聚丙烯纤维加筋铁尾矿砂的宏/微观结构特性分析

2020-10-26金佳旭张晨曦吴谨妤史明月3

金属矿山 2020年9期

金佳旭杨辉张晨曦吴谨妤史明月3

（1.辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新123000；2.阜新市住房建设投资有限公司，辽宁阜新123000；3.辽宁大学后勤工作处，辽宁沈阳110000）

我国铁尾矿排放量大，综合利用率低，据不完全统计，目前我国累计堆存的铁尾矿量高达50亿t，其中绝大部分铁尾矿尚处于堆存状态［1］。大量堆置的尾矿资源不但会污染环境，占用土地，而且还要支付土地征用费、运输费和填埋费等，反而增加了生产成本，同时也造成了资源浪费［2］。所以，实现尾矿废资源的二次利用，是保障环境以及节约资源的有效途径之一。但尾矿砂普遍存在黏聚力低、抗剪性差等缺点，且尾矿砂的颗粒级配远不如天然砂，不同地区尾矿砂的强度又存在差别［3-4］，如何加以利用是一个比较复杂的问题。在科学研究中，通常在砂体中通过加筋来增强砂体的抗剪强度和稳定性，例如土工布等合成材料。纤维具有抗拉强度高、分散性好、延性强等特点，可以有效地掺入铁尾矿材料中，抑制裂缝的萌生和扩展，提高基体的强度［5］。近几年来，纤维加筋材料已经逐渐进入研究人员的视野，且在实际工程项目中得到了初步应用。科研人员研究了纤维在峰值应力应变和低塑性指数下的良好性能［6-7］，并进行了许多试验来研究纤维增强砂和土的益处［8-11］。通过拌合加入的纤维不仅能够提高砂体的黏聚力、剪切强度，而且砂体发生破坏时所需要的应力也会更大，使砂体呈现相对较高的韧性。

前期学者们的研究基本聚集在纤维对砂体工程特性的研究，很少涉及到纤维和砂体间的作用机理和力的传递过程这两个方面。纤维加筋砂体的力学特性主要受到砂体表面与纤维的铰接情况等方面影响，这方面研究对工程建设有重大意义。因此，本研究以聚丙烯纤维为加筋材料，在不同含水率、纤维含量条件下进行直剪试验和无侧限抗压试验，考察聚丙烯纤维含量和含水率对尾矿砂的单轴抗压强度和黏聚力、内摩擦角等抗剪特征的影响，并通过扫描电镜，从宏/微观层次上分析了聚丙烯纤维在铁尾矿中的作用机理，探讨了纤维加筋影响筋-砂界面的力学作用。研究结果可为岩土工程领域合理有效地利用纤维材料提供参考。

1 试验原料及方法

1.1 试验原料

本研究选取辽宁阜新桐乃铁尾矿作为基体材料，尾矿砂SiO2的含量为27.10%，氧化物（Al2O3、SiO2、Fe2O3、MgO和CaO）占总含量的81.98%。按照《土工试验方法标准》［12］进行基本常规试验，尾矿砂级配曲线如图1所示，有关力学特性如表1所示。

本研究采用单丝聚丙烯纤维（见图2）来加固尾矿砂，表2给出了它们的主要性能。这些纤维的平均直径为50 μm，密度为0.91 g/cm3，具有很好的分散性、耐酸碱性、零吸湿性和毒性。图2为本研究中使用的长度为6 mm的聚丙烯纤维形状。添加纤维将增加成本，所以本研究中采用相对较小的纤维添加量，分别为0、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%。本研究所选用的黏结剂为粉煤灰硅酸盐水泥32.5，添加量为5%。

1.2 试验方案

纤维掺入量和含水率影响加筋铁尾矿的抗剪强度；无侧限抗压强度不仅受纤维掺入量和含水率的影响，而且受水泥（粉煤灰水泥）含量的影响；纤维掺量和水泥含量影响加筋尾矿砂微观结构性能。因此，为了研究不同因素对加筋铁尾矿的影响，直接剪切和无侧限抗压试验在不同的含水率8%、10%、12%、14%（指水和尾矿砂干砂的比例），不同纤维含量0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%（指纤维与尾矿干砂的比例）条件下进行。在进行无侧限抗压试验时，加入5%的粉煤灰水泥起黏结作用。用搅拌机搅拌尾矿与水泥，为防止纤维飞絮，采用手动方式拌合。搅拌均匀后按照比例压制成模型试件。

