案11试验原料52#固体切片石蜡、液体石蜡:沸点 300 500 /760 MMHG，密度 08270860 g/mL。尾砂选 用 江 西 省 某 铜 矿，含 水 率 2%。采 用Winner2000 激光粒度分析仪测试尾砂的粒径分布，结果如图 1 所示。尾砂的 d10为 60 m，d50为6841 m，d90为 22665 m(d10、d50、d90代表累计粒度分布百分数达到 10%、50%、90%时尾砂的293地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷图 1尾砂粒径分布图Fig1Particle size distribution curve of tailings粒径)。尾砂的化学组分采用 X 射线荧光分析测定仪测定，结果如表 1。加气混凝土砌块:使用破碎机加工成粒径为 25 mm 颗粒。实验选用 PO425 普通硅酸盐水泥。试验主要流程与研究方法如图 2 所示。12复合石蜡的选择开采深度达到 800 m 的矿山围岩温度约为40 45 20，52#固体石蜡的相变温度约为50，高于深部开采井下环境温度，因此，采用固体石蜡与液体石蜡熔融混合的方式，制备相变温度区间和相变潜热适用于深部矿山井下降温的复合石蜡。当复合石蜡中固体石蜡含量低于 40%时，相变潜热较低，实际应用时吸热降温效果 较差21-22。结合相关研究成果与矿山现场环境，确定试验研究的复合石蜡其固体石蜡掺量分别为90%、80%、70%、60%、50%、40%。表 1尾砂主要化学组成(单位:%)Table 1Composition chemical of the main elements of tailings(unit:%)SiO2CaOMgOAl2O3FeSPbMnFKPCu3302156818225610374550009 50085008003700490065图 2试验流程图Fig2Process flow of the experiment121步冷曲线步冷曲线是样品加热至熔融状态冷却过程中温度的变化曲