PVA纖維增強水泥穩(wěn)定鉬尾礦配比研究

王冠宇 華陽 張攀 趙鼎一

黑龍江大學建筑工程學院 哈爾濱 150080

引言

隨著鉬礦資源的不斷開發(fā)，鉬尾礦的堆積越來越多，目前其處理方式主要是以尾礦壩的形式進行儲存，對尾礦壩周圍環(huán)境造成了威脅［1］，鉬尾礦的資源化利用迫在眉睫［2］。國內主要鉬尾礦化學組成基本相似，主要有SiO2、Fe2O3、Al2O3、K2O、Na2O、MgO和CaO 等［3-5］，含量因地區(qū)不同而存在差異，但其中SiO2含量都較高，與天然砂的礦物成分相似，若采用水泥固化輔以纖維增強，可以大大改善其受力性能和整體性，從而開發(fā)多種針對鉬尾礦的利用方法，盡可能地實現(xiàn)鉬尾礦資源的回收和利用。

纖維增強作為一種新型技術，通過纖維的抗拉伸特性以及纖維與土顆粒之間的摩擦力增強土體的抗裂性、無側限抗壓強度和劈裂抗拉強度［6-8］。鄭彬彬［9］等采用三軸試驗和掃描電鏡（SEM）技術，研究了纖維增強效果和纖維作用機制。Feng Chen［10］等研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的摻入能夠顯著提高水泥土試樣不同齡期的抗壓強度，但增強效果隨著纖維摻量的增加而逐漸減弱。Jitendra Singh Yadav［11］通過室內試驗研究了橡膠纖維水泥土的荷載-變形特性。黃毫春［12］等通過對聚丙烯纖維水泥土進行直剪試驗發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維的加入可使水泥土的破壞形式由脆性破壞轉變?yōu)樗苄云茐?。另一方面，纖維的加入不僅可以增強材料的強度特性，還可以提高材料的抗凍性能［13，14］。纖維摻量對增強效果也有一定影響，李源［15］等采用玄武巖纖維增強高黏鐵尾砂，結果表明纖維摻量為0.5%時，增強效果最好。

針對鉬尾礦砂，國內外學者提出了許多利用方案，但是采用纖維增強結合水泥穩(wěn)定鉬尾礦的并不多，鉬尾礦作為選礦后的廢棄料，黏粒少、固化弱、顆粒疏松，強度主要由內摩擦力組成，整體性差，如果在鉬尾礦砂中加入黏性材料使其具有黏結力，同時加入一些纖維材料，使土體內部形成空間網(wǎng)狀結構，可以大大增強鉬尾礦砂作為基層材料的無側限抗壓強度和抗拉性能。為此本研究采用PVA 纖維增強水泥穩(wěn)定鉬尾礦砂，提高其強度和整體性，采用正交試驗法結合單摻試驗開展纖維增強水泥穩(wěn)定鉬尾礦纖維以及水泥摻量的配合比研究，對其進行無側限抗壓試驗，提出纖維增強水泥穩(wěn)定鉬尾礦的最佳配合比，為相關工程提供理論參考。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗用土取自黑龍江伊春鹿鳴礦業(yè)鉬尾礦壩的鉬尾礦，風干含水率0.86%，根據(jù)我國現(xiàn)行的《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）［16］測得其物理性質指標見表1 和圖1，化學成分見表2。

