工程科学学报.第41卷.第12期：1618-1626.2019年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.12:1618-1626,December 2019 D0L:10.13374/.issn2095-9389.2018.12.14.002,http://journals.ustb.edu.cn 聚丙烯纤维加筋固化尾砂强度及变形特性 徐文彬，2)四，李乾龙)，田明明) 1)中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京1000832)渥太华大学土木工程系，渥太华K1N6N5 ☒通信作者，E-mail:xuwb08@163.com 摘要针对胶结充填体脆性强、易开裂等问题，以聚丙烯纤维为加筋材料，通过设置水泥与尾砂质量比为1：10和1：20， 纤维掺量为0、0.05%、0.15%和0.25%的充填体进行无侧限抗压强度试验，探究纤维掺量对胶结充填体强度及变形特性的影 啊，借助扫描电镜(SEM),从微观角度探讨纤维对充填体力学性质的作用机制.研究结果表明：充填料浆的屈服应力随纤维 掺量增加呈线性增大，其流态模型符合Bingham流体：随着纤维掺量的增加，充填体的无侧限抗压强度呈先增大后减小趋势， 纤维最优掺量为0.15%：掺入纤维有效地减缓了裂纹的扩展，约束了充填体的变形，充填体的峰后应变软化延长，残余强度增 大，破坏特征由脆性向延性转变：纤维的加固效果主要受纤维与尾砂-水泥基体界面之间的黏结与摩擦作用控制. 关键词胶结充填体：聚丙烯纤维：屈服应力：抗压强度：扫描电镜：破坏特征 分类号TD853 Strength and deformation properties of polypropylene fiber-reinforced cemented tailings backfill XU Wen-bin2,LI Qian-long,TIAN Ming-ming 1)School of Energy and Mining Engineering,China University of Mining Technology(Beijing),Beijing 100083,China 2)Department of Civil Engineering,University of Ottawa,Ottawa KIN6N5,Canada Corresponding author,E-mail:xuwb08@163.com ABSTRACT Cemented tailings backfill(CTB)technology,an innovative mode of tailings management,has been widely applied in many metal mines worldwide due to its advantages of safety,environmental protection,and high economic benefit.During the mining process,CTB should have sufficient mechanical strength to maintain the stability of the underground stopes and provide a safe environment for workers and mining equipment.However,in deep mining,cracks and imperfection in CTB are usually generated by the extraction of adjacent stopes,blasting disturbances,and stress concentration.Existence of these cracks weakens the engineering properties.It causes instability of backfill stopes and increases ore dilution.At present,the mechanical strength of CTB structures is improved by increasing binder content,which directly leads to an increased backfilling cost.Hence,to solve the problems mentioned above,CTB specimens were prepared with cement-tailings ratios of 1:10 and 1:20,and polypropylene fiber contents of 0,0.05%, 0.15%,and 0.25%(by dry weight of tailings and cement).The effect of fiber content on the mechanical strength and deformation properties were investigated by conducting unconfined compressive strength(UCS)tests.Referring to scanning electron microscopy (SEM),the mechanism of fiber reinforcement is discussed.Results indicate that the yield stress of fresh CTB mixtures increase linearly with increasing fiber content,and the rheological characteristic of the mixtures conformed to the behavior of Bingham.UCS values of CTB increase with increasing fiber content,but decrease when the fiber content is >0.15%.Optimal fiber content is 0.15%.It is found that fibers can effectively delay the expansion of cracks and constrain the deformation of backfill.The post-peak strain softening and 收稿日期：2018-12-14 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2018YFC0808403)
