水泥熟料的力学性能及粉碎机理研究

论文摘要

基于目前在水泥熟料粉碎领域中粉碎机理研究滞后于应用研究,制约着粉碎效率及能量利用率提高的现状,研究了单颗粒熟料在常温、高温、低温等条件下的破碎过程,探明了粉碎条件和粉碎行为之间的关系及不同温度环境下的粉碎机理,进而探索出了低能耗粉碎的新途径、新方法。试验中采用显微维氏硬度计和专利仪器固体材料动态弹性性能试验仪等设备测定了常温下水泥熟料的部分物理力学指标。采用自制冲击设备进行了多个角度下水泥熟料颗粒的冲击试验,分析了冲击曲线、声发射信号、冲击峰值力及冲击压痕形貌随冲击角度的变化情况。采用装有高温试验炉的液压试验机,在实验室制备水泥熟料,在水泥熟料降温过程中探究了水泥熟料载荷-位移曲线、弹性模量、单轴抗压强度随温度的变化。采用低温力学试验设备,研究了载荷-位移全过程曲线、峰值载荷、粉碎功耗随温度的变化情况。采用真实破裂过程分析方法,利用RFPA2D系统模拟了水泥熟料单轴压缩试验及剪切试验。通过研究,得出以下结论:（1）水泥熟料的维氏硬度为5.191GPa,断裂韧性为0.817MPa·m1/2,弹性模量为27.06GPa,并且熟料维氏压痕形貌中没有脆性材料的压痕裂纹出现,所以水泥熟料为准脆性材料。冲击粉碎试验表明,随着冲击角度的增大,冲击峰值力的平均值呈减小趋势,冲击峰值力-冲击角度曲线在75°时出现极小值点,水泥熟料粉碎的最优角度为75°。（2）高温试验表明,水泥熟料随温度的降低水泥熟料表现出明显的硬化特征。水泥熟料的弹性模量和抗压强度均随温度的降低而增大,温度低于1000℃后弹性模量急剧增大。1100800℃为水泥熟料的抗压强度降低的敏感温度范围。低温试验表明,温度高于-40℃时,随着温度的降低,水泥熟料的峰值载荷逐渐增大;温度低于-40℃时,峰值载荷随着温度的降低而急剧下降。综合载荷-位移全过程曲线、峰值载荷、粉碎功耗随温度的变化情况,可以认为-40℃为水泥熟料脆性转变温度,在-40℃以下进行粉碎作业时能起到节能降耗的效果。（3） RFPA2D系统数值模拟再现了弹性变形、裂纹萌生扩展、裂纹失稳扩展的破坏过程。结果表明,水泥熟料颗粒的数值模拟粉碎机理与真实试验得到的粉碎机理基本一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 物料粉碎国内外研究现状
• 1.2.1 水泥熟料粉碎机理
• 1.2.2 提高水泥熟料粉碎效率的途径
• 1.2.3 低温粉碎
• 1.3 温度对岩石力学性能影响的研究进展
• 1.3.1 岩石在高温下的力学性能
• 1.3.2 岩石在低温下的力学性能
• 1.4 声发射技术在岩石力学研究中的应用
• 1.5 本研究课题的来源及主要研究内容
• 第二章 水泥熟料常温力学试验
• 2.1 常规物理力学指标测试
• 2.1.1 维氏硬度测试
• 2.1.2 断裂韧性测试
• 2.1.3 弹性模量测试
• 2.2 冲击粉碎声发射试验
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 试样制备
• 2.2.3 试验仪器及试验方案
• 2.2.4 试验结果及分析
• 2.3 单颗粒压缩及能耗评价
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 试样制备
• 2.3.3 试验仪器及试验方案
• 2.3.4 试验结果及分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 水泥熟料高温力学试验
• 3.1 概述
• 3.2 试样制备
• 3.3 试验仪器及试验方案
• 3.4 试验结果及分析
• 3.4.1 水泥熟料样品成份分析
• 3.4.2 加载卸载曲线以及载荷－位移全过程曲线
• 3.4.3 温度对变形参数的影响
• 3.4.4 温度对抗压强度的影响
• 3.4.5 高温下水泥熟料的破坏形态
• 3.5 本章小结
• 第四章 水泥熟料低温力学试验
• 4.1 概述
• 4.2 试样制备
• 4.3 试验仪器及试验方案
• 4.4 试验结果及分析
• 4.4.1 低温水泥熟料成份分析
• 4.4.2 载荷－位移全过程曲线
• 4.4.3 温度对峰值载荷的影响
• 4.4.4 温度对粉碎功耗的影响
• 4.4.5 温度对水泥熟料微观结构的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 水泥熟料粉碎有限元模拟
• 5.1 概述
• 5.2 RFPA方法简介
• 5.3 RFPA软件简介
• 5.4 压缩试验有限元模拟
• 5.4.1 不同压缩角度试验有限元模拟
• 5.4.2 平板压缩试验有限元模拟
• 5.6 剪切试验有限元模拟
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文