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矿渣棉纤维长度与掺量对水泥基细尾砂充填体强度的影响

2023-11-23 47 上传者：管理员

摘要：为了研究矿渣棉纤维对细尾砂充填体强度特性的影响，开展压缩试验，探究了纤维长度、掺量和养护时间对充填体强度的影响规律，并结合结构损伤分析和微观图像对矿渣棉纤维的强度增强机理进行了探讨。结果表明：加入矿渣棉纤维使得试件的抗压强度增长，且在3～14 d养护龄期内充填体强度增长速度较快，14 d后趋于稳定；不同长度纤维对充填体强度的影响存在差异，中长纤维的强度增强效果最佳；随着纤维掺量的增加，强度指标呈现先增后减的现象，在纤维掺量为0.6%～0.8%时，强度达到最大值；当掺量过高时，纤维之间发生交缠和联结，形成团状聚集区，增加了充填材料内部局部区域的孔隙率，降低了试件抵抗变形的能力；矿渣棉纤维在胶结体中的桥接效应可抑制压缩裂缝的扩展，对试件破坏起到缓冲作用，从而增强了细尾砂充填体的强度性能。

关键词：
尾砂充填体
微观机理
抗压强度
矿渣棉纤维
破坏模式
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矿产资源是一种重要的自然资源，我国95%以上的能源储藏和80%以上的工业原料均来源于矿产资源[1]。为了提升矿产资源的开采率，深部采矿是当今矿业工程的必然发展趋势[2]。深部采矿面临复杂的地下环境，因此围岩的稳定性对井下巷道、硐室等地下工程的安全建设至关重要。充填体是深部采矿工程中最常用的材料之一，在封堵地下围岩裂隙、支撑顶板冒落和控制地压等方面有重要作用[3]。充填体的强度特性是确保采矿作业安全高效实施的重要保障[4]。然而，在复杂地下空间的环境因素影响下，充填体构筑物的强度可能会降低，甚至发生开裂变形的现象，从而引发围岩塌陷和突水突泥等重大灾害[5]。

近年来，有学者通过将不同类别的纤维掺入充填体或混凝土中以提高材料强度，取得了良好的效果[6,7]。随着我国固废资源化利用产业的升级，人们对废弃矿渣的回收利用愈发重视[8,9]。在1450～1500 ℃熔融温度下可以将废弃的矿渣熔制成液态，排除气泡后输送至多孔板，经高速离心拉丝法制成纤维[10]。目前，对矿渣棉纤维在水泥基材料中的应用已经取得了诸多成果。洪陆阔等[11]研究了纤维改性水泥砂浆的强度性能，研究表明添加纤维可显著提高试件的抗拉强度；杨贺等[12]将高钛矿渣棉纤维掺入到混凝土中，发现纤维掺量对砂浆流动度、抗压强度、弹性模量等材料特性有显著影响； ZHOU J J等[13]开展压缩试验，获得了矿渣棉纤维增强混凝土的规律，通过微观图像揭示了纤维的加筋机理；XUE G L等[14]探讨了矿渣棉纤维和钢纤维对水泥基充填体力学行为和微观形态的影响，发现掺量和养护时间对强度增幅存在较大差异。大量的研究表明，纤维可有效提升水泥基充填体的黏结程度，提高胶结体的界面附着力，抑制裂纹的扩展，进而充分发挥承载性能[15,16,17]。然而，目前对矿渣棉纤维增强细尾砂充填体强度的影响因素考虑得还不充分，相关研究成果也亟待丰富。

本研究以矿渣棉纤维为外掺料制备了充填体试件，并开展单轴压缩试验，探讨充填体强度特征在不同养护时间、纤维长度和掺量条件下的变化规律，结合微观图像揭示了矿渣棉纤维的作用机理，并提出了最优纤维掺量。

