磷矿是湖北省的优势矿产和特色矿产。近年来,随着磷矿山企业的快速发展,一方面形成了巨大的采空区；另一方面,由于磷石膏、磷矿渣等大量工业固体废弃物利用率不足10%,造成其大量堆积和存放,占用土地资源日趋增多,严重污染了自然环境。如何有效治理采空区和处置磷石膏等固体废弃物,已成为磷矿山企业迫切需要解决的问题,研发一种既能大量利用磷石膏又可充填磷矿山采空区的磷石膏基充填材料则很有实际意义。本文以磷石膏为骨料,粉煤灰、磷矿渣等工业固体废弃物为胶凝材料,在激发剂和外加剂改性作用下,以大量详实的实验数据为基础,开发制备出了一种新型的矿山充填材料-磷石膏基材料。通过大量配比优化及物化性能测试实验,优化了配比方案,并通过XRD、 SEM、压汞测试等微观实验,结合数学建模、数值模拟、三维仿真等手段,构建了磷石膏基材料的强度因子分析模型,揭示了其强度变化规律;分析了磷石膏基材料微观水化过程、反应机理、水化产物及微观结构的发展,定量研究了其粉煤灰的活性特征,构建了磷石膏基材料中孔结构与宏观性能的定量关系模型。论文的主要工作及结论如下：1、研发了一种以磷石膏为骨料、粉煤灰等为胶凝材料的磷矿山充填材料本文通过五轮、上千组的配比实验,制备出以磷石膏为主要充填骨料,粉煤灰为主要胶凝材料,磷矿渣或硅酸盐水泥为激发剂,生石灰和微量外加剂为改性剂,在适当的配比和养护条件下,可制备出不同抗压强度的磷石膏基材料,该材料根据配比和养护条件的不同,28d强度不同,其流动度、软化系数及安定性都表现不同。2、优化了磷石膏基材料的组分和最优配比方案(1)磷石膏基材料中粉煤灰为必须添加物,磷渣、矿渣、高炉渣均表现出一定的离析现象,离析程度依次为：高炉渣>矿渣>磷渣；(2)32.5水泥和42.5水泥相比,32.5水泥表现为早期强度强,42.5水泥表现为14天强度至28天强度翻两倍,但对于28天强度,相差不大；(3)生石灰和碳酸钠两者同时添加可以增加反应温度,但用水量过大,导致后期样品中水无法析出,因此激发剂确定为生石灰;(4)随着磷石膏用量的增加,磷石膏基材料的强度在不断减少：而粉煤灰、水泥,随着用量的减少,磷石膏基材料的强度也在不断减少；激发剂生石灰,随着其用量的减少磷石膏基材料的强度在增加；(5)外加剂的加入使得磷石膏基材料的抗压强度提高约40%；磷渣的加入降低了磷石膏基材料的流动性,但抗压强度却没有降低,因此磷渣加样前必须进行粉磨;(6)干养和湿养对磷石膏基材料的抗压强度影响较大,未加外加剂时,干养强度要远大于湿养强度,但添加外加剂后,干养强度较小于湿养强度：(7)综合考虑得出,使用70%-75%的磷石膏与8%-12.5%的粉煤灰复合,添加8.82%的磷矿渣或9.37%的硅酸盐水泥作为激发剂,在3%左右的生石灰和微量的外加剂改性作用下,可以制备出28d强度在2.1-4.8MPa的满足磷矿山充填要求的磷石膏基材料。3、构建了磷石膏基材料的强度因子分析模型,揭示了其强度变化规律(1)基于数学因子分析法,通过建立磷石膏基材料强度因子分析模型,将灰砂比、水灰比、密度、湿度、激发剂、外加剂、温度等7个错综复杂关系影响磷石膏基材料强度性能的变量,进行了线性分析,得出了各因子对强度影响的数学关系式,从而将其综合为数量较少的三个主因子。由模型计算可知,影响磷石膏基材料的强度性能因子有外加剂、灰砂比、水灰比这三个指标,且影响程度为外加剂>灰砂比>水灰比;(2)在强度因子模型基础上,结合霍夫模型推导得出了磷石膏基材料强度与其各组分体积和密度之间的定量关系,建立了强度规律数学模型,该模型定量的解释了磷石膏基材料、水泥、胶凝材料、水等各组成成分体积与密度之间的关系；(3)通过实验对两种磷石膏基材料体系进行了线性拟合,得出了相应的强度规律公式,建立了其强度规律模型,并同时验证了强度规律模型的适用性,得出了σ0、b值与灰砂比的线性关系式。4、揭示了磷石膏材料的微观水化过程及水化机理(1) ESEM研究表明,磷石膏基材料的主要物相有两部分组成：一部分是水化物相,它是由磷石膏基材料发生水化反应后的生成物,主要有钙矾石(AFt),Ca(OH)2,C-S-H凝胶等；另一部分是原状产物残留物相,即未参与反应或未反应完的物相,其中起主导作用的是水化物相；(2)在磷石膏基材料中,其矿物成分硅酸盐和铝酸盐对强度起主要作用,由SEM观察可得磷石膏基材料中含有C3S、C2S、C3A、C4AF、CA、C4ASH12六种矿物；(3)通过XRD、ICP-AES等对磷石膏基材料的化学结构、水化产物及矿物形成过程进行了分析研究表明,磷石膏基材料可看成是三相复合材料,第一相是磷石膏充填骨料与粉煤灰、水泥、高炉渣等胶凝剂凝胶相,该相为固相反应；第二相为毛细水,为液相；第三相为空气或气泡,为气相,其合成主要表现为固相磷石膏、粉煤灰和水泥熟料颗粒与液相石灰水激发溶液之间的固液两相反应；(4)测定了细度、颗粒分布及颗粒形貌,确定了Al、Si、Ca元素化学位移随结构环境变化的规律,研究了A1203和Si02对磷石膏基材料孔结构和颗粒形貌的影响,给出了水化反应化学式,揭示了其微观水化反应机理。5、定量研究了磷石膏基材料中粉煤灰的活性特征(1)基于Ca(OH)2解耦法和活性率法分别求解了磷石膏材料中粉煤灰的水化反应程度aF和ac值,对比aF和ac值可知其差值范围在0.10%-4.27%之间。(2)通过对抗压强度、龄期及温度对水化程度的影响分析可知,磷石膏基材料的抗压强度随着活性Al2O3、SiO2溶出量的增加呈线性递增趋势,80℃的高温加快了Si-O、Al-O、Si-O-Si、Al-O-Al等共价键断裂和磷石膏基材料中再聚合速度,也加快了磷石膏基材料中活性SiO2和Al2O3的溶出。6、构建了磷石膏基材料中孔结构与宏观性能的定量关系模型(1)以强度特性为主要变量,利用强度测试、微观实验、数学建模、数值模拟等手段,分析了磷石膏基材料中孔隙率、孔径分布及孔形貌与强度规律之间的关系,基于渗流理论建立了磷石膏基材料的三元强度模型及抗压强度与孔体积分数和形状因子的数学模型,即σP=σ0(1-∑βijSi)n,其比值与孔形状因子和体积分数大致符合幂律概率分布规律,即σP/σ0=AXBφ。(2)实验验证表明,磷石膏基材料在低含水量条件下水化不充分,孔隙压力大,易出现连通的大毛细孔和微裂纹,导致强度降低：不同掺量改变孔渗流作用,导致磷石膏基材料在3-200nm和200nm-8μm区间出现明显的孔隙分布峰；试件抗压强度与孔在三维空间出现渗流通路的临界点强度比随着水灰比的增加而降低。