扫描电镜（SEM）的试样选取无侧限抗压强度的破坏样品，脱水1 d后开始真空干燥。分析了单丝聚丙烯纤维对尾矿砂试样微观结构性能的影响，并观察了聚丙烯纤维与尾矿砂试样之间的连接方法。

1.3 试验方法

不同纤维掺量和含水率的试样如图3所示。直接剪切试验仪器采用ZJ（DSJ-2）四联应变控制式直剪仪（见图4），将配置好的试样填入剪切盒内，用木槌击打到相同的密实度后，进行直剪试验。无侧限抗压强度试验仪器采用WDW-Y300D微机控制全自动抗压抗折仪（见图5），试样在0.2 mm/min的恒定位移速率下加载，每隔1 s将应力和位移变化在Excel表格中进行一次整理，直到样品被压坏为止。

用场发射电子显微镜系统进行SEM分析，获得不同放大倍数的照片，观察尾矿砂的微观结构。在测试之前，将样品加工成薄片，并且喷金涂覆，以使样品表面导电。

2 结果与分析

2.1 纤维加筋尾矿砂的剪切结果与分析

文献［13］分析了尾矿砂抗剪强度受砂物理性质的影响，且给出了影响砂土内摩擦角的主要物理因素，结果如表3所示。

试验测得尾矿砂不同含水率条件下纤维含量对黏聚力和内摩擦角的影响，结果如图6所示。

由图6（a）可知，在含水率一定的情况下，随着纤维含量的增加，尾矿砂的内摩擦角无明显变化。说明加筋率不是影响尾矿内摩擦角的主要因素，其原因主要是纤维本身不具备黏结作用，或作用很小可忽略不计［14］，使尾矿颗粒构不能形成团聚结构体。因此改变不了尾矿颗粒之间的连接接触面，只能通过咬合阻力去抵抗剪应力，在宏观上体现的就是纤维加筋对内摩擦角的影响很小。

在纤维含量一定的情况下，随着含水率的增加，内摩擦角呈现先增加后平缓的趋势，这和文献［13］的理论是相矛盾的。其原因主要是尾矿砂属于松散颗粒，易于流动，其内摩擦角相对较小［14］；当尾矿砂中加入水后，尾矿砂颗粒之间容易压实，降低了尾矿砂的流动性，使松散的尾矿颗粒呈现压密状态，因此内摩擦角增大。当含水率增大时，尾矿砂颗粒流动性增大，内摩擦角趋于平缓；如果加水过量，则尾矿砂内摩擦角会出现减少的趋势，这和理论相贴近。

由图6（b）可知，在含水率一定的情况下，随着纤维含量的增加，黏聚力呈现先增加后减小的趋势，当纤维含量达到0.3%时，黏聚力均达到峰值，说明0.3%的纤维含量是最佳的加筋率。在纤维含量一定的情况下，随着含水率的增加，黏聚力呈现先增加后减小的趋势，但均大于未添加纤维的尾矿砂黏聚力。其原因在于水分覆盖在颗粒之间的接触面中，形成联接水膜，使尾矿砂形成聚合结构体，黏聚力因此增大。但含水率过量时，增加了尾矿砂的流动性，黏聚力开始降低。在本试验中纤维含量0.3%、含水率12%为最佳工况，能够最大限度地提高尾矿砂的黏聚力，比未加纤维且含水率为12%的尾矿砂的黏聚力增加约200%。

从土力学［13］中可知，试件的抗剪强度随着黏聚力和内摩擦角的增大而增大，本试验中黏聚力和内摩擦角随着含水率的增长均呈现先增长后降低的趋势，因此抗剪强度也会呈相同的趋势；而纤维含量对内摩擦角的影响几乎为0，但是黏聚力随着纤维含量的增加呈现先增长后降低的趋势，因此，抗剪强度也会呈现类似的趋势，相对平缓。