聚丙烯纤维加筋固化尾砂强度及变形特性 徐文彬1,2) 苣，李乾龙1)，田明明1) 1) 中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100083 2) 渥太华大学土木工程系，渥太华 K1N6N5 苣通信作者，E-mail：xuwb08@163.com 摘 要 针对胶结充填体脆性强、易开裂等问题，以聚丙烯纤维为加筋材料，通过设置水泥与尾砂质量比为 1∶10 和 1∶20， 纤维掺量为 0、0.05%、0.15% 和 0.25% 的充填体进行无侧限抗压强度试验，探究纤维掺量对胶结充填体强度及变形特性的影 响，借助扫描电镜（SEM），从微观角度探讨纤维对充填体力学性质的作用机制. 研究结果表明：充填料浆的屈服应力随纤维 掺量增加呈线性增大，其流态模型符合 Bingham 流体；随着纤维掺量的增加，充填体的无侧限抗压强度呈先增大后减小趋势， 纤维最优掺量为 0.15%；掺入纤维有效地减缓了裂纹的扩展，约束了充填体的变形，充填体的峰后应变软化延长，残余强度增 大，破坏特征由脆性向延性转变；纤维的加固效果主要受纤维与尾砂−水泥基体界面之间的黏结与摩擦作用控制. 关键词 胶结充填体；聚丙烯纤维；屈服应力；抗压强度；扫描电镜；破坏特征 分类号 TD 853 Strength and deformation properties of polypropylene fiber-reinforced cemented tailings backfill XU Wen-bin1,2) 苣 ，LI Qian-long1) ，TIAN Ming-ming1) 1) School of Energy and Mining Engineering, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China 2) Department of Civil Engineering, University of Ottawa, Ottawa K1N6N5, Canada 苣 Corresponding author, E-mail: xuwb08@163.com ABSTRACT Cemented tailings backfill (CTB) technology, an innovative mode of tailings management, has been widely applied in many metal mines worldwide due to its advantages of safety, environmental protection, and high economic benefit. During the mining process, CTB should have sufficient mechanical strength to maintain the stability of the underground stopes and provide a safe environment for workers and mining equipment. However, in deep mining, cracks and imperfection in CTB are usually generated by the extraction of adjacent stopes, blasting disturbances, and stress concentration. Existence of these cracks weakens the engineering properties. It causes instability of backfill stopes and increases ore dilution. At present, the mechanical strength of CTB structures is improved by increasing binder content, which directly leads to an increased backfilling cost. Hence, to solve the problems mentioned above, CTB specimens were prepared with cement-tailings ratios of 1∶10 and 1∶20, and polypropylene fiber contents of 0, 0.05%, 0.15%, and 0.25% (by dry weight of tailings and cement). The effect of fiber content on the mechanical strength and deformation properties were investigated by conducting unconfined compressive strength (UCS) tests. Referring to scanning electron microscopy (SEM), the mechanism of fiber reinforcement is discussed. Results indicate that the yield stress of