1、试样制备与测试方法

1.1 充填体制备

制备充填体的原材料包括细尾砂、硅酸盐水泥、粉煤灰和矿渣棉纤维。细尾砂采集于山东潍坊某尾矿库，该尾砂的干密度为2.64 g/cm3,堆积密度为1.42 g/cm3,孔隙率为32.9%。尾砂的粒度分布组成如图1所示，可以看出尾砂粒径主要集中在0.1～1.0 mm之间。尾砂的化学成分组成见表1。尾砂颗粒的主要化学成分为SiO2和Al2O3,具有作为充填体骨料的有利条件。粉煤灰材料来自燃煤发电厂，粉煤灰颗粒的比表面积为350 m2/kg, 密度为2.89 g/cm3,用小型球磨机将粉煤灰磨细。硅酸盐水泥颗粒的比表面积为349.5 m2/kg。矿渣棉纤维的相关技术指标见表2,该纤维具有优良的延展、力学和耐腐蚀性能。

采用干拌法添加纤维，首先将称量的尾砂、粉煤灰和水泥倒入行星搅拌机中；然后将纤维分批次加入搅拌机中干拌120 s, 加水搅拌5 min; 将搅拌后的料浆浇注至模具，同时用橡胶锤敲打模具至物料分布均匀；最后，将试件养护至一定龄期后拆模，并对试件进行单轴压缩试验。

图1 尾砂粒度分布组成

表1 原材料的化学成分

1.2 充填体的配比

为获得矿渣棉纤维增强充填体的最优配比，采用3种不同长度的矿渣棉纤维，并设定5种纤维掺量。充填料浆的水灰比为0.55、灰砂比为1∶2;纤维长度分别取3 mm、6 mm和9 mm, 记为短、中长和长纤维；纤维掺量分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%,16组因素水平设计见表3,F0为基准参照组。

表3 试验因素水平设计

1.3 试验方法

(1) 强度测试。

使用岩石单轴压缩试验机开展力学试验，试验机的加载速率设为0.25 mm/min, 试验前先进行预加载以消除承压板和试件之间存在的空隙。试件破坏后，采用高清晰度摄像机记录充填体试件的损伤特征。

(2) 扫描电镜试验。

试验前，在试块中心部位取5 mm×5 mm×2 mm薄片状样品，将样品放至无水乙醇中浸泡24 h, 对薄片进行镀金处理后放至扫描电镜观察切片的形貌。

2、结果分析与讨论

2.1 应力 - 应变曲线

对充填体开展单轴压缩试验，得到了不同矿渣棉纤维掺量条件下的试件应力- 应变关系和压裂破坏形态。以养护时间为28 d、纤维长度为5 mm的试件为例，由图2可以看出：随着试件应变的增大，未掺矿渣棉纤维的充填体大致经历了初始压密、弹性上升和峰后应力跌落3个阶段。掺入矿渣棉纤维的试件均经历了初始压密、弹性上升、塑性变形和应力跌落下降4个阶段。该现象说明纤维的掺入改善了试件的塑性变形性能，掺入适量矿渣棉纤维不仅能提高试件的强度，还可以改善材料的韧性。

图2 充填体试件的应力 - 应变曲线

2.2 压裂破坏形态分析

充填体中存在的初始微裂隙在荷载作用下发生扩展和汇集，从而形成了破坏裂纹。从图3(a)可以看出，试件的破坏表现为脆性张拉破坏，在压缩荷载作用下出现了一条倾斜于荷载方向的主裂纹，破坏区域有明显的开裂现象。如图3(b)所示，当纤维掺量为0.2%时，试件中部开裂，但裂纹长度比图3(a)中的裂纹稍短，破坏时伴有轻微的鼓包和崩落现象。如图3(c)和图3(d)所示，当矿渣棉掺量增加至0.4%和0.6%时，脆性张拉程度继续下降，压裂破坏后的主裂纹宽度变小。如图3(e)所示，当纤维掺量为0.8%时，破坏后的试件中没有形成贯穿裂纹，试件整体性保持较好。如图3(f)所示，当纤维掺量增加至1.0%时，试件中部的裂纹数量和连通程度反而增加，表面碎渣剥落。充填体试件的破坏伴随着能量的迁移和转化，破坏裂纹的产生是表面能积聚并释放的具体结果体现。试件在压缩破坏时产生的表面能越高，压裂损伤区域的面积越大。对于未掺加纤维的试件而言，在载荷作用下，裂隙不断演化发展，压裂损伤区的范围较大；随着纤维掺量的增加，充填体试件表面的压缩损伤区域面积明显减小，但当纤维数量过多时，容易交织、结节，造成局部区域变形，性能变差。

