聚丙烯纖維加筋鐵尾礦砂的宏/微觀結(jié)構(gòu)特性分析

金佳旭 楊 輝 張晨曦 吳謹(jǐn)妤 史明月3

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧阜新123000；2.阜新市住房建設(shè)投資有限公司，遼寧阜新123000；3.遼寧大學(xué)后勤工作處，遼寧沈陽(yáng)110000）

我國(guó)鐵尾礦排放量大，綜合利用率低，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)累計(jì)堆存的鐵尾礦量高達(dá)50億t，其中絕大部分鐵尾礦尚處于堆存狀態(tài)［1］。大量堆置的尾礦資源不但會(huì)污染環(huán)境，占用土地，而且還要支付土地征用費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)和填埋費(fèi)等，反而增加了生產(chǎn)成本，同時(shí)也造成了資源浪費(fèi)［2］。所以，實(shí)現(xiàn)尾礦廢資源的二次利用，是保障環(huán)境以及節(jié)約資源的有效途徑之一。但尾礦砂普遍存在黏聚力低、抗剪性差等缺點(diǎn)，且尾礦砂的顆粒級(jí)配遠(yuǎn)不如天然砂，不同地區(qū)尾礦砂的強(qiáng)度又存在差別［3-4］，如何加以利用是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。在科學(xué)研究中，通常在砂體中通過(guò)加筋來(lái)增強(qiáng)砂體的抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性，例如土工布等合成材料。纖維具有抗拉強(qiáng)度高、分散性好、延性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以有效地?fù)饺腓F尾礦材料中，抑制裂縫的萌生和擴(kuò)展，提高基體的強(qiáng)度［5］。近幾年來(lái)，纖維加筋材料已經(jīng)逐漸進(jìn)入研究人員的視野，且在實(shí)際工程項(xiàng)目中得到了初步應(yīng)用?？蒲腥藛T研究了纖維在峰值應(yīng)力應(yīng)變和低塑性指數(shù)下的良好性能［6-7］，并進(jìn)行了許多試驗(yàn)來(lái)研究纖維增強(qiáng)砂和土的益處［8-11］。通過(guò)拌合加入的纖維不僅能夠提高砂體的黏聚力、剪切強(qiáng)度，而且砂體發(fā)生破壞時(shí)所需要的應(yīng)力也會(huì)更大，使砂體呈現(xiàn)相對(duì)較高的韌性。

前期學(xué)者們的研究基本聚集在纖維對(duì)砂體工程特性的研究，很少涉及到纖維和砂體間的作用機(jī)理和力的傳遞過(guò)程這兩個(gè)方面。纖維加筋砂體的力學(xué)特性主要受到砂體表面與纖維的鉸接情況等方面影響，這方面研究對(duì)工程建設(shè)有重大意義。因此，本研究以聚丙烯纖維為加筋材料，在不同含水率、纖維含量條件下進(jìn)行直剪試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，考察聚丙烯纖維含量和含水率對(duì)尾礦砂的單軸抗壓強(qiáng)度和黏聚力、內(nèi)摩擦角等抗剪特征的影響，并通過(guò)掃描電鏡，從宏/微觀層次上分析了聚丙烯纖維在鐵尾礦中的作用機(jī)理，探討了纖維加筋影響筋-砂界面的力學(xué)作用。研究結(jié)果可為巖土工程領(lǐng)域合理有效地利用纖維材料提供參考。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 試驗(yàn)原料

本研究選取遼寧阜新桐乃鐵尾礦作為基體材料，尾礦砂SiO2的含量為27.10%，氧化物（Al2O3、SiO2、Fe2O3、MgO和CaO）占總含量的81.98%。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［12］進(jìn)行基本常規(guī)試驗(yàn)，尾礦砂級(jí)配曲線如圖1所示，有關(guān)力學(xué)特性如表1所示。

本研究采用單絲聚丙烯纖維（見(jiàn)圖2）來(lái)加固尾礦砂，表2給出了它們的主要性能。這些纖維的平均直徑為50 μm，密度為0.91 g/cm3，具有很好的分散性、耐酸堿性、零吸濕性和毒性。圖2為本研究中使用的長(zhǎng)度為6 mm的聚丙烯纖維形狀。添加纖維將增加成本，所以本研究中采用相對(duì)較小的纖維添加量，分別為0、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%。本研究所選用的黏結(jié)劑為粉煤灰硅酸鹽水泥32.5，添加量為5%。

