以含硫尾砂为骨料的胶结充填体随着养护龄期的延长会出现明显的膨胀现象,有时甚至会出现酥松或崩解,致使充填体强度急剧下降,直接导致充填体失稳,给安全生产带来巨大隐患。本文以含硫尾砂胶结充填体为研究对象,探究不同含硫量尾砂的充填体试件膨胀及强度特性,分析其膨胀的化学机理,并进行充填体荷载破坏的损伤本构模型研究,为含硫充填体膨胀灾害控制提供理论基础。具体研究内容如下:(1)基础试验与理论分析。全尾砂物理性质、化学成分和级配测试表明,尾砂含硫量约4%,粒度较细、渗透性差、级配良好。研究了硅酸盐水泥的水化机理、水泥基材料硫酸盐侵蚀机理,对比分析含硫充填体硫化侵蚀与其的异同,探究含硫充填体膨胀、开裂、崩解的化学机理和破坏模式。(2)室内配比试验,探究含硫充填体的膨胀及强度特性。以含硫量、料浆浓度、水泥用量、养护龄期4个参数为影响因素,并设置了5个水平,再以标准养护条件下的充填体膨胀率、单轴抗压强度为判别指标进行正交试验。(3)利用极差分析法获得充填体膨胀率影响因素优先级,养护初期(14d)为:水泥用量>料浆浓度>含硫量;养护28d至120d为:水泥用量>含硫量>料浆浓度。利用多元线性回归方法建立了充填体膨胀率的预测模型,描述充填体膨胀规律。为更高精度的预测充填体膨胀率,尝试支持向量机(SVM)方法并实现了对充填体膨胀率的有效预测。(4)含硫充填体膨胀化学机理分析,借助X衍射分析法(XRD)对不同硫含量、水泥用量、养护龄期充填体粉末进行对比分析。XRD衍射图谱显示,各对比组的石膏、钙矾石、水化硅酸钙等晶体衍射特征峰会有明显不同。揭示了含硫充填体膨胀的化学机理:因硫(化物)转化为硫酸根并形成侵蚀效应,生成石膏、钙矾石等膨胀晶体,致使充填体产生内应力,同时消耗部分水化硅酸钙降低骨料间的粘结程度,从而造成充填体的开裂崩解。(5)分析充填体强度数据,养护初期(14d)其强度值较低,与水泥用量、料浆浓度间呈正相关,与硫含量呈先降后增的趋势。养护28d及以后,部分充填体试件表面出现裂纹等明显缺陷,同配比的试件试验获得的抗压强度数据十分离散,已不能通过试验手段有效获得其抗压强度。(6)含硫充填体损伤本构模型研究,取试件规整、表面无明显缺陷试件的单轴抗压全应力——应变曲线为研究对象,推导基于Weibull强度理论的损伤本构模型并修正,使之更符合含硫充填体单轴荷载下变形破坏规律。