fresh CTB mixtures increase linearly with increasing fiber content, and the rheological characteristic of the mixtures conformed to the behavior of Bingham. UCS values of CTB increase with increasing fiber content, but decrease when the fiber content is > 0.15%. Optimal fiber content is 0.15%. It is found that fibers can effectively delay the expansion of cracks and constrain the deformation of backfill. The post-peak strain softening and 收稿日期: 2018−12−14 基金项目: 国家重点研发计划资助项目 (2018YFC0808403) 工程科学学报，第 41 卷，第 12 期：1618−1626，2019 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 12: 1618−1626, December 2019 DOI：10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.14.002; http://journals.ustb.edu.cn
徐文彬等：聚丙烯纤维加筋固化尾砂强度及变形特性 ·1619 residual strength are improved by the addition of fibers.Failure characteristics of CTB are transformed from brittleness to ductility due to the mixed fibers.The reinforcement effect of fiber is mainly controlled by the adhesion and friction between fibers and tailings-cement matrix.The overall objectives are to improve current understanding of the mechanical properties of CTB,thereby reducing the risk of clogged pipelines and higher backfilling costs as well as improving the stability of CTB structures. KEY WORDS cemented tailings backfill;polypropylene fiber;yield stress;unconfined compressive strength;scanning electron microscopy;failure characteristics 深部充填开采活动常处于复杂的地质环境中山， 结充填体力学性能影响的研究极少，胶结充填体 在高地应力诱发的频繁岩爆及爆破落矿等动力扰 是由尾砂、胶凝剂和水按比例混合配制成的人工 动下，住往会造成胶结充填体内部出现微裂纹等 多相复合材料，其结构形式类似于岩土材料，而自 损伤，使充填体结构的连续性遭到破坏.并且，在 身又具有独特的物理力学性质，因此，有必要对纤 短时间内这些微裂纹会迅速扩展、延伸，进而产生 维胶结充填体的力学性能进行试验研究 宏观破裂，导致充填体强度和整体稳定性无法满 基于上述研究成果，笔者以聚丙烯纤维为加 足采场充填的要求四传统的充填矿山主要是通过 筋材料，通过开展流变试验和无侧限抗压强度试 增大充填料浆中水泥含量来提高充填体的强度， 验，在分析纤维对充填料浆流变特性影响的基础 但这就会造成充填成本增加，过高的水泥掺量引 上，探究纤维摻量对充填体力学强度及变形特性 起的充填体脆性增强、突发性破坏失稳等问题突 的影响，同时，借助扫描电镜(SEM),从微观角 出)因此，针对深部充填开采所处的特殊环境， 度探讨纤维对充填体力学性质的作用机制，研究 需要对胶结充填体强度和稳定性采取进一步的改 成果以期为矿山胶结充填材料的改良技术提供 进措施 参考 近年来，在岩土工程领域，为了提高软土、水 泥土和混凝土等土体介质的力学强度和稳定性， 1 试验过程 常常在土体中加入各种筋料，其中纤维加筋土是 1.1试验材料 将天然或人工纤维按比例掺入土体中，经充分混 试验材料选自某铜矿尾砂，采用激光粒度分 合搅拌形成的一种人工复合材料.作为一种新兴 析仪测试了尾砂的颗粒级配组成，如图1所示，该 的土体改良技术，国内外学者对于纤维加筋技术 尾砂超过50%的颗粒粒径小于28m,细粒尾砂 开展了大量研究，取得丰硕成果.Consoli等通过 (<20m)占23%左右；尾砂的化学组成成分见表1， 单轴抗压强度试验研究发现，掺入适量的纤维能 其中Si02(52.60%)质量分数较高，主要氧化物 显著提高水泥土的抗压强度.Akbulut等研究了 SiO2、Ca0、FezO3及Al2O3的总质量分数为85.08%， 纤维加筋黏土的剪切强度特性，发现添加纤维有 助于增大黏土的黏聚力和内摩擦角.黄晓燕等 适合制备胶结充填体.胶结剂选用P042.5普通 硅酸盐水泥，其化学组成成分见表1.纤维选用聚 通过拉伸试验探究了铁尾矿掺量对高延性纤维增 强水泥基复合材料抗拉强度的影响.鹿群等忉研 丙烯纤维（以下简称纤维），其物理力学参数见表2 究发现，摻入纤维能提高水泥土的抗压强度及抵 试验用水为普通自来水 抗疲劳的能力.Kakooei等图指出聚丙烯纤维为 100 15 ·一累计分布 1.5kgm3时，混凝土表现出最佳的抗压强度和韧 。微分分布 性.Hamidi和Hooresfand!9通过三轴试验研究发 60 9 现，聚丙烯纤维加筋土的应力一应变特性表现为典 型的应变硬化型.Ay和Sanjayano研究发现掺人 40 6 聚丙烯纤维能有效地控制混凝土的收缩变形 20 3 Lⅰ等四借助扫描电镜，研究了纤维/混凝土基体界 0 0 面过渡区强度对混凝土力学性能的影响.Tang等 01 10 100 1000 指出纤维的加固机制主要取决于纤维与黏土基质 粒径μm 之间的相互作用.目前，有关纤维加筋技术的研究 图1尾砂粒径分布图 大多数都是以土体介质为对象，而关于纤维对胶 Fig.I Tailings particle size distribution map