圖1 鉬尾礦級配曲線Fig.1 Particle size distribution curve of molybdenum tailings

表1 鉬尾礦物理性質指標Tab.1 Physical property indicators of molybdenum tailings

表2 鉬尾礦的化學成分Tab.2 Chemical composition of molybdenum tailings

試驗采用的無機結合料為P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其化學成分見表3。

表3 普通硅酸鹽水泥的化學成分Tab.3 Chemical composition of cement

纖維增強材料為聚乙烯醇（PVA）纖維，其物理力學性質見表4。

表4 聚乙烯醇纖維基本參數(shù)Tab.4 Basic parameters of polyvinyl alcohol fiber

1.2 試驗儀器

試驗使用微機控制電子式萬能試驗機WDW-100E，加載速率1mm／min。

1.3 試驗方案

采用單摻試驗結合正交試驗設計法，單摻試驗選取纖維摻量、纖維長度、水泥摻量三個變量，探究單個變量的改變對無側限抗壓強度的影響趨勢。正交試驗設計法試驗方案考慮A水泥摻量、B纖維摻量（纖維質量與干土質量百分比）、C纖維長度三個因素，每個因素設置四個水平，目的是探究各因素對無側限抗壓強度影響的主次順序、影響程度以及無側限抗壓強度最大的最優(yōu)配合比，試驗設計的正交表為L16（43），共16組，每組6 個試件，每組數(shù)據(jù)剔除異常值之后取平均值作為最終試驗結果，正交試驗設計見表5，試件的無側限抗壓強度按式（1）計算：

表5 正交試驗設計Tab.5 Orthogonal experiment

式中：Rc為無側限抗壓強度（MPa）；P為破壞時的最大壓力（N）；A為試件截面積（mm2）。

1.4 試樣制備與養(yǎng)護

無側限抗壓強度試驗按照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）［17］中的試件制作、養(yǎng)生和無側限抗壓強度試驗方法進行。制備試樣時先采用干拌法將鉬尾礦和PVA纖維通過砂漿攪拌機攪拌均勻，再按最佳含水量（預留2%）加入蒸餾水充分拌勻，放入密封袋內浸潤，浸潤時間不超過12h。浸潤完畢試件成型前1h內，加入預定數(shù)量的水泥和預留的蒸餾水，拌合均勻加入到50mm ×50mm 的圓柱形模具中，采用靜壓法制成直徑50mm、高50mm 的圓柱形試樣，靜置2h 后脫模，將試件裝入密封袋內，放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護7d，養(yǎng)護最后一天將試樣置于20℃±2℃的恒溫水箱中浸泡一晝夜，最后將試件置于萬能試驗機的加載平臺中心，以1mm／min的加載速率加載。

2 試驗結果與分析

2.1 單摻試驗結果與分析

1.纖維摻量對無側限抗壓強度的影響

水泥摻量8%、纖維長度12mm 的情況下，纖維摻量分別為0%、0.1%、0.2%、0.4%試件的無側限抗壓強度見圖2a。由圖可以看出，隨著纖維摻量的不斷提高，試件的無側限抗壓強度呈先增大后減小的趨勢，且摻纖維試件的無側限抗壓強度均高于未摻纖維試件的強度。纖維摻量為0.1%、0.2%、0.4%時，試件的無側限抗壓強度分別為2.16MPa、2.45MPa、2.03MPa，較纖維摻量為0%時分別提高了9.09%、23.73%、2.53%；纖維摻量為0.2%時，無側限抗壓強度曲線出現(xiàn)“峰值”，纖維摻量為0.4%時纖維摻量對試件無側限抗壓強度的提升很小，說明隨著纖維摻量的增大，存在一個最優(yōu)摻量使試件的無側限抗壓強度最高。

圖2 不同因素對無側限抗壓強度的影響趨勢Fig.2 Influence trend of different factors on unconfined compressive strength

2.纖維長度對無側限抗壓強度的影響

水泥摻量8%、纖維摻量0.2%的情況下，纖維長度分別為6mm、9mm、12mm、18mm試件的無側限抗壓強度見圖2b。由圖可見，隨著纖維長度的增加，試件的無側限抗壓強度呈先減小后增大再減小的趨勢，當纖維長度由6mm 增加到9mm、12mm、18mm時，試件的無側限抗壓強度由2.4MPa分別變?yōu)?.34MPa、2.45MPa、2.31MPa，較6mm時先下降2.5%，又上升2.08%，再下降3.75%。整體而言，隨著纖維長度的增大，試件的無側限抗壓強度無明顯的提高或者降低趨勢，纖維長度對鉬尾礦的無側限抗壓強度影響程度較小。