1.2 試驗(yàn)方案

纖維摻入量和含水率影響加筋鐵尾礦的抗剪強(qiáng)度；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不僅受纖維摻入量和含水率的影響，而且受水泥（粉煤灰水泥）含量的影響；纖維摻量和水泥含量影響加筋尾礦砂微觀結(jié)構(gòu)性能。因此，為了研究不同因素對(duì)加筋鐵尾礦的影響，直接剪切和無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)在不同的含水率8%、10%、12%、14%（指水和尾礦砂干砂的比例），不同纖維含量0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%（指纖維與尾礦干砂的比例）條件下進(jìn)行。在進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)時(shí)，加入5%的粉煤灰水泥起黏結(jié)作用。用攪拌機(jī)攪拌尾礦與水泥，為防止纖維飛絮，采用手動(dòng)方式拌合。攪拌均勻后按照比例壓制成模型試件。

掃描電鏡（SEM）的試樣選取無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的破壞樣品，脫水1 d后開(kāi)始真空干燥。分析了單絲聚丙烯纖維對(duì)尾礦砂試樣微觀結(jié)構(gòu)性能的影響，并觀察了聚丙烯纖維與尾礦砂試樣之間的連接方法。

1.3 試驗(yàn)方法

不同纖維摻量和含水率的試樣如圖3所示。直接剪切試驗(yàn)儀器采用ZJ（DSJ-2）四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀（見(jiàn)圖4），將配置好的試樣填入剪切盒內(nèi)，用木槌擊打到相同的密實(shí)度后，進(jìn)行直剪試驗(yàn)。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)儀器采用WDW-Y300D微機(jī)控制全自動(dòng)抗壓抗折儀（見(jiàn)圖5），試樣在0.2 mm/min的恒定位移速率下加載，每隔1 s將應(yīng)力和位移變化在Excel表格中進(jìn)行一次整理，直到樣品被壓壞為止。

用場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡系統(tǒng)進(jìn)行SEM分析，獲得不同放大倍數(shù)的照片，觀察尾礦砂的微觀結(jié)構(gòu)。在測(cè)試之前，將樣品加工成薄片，并且噴金涂覆，以使樣品表面導(dǎo)電。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維加筋尾礦砂的剪切結(jié)果與分析

文獻(xiàn)［13］分析了尾礦砂抗剪強(qiáng)度受砂物理性質(zhì)的影響，且給出了影響砂土內(nèi)摩擦角的主要物理因素，結(jié)果如表3所示。

試驗(yàn)測(cè)得尾礦砂不同含水率條件下纖維含量對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響，結(jié)果如圖6所示。

由圖6（a）可知，在含水率一定的情況下，隨著纖維含量的增加，尾礦砂的內(nèi)摩擦角無(wú)明顯變化。說(shuō)明加筋率不是影響尾礦內(nèi)摩擦角的主要因素，其原因主要是纖維本身不具備黏結(jié)作用，或作用很小可忽略不計(jì)［14］，使尾礦顆粒構(gòu)不能形成團(tuán)聚結(jié)構(gòu)體。因此改變不了尾礦顆粒之間的連接接觸面，只能通過(guò)咬合阻力去抵抗剪應(yīng)力，在宏觀上體現(xiàn)的就是纖維加筋對(duì)內(nèi)摩擦角的影響很小。

在纖維含量一定的情況下，隨著含水率的增加，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先增加后平緩的趨勢(shì)，這和文獻(xiàn)［13］的理論是相矛盾的。其原因主要是尾礦砂屬于松散顆粒，易于流動(dòng)，其內(nèi)摩擦角相對(duì)較小［14］；當(dāng)尾礦砂中加入水后，尾礦砂顆粒之間容易壓實(shí)，降低了尾礦砂的流動(dòng)性，使松散的尾礦顆粒呈現(xiàn)壓密狀態(tài)，因此內(nèi)摩擦角增大。當(dāng)含水率增大時(shí)，尾礦砂顆粒流動(dòng)性增大，內(nèi)摩擦角趨于平緩；如果加水過(guò)量，則尾礦砂內(nèi)摩擦角會(huì)出現(xiàn)減少的趨勢(shì)，這和理論相貼近。

