【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及计算材料科学，具体涉及一种温度效应下胶结充填体水化动力学模型构建方法。
技术介绍
1、针对深部资源开采现代化所面临的挑战，充填采矿法因其低贫损、低成本、利用废弃物、有效控制地压等优势在深部采矿中备受关注。在充填采矿法中，胶结充填体作为地下采场中的关键部位甚至永久组成部分，其性能对于控制回采过程中采场地压及维护地下采场结构的长期稳定至关重要。胶结充填体的强度显现主要是依靠胶凝材料的水化反应，产生胶凝状水化硅酸钙及氢氧化钙等水化产物，进而迅速凝固成为具有一定强度的固结体。众所周知温度对水化反应敏感性较强，在深部环境极有可能对充填体特性产生直接影响。
2、胶结充填体属于一种复杂的内部多孔的人工复合型材料，其内部结构中胶凝材料水化产物与尾砂两相呈现不均匀分布，使得内部结构呈现明显的不均匀特征，微观结构差异较大。温度的改变将对充填体的水化反应速率、水化产物及内部孔隙结构等造成明显的影响。为确保充填法在深部开采中安全应用，需重点掌握不同养护温度下胶结充填体的水化机理。水化动力学研究主要是对水化反应速率进行描述，依据动力学研究能够准确揭示水化反应过程中的宏观和微细观机理及关联，动态解释水化反应过程中的内因和外因。因此研究胶结充填体的水化动力学特征能从本质上解释充填体宏观性能的形成及内部结构的损伤破坏机理。
3、现有技术主要是针对胶凝材料、复合胶凝材料等方面的水化动力学分析，如公开号为cn110853107a的中国专利，提出了基于颜色变化数值计算碱激发矿渣材料水化动力学的方法；存在的缺陷是测试方法较为复杂，
4、公开号为cn109903819a的中国专利，提出了一种硅酸盐水泥复合胶凝材料水化动力参数的分析方法；存在的缺陷是无法准确表达水化反应过程中微观与宏观现象之间的关联特性，且当水化放热量较低时采用该专利进行计算误差较大。
5、不同于胶凝材料水化反应，胶结充填体由于其内部尾砂所占比重较大，一般可占固体质量的80%以上。而尾砂属于惰性材料不参与水化反应，胶凝材料分布于惰性材料中从而使其发生的水化过程出现差异，因此采用胶凝材料水化分析方法已不再适用。
6、现有的研究中缺乏对胶结充填体的水化动力学方面的分析。
技术实现思路
1、为了克服以上现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种温度效应下胶结充填体水化动力学模型构建方法，该方法能够准确揭示水化反应过程中的宏观和微观机理及关联，具有水化特征分析准确、普适性强的特点。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
3、一种温度效应下胶结充填体水化动力学模型构建方法，包括以下步骤；
4、步骤1：选取胶凝材料、尾砂、水作为胶结充填体的制备材料，进行胶结充填体室内水化热实验，测定20-60℃条件下胶结充填体水化放热量及放热速率；
5、步骤2：采用边界成核-生长模型进行水化热实验结果验证，并计算不同温度下水化产物成核速率iv、恒定法向生长速率g值；
6、步骤3：改变恒定法向生长速率为变法向生长速率，引入成核速率影响因子i0、成核作用影响因子m0进行边界成核-生长模型修正，得到修正后的水化动力学模型；
7、步骤4：通过控制变量法计算修正后水化动力学模型的水化产物晶核法向生长速率及临界长度，并进行修正边界成核-生长模型准确性验证。
8、步骤1室内水化热实验通过等温量热法进行，实验仪器选用tam air八通道等温量热仪；
9、所述胶凝材料选用为42.5r普通硅酸盐水泥；尾砂为选矿后的废弃物，废弃物中的化学成分主要为二氧化硅和氧化铝，二氧化硅质量百分比占71.16%，氧化铝质量百分比占13.40%，其余为氧化钾等少量化合物（质量百分比低于5%）；废弃物经过烘干、碾磨后得到实验所用的全尾砂，全尾砂尺寸均小于1mm；水选用实验室内的自来水。
10、所述步骤1中胶凝材料与尾砂的质量比为1:6，以固体质量与总质量比值为70%的浓度配制浆体材料，固体质量为胶凝材料和尾砂，总质量为胶凝材料、尾砂和水，搅拌均匀后将浆体装入20 ml离心管中进行测试，测试时间控制7d；为避免初期测量过程中浆体升温缓慢现象，在搅拌前对材料和水均进行加热处理，保证材料温度与养护温度一致。
11、步骤2进行水化热实验结果验证时，在以42.5r普通硅酸盐水泥和全尾砂形成的固体颗粒的表面产生晶核；
12、发生水化反应时，生成的晶核基于固体颗粒以椭球体的方式向外生长扩散，当相邻晶核生长到相互接触时，所接触位置将停止继续生长。
13、边界成核-生长模型中，设定晶核的成核速率为常数iv；单位体积的晶核数量为nv；晶核的径向生长速率为g；考虑晶核为椭球体生长模式，设定切向生长速率与法向生长速率比值为g；
14、由于晶核在生长的过程中相邻晶核将产生接触现象，计算总面积过程中重叠区域被计算了两次，因此设定相邻晶核重叠致使总面积增量减小的百分比和实际生成的晶核总面积分数相等，通过对单个实际晶核面积为：
15、(1)
16、其中，s为实际晶核面积；x为距离成核面的距离；t为晶核生长的具体时刻；对实际晶核面积进行积分可得到整个空间内椭球的名义体积分数：
17、(2)
18、其中，ve为晶核的名义体积分数；sav为单位体积空间内的总成核表面积；为简化计算公式令x=ugt，则dx=gtdu；u 是设定的另一个变量；