3.水泥摻量對無側限抗壓強度的影響

纖維摻量0.2%、纖維長度12mm的情況下，水泥摻量分別為2%、4%、6%、8%試件的無側限抗壓強度見圖2c。由圖可見，隨著水泥摻量的提高，試件的無側限抗壓強度趨近于線性增大，水泥摻量由2%分別增加至4%、6%和8%時，試件的無側限抗壓強度由0.77MPa 分別增加到1.35MPa、1.98MPa 和2.45MPa，較水泥摻量為2%時分別提高了75.32%、157.14%和218.18%。水泥摻量8%時試件的無側限抗壓強度約為2%時的3.18 倍，增長了1.68MPa。

2.2 正交試驗結果與分析

正交試驗各組無側限抗壓強度結果如表6所示。

表6 正交試驗結果Tab.6 Results of orthogonal experiment

極差分析可以確定各個因素對無側限抗壓強度影響的主次順序，K值表示各因素在各水平下的結果之和，因素的極差值R越大，說明該因素對試驗結果的影響程度越大。由表7 可以看出，極差值RA＞RB＞RC，所以各因素對無側限抗壓強度影響的主次順序為：A 水泥摻量＞B纖維摻量＞C 纖維長度，同時根據(jù)K值的大小可以選出無側限抗壓強度最佳的水平方案，取每因素列K值最大時所對應的水平，因素A取A4，因素B取B3，因素C取C3，最佳水平方案為A4B3C3，即水泥摻量為8%，纖維摻量為0.2%，纖維長度為12mm，此時的各因素水平為最優(yōu)配合比。

表7 正交試驗極差分析結果Tab.7 Extreme analysis of orthogonal experiment

2.3 纖維摻量和水泥摻量對鉬尾礦殘余強度的影響

由圖3a、圖3b（圖中1 ～6 表示每組的6 個試件，下同）可以看出水泥摻量為8%時，隨著纖維摻量的不斷提高，材料的殘余強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并且摻纖維試件的殘余強度均高于未摻纖維的試件，說明纖維的加入可以提高鉬尾礦的殘余強度，其中纖維摻量為0.2%時試件的殘余強度最高，但是纖維過量時，纖維在試件內部易出現(xiàn)成束、成團現(xiàn)象，使殘余強度下降。另一方面，隨著纖維摻量的不斷增大，試件達到峰值應力時所對應的峰值應變也不斷增大，如圖3c，即試件在達到最大強度前所能承受的變形增大，韌性增強，說明纖維的加入能夠提高鉬尾礦的韌性。

圖3 不同纖維摻量試件的應力、 應變Fig.3 Stress and strain of samples with different fiber content

由圖4a和圖4b可知，纖維摻量為0.2%時，隨著水泥摻量的不斷增大，不僅試件的無側限抗壓強度有明顯的提升，其殘余強度也呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，其中水泥摻量為8%時，鉬尾礦的殘余強度最高。但隨著水泥摻量的不斷增大，試件達到峰值應力時的應變在不斷減小，如圖4c，說明試件在達到最大強度之前所能承受的變形減小，變形能力減弱，這是因為隨著水泥的不斷加入，鉬尾礦的無側限抗壓強度不斷提高的同時其脆性也不斷增大，這意味著試件破壞前所能承受的變形越來越小，所以纖維的加入在少量提升無側限抗壓強度的同時也可以改善水泥穩(wěn)定鉬尾礦脆性不斷增大的情況。

圖4 不同水泥摻量試件的應力、 應變Fig.4 Stress and strain of samples with different cement content