由圖6（b）可知，在含水率一定的情況下，隨著纖維含量的增加，黏聚力呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)纖維含量達(dá)到0.3%時(shí)，黏聚力均達(dá)到峰值，說(shuō)明0.3%的纖維含量是最佳的加筋率。在纖維含量一定的情況下，隨著含水率的增加，黏聚力呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，但均大于未添加纖維的尾礦砂黏聚力。其原因在于水分覆蓋在顆粒之間的接觸面中，形成聯(lián)接水膜，使尾礦砂形成聚合結(jié)構(gòu)體，黏聚力因此增大。但含水率過(guò)量時(shí)，增加了尾礦砂的流動(dòng)性，黏聚力開(kāi)始降低。在本試驗(yàn)中纖維含量0.3%、含水率12%為最佳工況，能夠最大限度地提高尾礦砂的黏聚力，比未加纖維且含水率為12%的尾礦砂的黏聚力增加約200%。

從土力學(xué)［13］中可知，試件的抗剪強(qiáng)度隨著黏聚力和內(nèi)摩擦角的增大而增大，本試驗(yàn)中黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著含水率的增長(zhǎng)均呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，因此抗剪強(qiáng)度也會(huì)呈相同的趨勢(shì)；而纖維含量對(duì)內(nèi)摩擦角的影響幾乎為0，但是黏聚力隨著纖維含量的增加呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，因此，抗剪強(qiáng)度也會(huì)呈現(xiàn)類似的趨勢(shì)，相對(duì)平緩。

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)測(cè)得尾礦砂不同含水率條件下纖維含量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，在含水率一定的情況下，隨著纖維含量的增加，尾礦砂的單抽抗壓強(qiáng)度呈先增加后減少的趨勢(shì)，當(dāng)纖維含量為0.3%時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度均達(dá)到峰值，說(shuō)明纖維含量0.3%為最佳加筋率。這是因?yàn)槲驳V砂顆粒與纖維之間的摩阻力高于尾礦砂顆粒之間的摩阻力，而且纖維的加入，形成空間上的網(wǎng)狀構(gòu)建體，“網(wǎng)”住了尾礦，限制了其的側(cè)向變形，提高了尾礦的整體性和穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)單軸抗壓強(qiáng)度的增加。雖然纖維可以增強(qiáng)尾礦顆?！w粒結(jié)構(gòu)的相互作用，提高尾礦砂試件的強(qiáng)度，但纖維含量過(guò)高時(shí)，由于表面光滑，其本身不具備黏聚力［15］，會(huì)在尾礦砂試樣的內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)弱的結(jié)構(gòu)表面。當(dāng)尾礦砂試樣受到外部壓縮時(shí)，過(guò)多的弱結(jié)構(gòu)面會(huì)在壓縮達(dá)到峰值應(yīng)力之前導(dǎo)致尾礦砂試樣失效，單抽抗壓強(qiáng)度降低。由圖7還可知，在纖維含量一定的情況下，單抽抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，12%為最佳含水率。這是因?yàn)樗募尤胧硅F尾礦更容易壓密，導(dǎo)致單軸抗壓強(qiáng)度的增加，但當(dāng)含水率過(guò)多時(shí)，加筋尾礦整體的流動(dòng)性增加，導(dǎo)致單軸抗壓強(qiáng)度降低。

2.3 宏觀結(jié)構(gòu)破壞分析

宏觀結(jié)構(gòu)破壞是觀察纖維加筋尾礦砂試件破壞模式最直觀的方法。圖8、圖9分別為直剪試驗(yàn)破壞模式和無(wú)側(cè)限宏觀結(jié)構(gòu)破壞模式下的試樣。

如圖8所示，纖維加筋尾礦砂試樣和未加筋尾礦砂試驗(yàn)的破壞模式存在差別。在發(fā)生剪切破壞后，加筋試樣（圖8（a））有明顯的纖維受拉痕跡。纖維受拉（主要是纖維被拔出，取決于纖維和尾礦砂表面的摩擦力），阻止試件發(fā)生變形，因此剪切過(guò)程變長(zhǎng)，剪切位移增大。未加筋試樣（圖8（c））則達(dá)到試件的破壞條件時(shí)立即破壞，沒(méi)有纖維提供拉力，所以剪切過(guò)程相對(duì)于加筋試件較短，剪切位移也相對(duì)較小。當(dāng)把上剪切面剝除后，圖8（b）剪切面上袒露許多纖維，且纖維明顯偏向受拉的一側(cè)，來(lái)抵消部分剪切應(yīng)力。

