全尾砂胶结充填技术可实现矿产资源的安全开采和矿山固体废弃物的绿色处置,但全尾砂难胶结,其胶结体易产生弱结构面和微裂隙,导致失稳事故频发。本文利用某铜矿全尾砂实验,生物质灰作为改性材料调控凝胶体系钙硅比,优化凝胶物相组成,填充强化薄弱凝胶结构,调控全尾砂胶结体力学行为。论文为突破全尾砂难胶结瓶颈问题,降低胶结充填成本,提供理论依据和技术支撑。本文研究成果如下: (1)利用单轴抗压强度与抗拉强度测试研究了不同生物质灰部分替代水泥量下胶结尾砂充填体(CTB)力学性能的演化规律。CTB的单轴抗压强度和抗拉强度先增加再降低,破坏程度先降低再提高,拐点为生物质灰替代量为3wt.%。CTB的单轴抗压强度最大提高率为43.27%,抗拉强度最大提高率为80%,出现于生物质灰替代量为3wt.%。 (2)利用单轴抗压强度与抗拉强度测试研究了不同质量浓度下掺生物质灰CTB力学性能的演化规律。质量浓度由66%提高至72%时,CTB的单轴抗压强度和抗拉强度增加,生物质灰对CTB单轴抗压强度和抗拉强度增强效果在总体上呈现提高趋势,破坏程度降低。CTB的单轴抗压强度最大提高率为21.38%,抗拉强度最大提高率为14.46%,出现于质量浓度72%。 (3)利用微观试验研究了不同生物质灰部分替代水泥量和质量浓度下CTB水化产物生成量的变化规律。CTB水化产物主要为水化硅酸钙(C-S-H凝胶)、钙矾石(AFt)和氢氧化钙(CH),水化产物C-S-H凝胶和AFt生成量先增加再减小,CTB内部孔隙尺寸和数量先减小再增加,拐点为生物质灰替代量为3wt.%,水化产物CH生成量随着生物质灰替代量的增加而降低。水化产物C-S-H凝胶、AFt和CH生成量随着质量浓度的增加而增加,CTB内部孔隙尺寸和数量呈现相反规律。 (4)生物质灰替代量为0wt.%增加至3wt.%,胶凝体系的Ca/Si比由1.661降低至1.491,生物质灰中的活性Si O₂消耗部分水化产物CH,促进生成更多的C-S-H凝胶,填充CTB内部孔隙,CTB力学性能提高。 (5)生物质灰替代量为3wt.%增加至5wt.%,胶凝体系的Ca/Si比由1.491降低至1.386,水化产物生成量随着水泥掺量减少而减小,生物质灰中的活性Si O₂消耗部分水化产物CH,促进生成的C-S-H凝胶数量减少,且CTB内部存在未反应的生物质灰活性Si O₂,相当于骨料含量增加,灰砂比降低,水化产物未能完全包裹粘结尾砂颗粒,CTB力学性能降低。随着质量浓度提高,CTB内部粘度增加,颗粒沉降速度降低,促进颗粒均匀分布,有利于生物质灰的火山灰活性发挥作用。