3 纖維和水泥對鉬尾礦的增強機理分析

3.1 纖維對鉬尾礦無側限抗壓強度的增強機理

由圖2 可知，隨著纖維摻量的提高，鉬尾礦的無側限抗壓強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是因為在水泥的作用下，試件內部鉬尾礦顆粒和纖維被水泥水化反應產(chǎn)生的膠凝物質粘結在一起，在進行無側限抗壓試驗時，試件受到軸向壓力，同時會產(chǎn)生側向的拉伸作用，顆粒之間相互擠壓來抵抗軸向壓力，垂直于軸向或與軸向有一定角度的纖維會承擔一部分側向的拉力，抑制試件的側向變形，纖維較少時，單根纖維零星的分布于試件內部，零星分布的纖維與鉬尾礦顆粒間的粘結強度和摩擦力抵抗拉伸作用的效果有限；纖維適量時，試件內部亂向分布的纖維連接在一起，形成三維空間網(wǎng)狀結構，此時纖維與鉬尾礦顆粒之間形成的粘結強度和摩擦力能很好地抵抗拉伸作用，同時延緩試件內部各個方向微裂縫發(fā)展成為貫通裂縫，從而提高試件的無側限抗壓強度；當纖維過量時，纖維在試件內部難以均勻的分散開，發(fā)生重疊、成束甚至聚集成團的現(xiàn)象，纖維在抵抗拉伸作用的同時成團成束的地方產(chǎn)生的裂隙、孔隙等缺陷會降低試件的整體性和無側限抗壓強度。

3.2 水泥對鉬尾礦無側限抗壓強度的增強機理分析

由圖2 可以看出，隨著水泥摻量的提高，試件的無側限抗壓強度呈線性提高，這是因為鉬尾礦顆粒本身顆粒疏松，壓實后顆粒間仍有大量孔隙，加入水泥后水泥水化產(chǎn)生水化硅酸鈣會填充這些孔隙，使混合料內部變得密實，同時水泥水化產(chǎn)生的膠凝物質會將鉬尾礦顆粒包裹粘結在一起使試件內部整體性增強，從而提高試件的強度，隨著水泥摻量的不斷增加，水化產(chǎn)物不斷增多，顆粒間的孔隙被充分填充，混合料內部更加致密，鉬尾礦顆粒間的粘結效果進一步增強，試件的整體性和無側限抗壓強度也進一步增大。

3.3 纖維和水泥對鉬尾礦殘余強度的增強機理分析

由圖3 可知，纖維摻入鉬尾礦后可以提高其殘余強度，這是因為在纖維和水泥的共同作用下鉬尾礦顆粒被粘結在一起，可以延緩微小裂縫的發(fā)展，當試件出現(xiàn)較大裂縫乃至破壞時，也能依靠試件內部纖維與鉬尾礦顆粒間的粘結力和摩擦力減少鉬尾礦顆粒的脫落，使其繼續(xù)承擔部分壓力，也使試件擁有較好的整體性和更大的變形能力，增大試件達到峰值應力時的應變，同時結合纖維抵抗拉伸的作用，共同提高鉬尾礦的殘余強度。

隨著水泥的不斷加入，水化反應不斷增強，越來越多的水化產(chǎn)物填充了鉬尾礦顆粒間的孔隙，同時水化反應產(chǎn)生的膠凝物質越多，鉬尾礦顆粒間的粘結效果越好，即使破碎成碎塊，每個碎塊內部更加致密，鉬尾礦顆粒之間粘結更加牢固，所有碎塊一起所能承擔的壓力更大，使得試件整體破碎后殘余強度更高。

4 結論

1.通過正交試驗得出水泥摻量是影響鉬尾礦無側限抗壓強度的最主要因素，三種因素對鉬尾礦無側限抗壓強度影響的主次順次序為：水泥摻量＞纖維摻量＞纖維長度，纖維增強水泥穩(wěn)定鉬尾礦的最優(yōu)配比為：水泥摻量為8%，纖維摻量為0.2%，纖維長度為12mm。

2.通過單摻試驗得出隨著纖維摻量的增大，鉬尾礦的韌性不斷增強，其無側限抗壓強度和殘余強度均呈先增大后減小的趨勢，且摻纖維的試件的無側限抗壓強度和殘余強度均高于未摻纖維的試件；隨著水泥摻量的不斷增加，鉬尾礦的無側限抗壓強度趨近于線性增大，穩(wěn)定效果明顯，殘余強度也不斷增大，但脆性增強，變形能力不斷減??；纖維長度對鉬尾礦的無側限抗壓強度無明顯的規(guī)律性影響。