如圖9所示，纖維加筋尾礦砂試樣（圖9（a））和未加筋尾礦砂試樣（圖9（b））的破壞模式完全不同。在壓縮破壞后，纖維加筋尾礦砂試樣表面出現(xiàn)了幾個(gè)微小的裂紋。雖然它已經(jīng)超過(guò)了極限抗壓強(qiáng)度，但纖維加筋尾礦砂試件保持了完整性和殘余強(qiáng)度。在未加固的尾礦砂試樣中形成了一些大的裂紋和斷裂帶，甚至是大塊的脫離試件。說(shuō)明纖維往往能橋接裂紋，防止裂紋擴(kuò)展，從而防止過(guò)早破壞，提高尾礦砂試件的強(qiáng)度和延展性。

2.4 SEM掃描電鏡的結(jié)果與分析

圖10為加入尾礦砂中纖維的界面特性以及分散狀況的掃描電鏡照片。

從圖10（a）中可以看到纖維被尾礦砂覆蓋，當(dāng)受到外荷載作用發(fā)生破壞時(shí)，長(zhǎng)度方向上纖維處于受拉狀態(tài)，此時(shí)能夠承擔(dān)的拉應(yīng)力取決于尾礦砂和纖維表面的摩擦力和咬合力；在該種力的作用下，砂體相對(duì)于纖維的移動(dòng)受到了一定的阻力，大部分均勻分布的纖維在砂體當(dāng)中構(gòu)成一種網(wǎng)狀的橋架結(jié)構(gòu)（圖10（b）），從而限制了砂體顆粒的側(cè)向變形，提高了砂體整體的完整性、強(qiáng)度和穩(wěn)定性；圖10（c）顯示了與加筋尾礦砂試件部分分離的聚丙烯纖維，聚丙烯纖維具有高斷裂強(qiáng)度（≥350 MPa）和較高的彈性模量（≥3 500 MPa），使其具有很強(qiáng)的伸縮性。在壓力作用下，纖維發(fā)生彈性變形而不發(fā)生斷裂，這也是一個(gè)能量吸收的過(guò)程。在防止加筋尾礦砂試件發(fā)生破壞后，部分纖維被拔出或者是折斷。在纖維表層上有大量的凝膠，這有助于充分發(fā)揮聚丙烯纖維的抗拉強(qiáng)度。因此，纖維能夠有效地增加尾礦砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

（1）在尾礦砂中纖維均勻分布，加筋尾礦中基本的力學(xué)機(jī)理主要取決于纖維表層與砂體之間的界面摩擦和顆粒之間的互鎖現(xiàn)象，不同纖維含量的有效界面會(huì)改變筋/砂界面之間的力學(xué)模式及特征。

（2）在尾礦砂中，纖維表層基本上被砂體包圍，當(dāng)纖維受到剪切破壞時(shí)，纖維處于受拉狀態(tài)，此時(shí)能夠承受的剪應(yīng)力取決于尾礦砂和纖維表面的摩擦力和咬合力。

（3）加筋尾礦中，在含水率一定的情況下，黏聚力隨著纖維的增加先增大后減?。辉诩咏罾w維含量一定的時(shí)候，黏聚力隨著含水率的增加也呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。纖維含量0.3%、含水率12%為最佳工況，能夠最大限度地提高尾礦砂的黏聚力，比未加纖維且含水率為12%的尾礦砂的黏聚力增加約200%。

（4）在加筋尾礦中，隨著纖維含量的增加，內(nèi)摩擦角無(wú)明顯的變化；隨著含水率的增加，內(nèi)摩擦角有所增加，但增量較小。

（5）在加筋尾礦中，隨著含水率和纖維含量的增加，單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。在含水率為12%，纖維含量為0.3%時(shí)取得單軸抗壓強(qiáng)度最大值265.3 kPa。

（6）宏觀結(jié)構(gòu)破壞分析和SEM微結(jié)構(gòu)試驗(yàn)表明纖維起橋接裂紋作用，主要通過(guò)筋/砂界面的摩擦和黏結(jié)抵消外力。