2.2 无侧限抗压强度试验

试验测得尾矿砂不同含水率条件下纤维含量对无侧限抗压强度的影响，结果如图7所示。

由图7可知，在含水率一定的情况下，随着纤维含量的增加，尾矿砂的单抽抗压强度呈先增加后减少的趋势，当纤维含量为0.3%时，单轴抗压强度均达到峰值，说明纤维含量0.3%为最佳加筋率。这是因为尾矿砂颗粒与纤维之间的摩阻力高于尾矿砂颗粒之间的摩阻力，而且纤维的加入，形成空间上的网状构建体，“网”住了尾矿，限制了其的侧向变形，提高了尾矿的整体性和稳定性，从而实现单轴抗压强度的增加。虽然纤维可以增强尾矿颗粒—颗粒结构的相互作用，提高尾矿砂试件的强度，但纤维含量过高时，由于表面光滑，其本身不具备黏聚力［15］，会在尾矿砂试样的内部产生一个弱的结构表面。当尾矿砂试样受到外部压缩时，过多的弱结构面会在压缩达到峰值应力之前导致尾矿砂试样失效，单抽抗压强度降低。由图7还可知，在纤维含量一定的情况下，单抽抗压强度也呈现相同的趋势，12%为最佳含水率。这是因为水的加入使铁尾矿更容易压密，导致单轴抗压强度的增加，但当含水率过多时，加筋尾矿整体的流动性增加，导致单轴抗压强度降低。

2.3 宏观结构破坏分析

宏观结构破坏是观察纤维加筋尾矿砂试件破坏模式最直观的方法。图8、图9分别为直剪试验破坏模式和无侧限宏观结构破坏模式下的试样。

如图8所示，纤维加筋尾矿砂试样和未加筋尾矿砂试验的破坏模式存在差别。在发生剪切破坏后，加筋试样（图8（a））有明显的纤维受拉痕迹。纤维受拉（主要是纤维被拔出，取决于纤维和尾矿砂表面的摩擦力），阻止试件发生变形，因此剪切过程变长，剪切位移增大。未加筋试样（图8（c））则达到试件的破坏条件时立即破坏，没有纤维提供拉力，所以剪切过程相对于加筋试件较短，剪切位移也相对较小。当把上剪切面剥除后，图8（b）剪切面上袒露许多纤维，且纤维明显偏向受拉的一侧，来抵消部分剪切应力。

如图9所示，纤维加筋尾矿砂试样（图9（a））和未加筋尾矿砂试样（图9（b））的破坏模式完全不同。在压缩破坏后，纤维加筋尾矿砂试样表面出现了几个微小的裂纹。虽然它已经超过了极限抗压强度，但纤维加筋尾矿砂试件保持了完整性和残余强度。在未加固的尾矿砂试样中形成了一些大的裂纹和断裂带，甚至是大块的脱离试件。说明纤维往往能桥接裂纹，防止裂纹扩展，从而防止过早破坏，提高尾矿砂试件的强度和延展性。

2.4 SEM扫描电镜的结果与分析

图10为加入尾矿砂中纤维的界面特性以及分散状况的扫描电镜照片。

从图10（a）中可以看到纤维被尾矿砂覆盖，当受到外荷载作用发生破坏时，长度方向上纤维处于受拉状态，此时能够承担的拉应力取决于尾矿砂和纤维表面的摩擦力和咬合力；在该种力的作用下，砂体相对于纤维的移动受到了一定的阻力，大部分均匀分布的纤维在砂体当中构成一种网状的桥架结构（图10（b）），从而限制了砂体颗粒的侧向变形，提高了砂体整体的完整性、强度和稳定性；图10（c）显示了与加筋尾矿砂试件部分分离的聚丙烯纤维，聚丙烯纤维具有高断裂强度（≥350 MPa）和较高的弹性模量（≥3 500 MPa），使其具有很强的伸缩性。在压力作用下，纤维发生弹性变形而不发生断裂，这也是一个能量吸收的过程。在防止加筋尾矿砂试件发生破坏后，部分纤维被拔出或者是折断。在纤维表层上有大量的凝胶，这有助于充分发挥聚丙烯纤维的抗拉强度。因此，纤维能够有效地增加尾矿砂无侧限抗压强度。