图3 不同纤维掺量的充填体试件的破裂形态

2.3 养护时间、纤维长度和掺量对强度的影响

以应力- 应变曲线上的峰值应力作为单轴抗压强度以衡量试件的静力学性能，结果如图4所示。从图4可以看出，养护时间、纤维掺量和纤维长度对试件抗压强度均存在显著影响。随着养护时间的增加，试件的抗压强度均不断增长，且在3～14 d养护期内强度增长速率较快，在14～28 d内强度增长趋于稳定。在不同养护龄期条件下，充填体强度随纤维掺量的提高先增大后减小，掺量为0.8%是充填体抗压强度变化的转折点。纤维长度对抗压强度有显著影响，中长纤维的加筋效果最佳，短纤维与长纤维的效果相近。这是因为5 mm长度的矿渣棉纤维单丝长径比最有利于纤维与水化胶凝产物接触，从而能承受更大的压应力。

养护28 d试件的单轴抗压强度测试结果如表4所示，充填体增强效果随纤维掺量增加呈现先增后减的效果，说明过多地掺入纤维可能造成强度的衰减。相较于基准组的单轴抗压强度，短、中长、长纤维增强试件的抗压强度增幅在掺量为0.8%时达到最大值，分别为81.1%、100.2%和72.9%,在0.8%掺量条件下的强度增幅明显高于普通料浆试件。究其原因，充填体是一种脆性材料，矿渣棉纤维的加入使得试件内部形成三维空间网状结构，砂颗粒及水化产物间的黏合力和机械咬合力增强，从而提高了材料的承载强度[17]。但当矿渣棉纤维掺量过高时，纤维之间发生交缠和联结，形成团状聚集区，增加了料浆内部的孔隙率，降低了试件的抗变形性能。

图4 矿渣棉纤维对充填体单轴抗压强度的影响

表4 不同纤维掺量条件下的试件28 d强度测试结果

2.4 充填体的微观分析

以养护时间为28 d、纤维掺量为0.6%、纤维长度为5 mm的试件为例，初始试件和破坏后试件的微观形貌如图5所示。由图5(a)可以看出，在充填体破坏前，砂颗粒被大量水化产物C- S- H凝胶和Ca(OH)2紧密包裹、覆盖，增加了试件的致密程度。从图5(b)可以看出，水化凝胶物质附着于纤维表面，使得矿渣棉纤维与水化产物相互搭接，提升了胶结体的黏结力和机械咬合力。破坏后的胶结体微观形貌如图5(c)所示，可以看出矿渣棉纤维在试件破坏后未出现断裂，而是发生了拉拔现象，即纤维相对于初始位置发生了位移或转动。该现象说明矿渣棉纤维的抗拉性能较高，在砂颗粒间发挥了桥接作用，有利于抑制压缩裂缝的扩展和新裂缝的产生，并使裂缝向纤维两侧扩散，进而对试件的整体变形和压缩破裂起到缓冲作用。扫描电镜结果表明，纤维增强充填体强度性能的提升是矿渣棉纤维与胶结体微观结构变化的外在表现。

图5 破坏前后的充填体微观结构形貌

3、结论

(1) 矿渣棉纤维增强作用使细尾砂充填体试件的塑性变形性能提高，改善了材料的强度和韧性。随着养护时间增加，试件的单轴抗压强度不断增长，且在养护3～14 d时间内增速较快，14 d后趋于稳定。

(2) 矿渣棉纤维长度对抗压强度有显著影响，中长纤维的增强效果最佳，短纤维与长纤维的效果相近。这是因为长度为5 mm的纤维单丝具有最佳的长径比，可以更好地与水化胶凝产物接触，从而能够承受更大的压应力。

(3) 随着纤维掺量的增加，水泥基细尾砂充填体的强度呈现先增后减的现象，综合考虑强度增益效果和工程经济性，确定0.6%的掺量为最优配比。这是因为纤维掺量过高会导致纤维之间相互交联缠结成团，增加纤维聚集区的孔隙率，削弱试件抵抗荷载和变形的能力。

(4) 矿渣棉纤维在胶结体内部发挥了桥接作用，有利于抑制压缩裂缝的扩展和新裂缝的产生，对试件整体变形和压缩破裂起到缓冲作用。纤维与水化凝胶的协同增强作用是提高水泥基细尾砂充填体强度的根本原因。

参考文献:

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