摘要
煤矸石是煤炭开采和加工过程中排放的废弃物，每年仍以亿吨以上的速度递增，煤矸石的排放、堆积已经对环境造成了严重的不良影响，因此资源化利用煤矸石意义重大。地聚物是一种新型无机非金属胶凝材料，通过固体硅酸盐或硅铝酸盐粉末与碱金属氢氧化物/碱性硅酸盐的反应合成，具有原材料来源广泛、工艺简单、能耗少、环境污染小等优点，被我国列为符合国家十二五规划的节能减排材料。煤矸石的主要矿物成分也是硅酸盐或硅铝酸盐，可以做为制备地聚物的原材料。本文研究利用煤矸石等煤炭废弃物为原材料制备煤矸石基地聚物和地聚物混凝土，基于智能算法对地聚物混凝土的强度和配合比分别进行预测和优化，并采用有限元方法研究地质聚合混凝土构件的高温性能。本文主要研究工作如下: 1.采用氢氧化钠与碳酸钙混合制备的碱性干粉激发剂替代传统氢氧化钠溶液激发剂，并与煤矸石、粉煤灰和标准砂混合，提出了煤矸石基地聚物胶凝材料的制备方法。与传统碱性溶液激发剂相对比，研究了碱性干粉激发煤矸石基地聚物的凝结时间、吸水率、抗压强度等基本特性;揭示了干粉激发剂中氢氧化钠和碳酸钙用量对地聚物试件的吸水率、抗压强度的影响规律，分析获取了重要量化参数;分析了养护时间和养护温度对煤矸石基地聚物基本性能的影响规律;揭示了干粉激发煤矸石基地聚物的聚合机理。 2.采用碱性干粉激发剂、煤矸石、粉煤灰等原料制备煤矸石基地聚物混凝土，采用混凝土力学试验方法研究了其抗压强度、抗折强度等基本力学性能，对比分析了普通混凝土、不同激发方式煤矸石基地聚物混凝土基本力学性能的发展规律;研究分析了养护温度、养护时间、水胶比、砂率等因素对碱性干粉激发煤矸石基混凝土基本力学性能的影响规律，分析得到了碱性干粉激发煤矸石基混凝土的最佳养护温度、最优水胶比和最优砂率范围。 3.采用支持向量机和改进的布谷鸟算法预测煤矸石基地聚物混凝土的抗压强度。提出了引入正交交叉算子改进布谷鸟算法，并对支持向量机的参数进行寻优的预测算法。构建了基于氧化物含量的煤矸石基地聚物抗压强度预测模型:其中将煤矸石基地聚物混凝土原材料中的氧化物含量作为输入参量，混凝土的抗压强度作为输出参量。通过对预测结果进行分析，得到了煤矸石基地聚物混凝土抗压强度随原料中主要氧化物含量变化的发展规律。 4.采用智能优化算法研究了煤矸石基地聚物混凝土的配合比优化。提出了采用切比雪夫混沌映射对引力搜索优化算法进行修正，推导得到了修正的引力搜索算法的优化公式。在保证强度与和易性的前提下，以经济成本最小化为目标，建立了不同强度等级煤矸石基地聚物混凝土进行配合比优化的框架，通过优化结果分析，揭示了不同强度等级地聚物混凝土的成本变化规律。 5.采用有限元方法研究了煤矸石基地聚物混凝土梁的高温特性。建立了不同截面尺寸煤矸石基地聚物梁的有限元模型，研究了地聚物混凝土梁不同高温作用下的温度分布和变形;在不同高温工况下，研究了不同混凝土保护层厚度对地聚物混凝土梁的开裂荷载和极限荷载变化的影响规律;揭示了煤矸石基地聚物混凝土梁在高温时的变形、承载能力等特性的变化规律。
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