19、类似的，由于晶核在生长的过程中相邻晶核将产生接触现象，计算过程中重叠区域体积计算了两次，因此设定相邻晶核重叠致使总体积增量减小的百分比和实际生成的晶核总体积分数相等，通过对名义体积分数进行积分得到晶核生长过程的实际总体积分数为：
20、(3)。
21、步骤2引入比例系数a，比例系数a为量化体积分数与水化放热量的定值，v为晶核生长过程的实际总体积分数，实现晶核体积分数与水化放热量q的定量表征关系为：
22、(4)
23、步骤2采用非线性曲线拟合软件1stopt5.0进行边界成核-生长模型中比例系数a、成核速率iv、法向生长速率g参数的拟合获取，通过参数计算得到模型理论曲线，同时进行实验曲线与模型理论曲线对比分析；
24、通过分析拟合结果得到的成核速率iv、法向生长速率g与养护温度间的相互关系，并采用养护温度进行成核速率和法向生长速率的量化表征。
25、所述步骤3中，引入成核速率影响因子i0对成核速率进行优化，成核速率影响因子的添加使得水化过程中的成核速率更正为贴近实际成核速率的定值，首先对成核速率进行优化，将胶结充填体在生长空间内的成核速率优化为：
26、(5)
27、其中，miv为修正后胶结充填体的成核速率；iv不同温度下胶结充填体的成核速率。
28、所述步骤3中，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种温度效应下胶结充填体水化动力学模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤；
2.根据权利要求1所述的一种温度效应下胶结充填体水化动力学模型构建方法，其特征在于，步骤1室内水化热实验通过等温量热法进行；
3.根据权利要求2所述的一种温度效应下胶结充填体水化动力学模型构建方法，其特征在于，所述步骤1中胶凝材料与尾砂的质量比为1:6，以固体质量与总质量比值为70%的浓度配制浆体材料，固体质量为胶凝材料和尾砂，总质量为胶凝材料、尾砂和水，搅拌均匀后将浆体装入离心管中进行测试；
4.根据权利要求3所述的一种温度效应下胶结充填体水化动力学模型构建方法，其特征在于，步骤2进行水化热实验结果验证时，在以42.5R普通硅酸盐水泥和全尾砂形成的固体颗粒的表面产生晶核，发生水化反应时，生成的晶核基于固体颗粒以椭球体的方式向外生长扩散，当相邻晶核生长到相互接触时，所接触位置将停止继续生长；
5.根据权利要求4所述的一种温度效应下胶结充填体水化动力学模型构建方法，其特征在于，步骤2引入比例系数A，比例系数A为量化体积分数与水化放热量的定值，V为晶核生长过
6.根据权利要求5所述的一种温度效应下胶结充填体水化动力学模型构建方法，其特征在于，所述步骤3中，引入成核速率影响因子I0对成核速率进行优化，首先对成核速率进行优化，将胶结充填体在生长空间内的成核速率优化为：
7.根据权利要求6所述的一种温度效应下胶结充填体水化动力学模型构建方法，其特征在于，所述步骤3中，将胶结充填体晶核的法向生长率G与水化时间定义为G()；自x时刻开始到t时刻晶核的法向长度a为：
8.根据权利要求7所述的一种温度效应下胶结充填体水化动力学模型构建方法，其特征在于，步骤3得到单位体积空间内胶结充填体的总成核表面积在其生长空间内的实际总体积分数为：
9.根据权利要求1所述的一种温度效应下胶结充填体水化动力学模型构建方法，其特征在于，步骤4修正后的水化动力学模型中包含五个参数：成核速率影响因子I0、成核作用影响因子M0、法向生长速率G、比例系数A1及参数B1；以边界成核-生长模型得到的结果为基础进行修正边界成核-生长模型计算；初始成核速率按照边界成核-生长模型分析进行计算；后续以初始成核速率为基础反算出法向生长速率与水化时间的对应值，再带入修正边界成核-生长模型中得到其余各参数值；
...【技术特征摘要】
1.一种温度效应下胶结充填体水化动力学模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤；
2.根据权利要求1所述的一种温度效应下胶结充填体水化动力学模型构建方法，其特征在于，步骤1室内水化热实验通过等温量热法进行；
3.根据权利要求2所述的一种温度效应下胶结充填体水化动力学模型构建方法，其特征在于，所述步骤1中胶凝材料与尾砂的质量比为1:6，以固体质量与总质量比值为70%的浓度配制浆体材料，固体质量为胶凝材料和尾砂，总质量为胶凝材料、尾砂和水，搅拌均匀后将浆体装入离心管中进行测试；
4.根据权利要求3所述的一种温度效应下胶结充填体水化动力学模型构建方法，其特征在于，步骤2进行水化热实验结果验证时，在以42.5r普通硅酸盐水泥和全尾砂形成的固体颗粒的表面产生晶核，发生水化反应时，生成的晶核基于固体颗粒以椭球体的方式向外生长扩散，当相邻晶核生长到相互接触时，所接触位置将停止继续生长；
5.根据权利要求4所述的一种温度效应下胶结充填体水化动力学模型构建方法，其特征在于，步骤2引入比例系数a，比例系数a为量化体积分数与水化放热量的定值，v为晶核生长过程的实际总体积分数，实现晶核体积分数与水化放热量q的定量表征关系为：...
【专利技术属性】
技术研发人员：张超，郭进平，陈阳，王小林，李泽琛，邱征，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：
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