residual strength are improved by the addition of fibers. Failure characteristics of CTB are transformed from brittleness to ductility due to the mixed fibers. The reinforcement effect of fiber is mainly controlled by the adhesion and friction between fibers and tailings-cement matrix. The overall objectives are to improve current understanding of the mechanical properties of CTB, thereby reducing the risk of clogged pipelines and higher backfilling costs as well as improving the stability of CTB structures. KEY WORDS cemented tailings backfill； polypropylene fiber； yield stress； unconfined compressive strength； scanning electron microscopy；failure characteristics 深部充填开采活动常处于复杂的地质环境中[1] ， 在高地应力诱发的频繁岩爆及爆破落矿等动力扰 动下，往往会造成胶结充填体内部出现微裂纹等 损伤，使充填体结构的连续性遭到破坏. 并且，在 短时间内这些微裂纹会迅速扩展、延伸，进而产生 宏观破裂，导致充填体强度和整体稳定性无法满 足采场充填的要求[2] . 传统的充填矿山主要是通过 增大充填料浆中水泥含量来提高充填体的强度， 但这就会造成充填成本增加，过高的水泥掺量引 起的充填体脆性增强、突发性破坏失稳等问题突 出[3] . 因此，针对深部充填开采所处的特殊环境， 需要对胶结充填体强度和稳定性采取进一步的改 进措施. 近年来，在岩土工程领域，为了提高软土、水 泥土和混凝土等土体介质的力学强度和稳定性， 常常在土体中加入各种筋料，其中纤维加筋土是 将天然或人工纤维按比例掺入土体中，经充分混 合搅拌形成的一种人工复合材料. 作为一种新兴 的土体改良技术，国内外学者对于纤维加筋技术 开展了大量研究，取得丰硕成果. Consoli 等[4] 通过 单轴抗压强度试验研究发现，掺入适量的纤维能 显著提高水泥土的抗压强度. Akbulut 等[5] 研究了 纤维加筋黏土的剪切强度特性，发现添加纤维有 助于增大黏土的黏聚力和内摩擦角. 黄晓燕等[6] 通过拉伸试验探究了铁尾矿掺量对高延性纤维增 强水泥基复合材料抗拉强度的影响. 鹿群等[7] 研 究发现，掺入纤维能提高水泥土的抗压强度及抵 抗疲劳的能力. Kakooei 等[8] 指出聚丙烯纤维为 1.5 kg·m−3 时，混凝土表现出最佳的抗压强度和韧 性. Hamidi 和 Hooresfand[9] 通过三轴试验研究发 现，聚丙烯纤维加筋土的应力−应变特性表现为典 型的应变硬化型. Aly 和 Sanjayan[10] 研究发现掺入 聚丙烯纤维能有效地控制混凝土的收缩变形. Li 等[11] 借助扫描电镜，研究了纤维/混凝土基体界 面过渡区强度对混凝土力学性能的影响. Tang 等[12] 指出纤维的加固机制主要取决于纤维与黏土基质 之间的相互作用. 目前，有关纤维加筋技术的研究 大多数都是以土体介质为对象，而关于纤维对胶 结充填体力学性能影响的研究极少. 胶结充填体 是由尾砂、胶凝剂和水按比例混合配制成的人工 多相复合材料，其结构形式类似于岩土材料，而自 身又具有独特的物理力学性质，因此，有必要对纤 维胶结充填体的力学性能进行试验研究. 基于上述研究成果，笔者以聚丙烯纤维为加 筋材料，通过开展流变试验和无侧限抗压强度试 验，在分析纤维对充填料浆流变特性影响的基础 上，探究纤维掺量对充填体力学强度及变形特性 的影响，同时，借助扫描电镜（ SEM），从微观角 度探讨纤维对充填体力学性质的作用机制，研究 成果以期为矿山胶结充填材料的改良技术提供 参考. 1 试验过程 1.1 试验材料 试验材料选自某铜矿尾砂，采用激光粒度分 析仪测试了尾砂的颗粒级配组成，如图 1 所示，该 尾砂超过 50% 的颗粒粒径小于 28 μm，细粒尾砂 （<20 μm）占 23% 左右；尾砂的化学组成成分见表 1， 其 中 SiO2（ 52.60%）质量分数较高 ，主要氧化 物 SiO2、CaO、Fe2O3 及 Al2O3 的总质量分数为 85.08%， 适合制备胶结充填体. 胶结剂选用 P·O 42.5 普通 硅酸盐水泥，其化学组成成分见表 1. 纤维选用聚 丙烯纤维（以下简称纤维），其物理力学参数见表 2. 试验用水为普通自来水. 累计分布 微分分布 100 80 60 40 20 0 累计分布/% 0.1 1 10 100 1000 粒径/μm 15 12 9 6 3 0 微分分布/% 图 1 尾砂粒径分布图 Fig.1 Tailings particle size distribution map 徐文彬等： 聚丙烯纤维加筋固化尾砂强度及变形特性 · 1619 ·
·1620 工程科学学报.第41卷，第12期 表1尾砂和水泥的化学组成成分 Table1 Chemical composition of tailings and cement 化学成分质量分数% 材料 SiOz Ca0 Fe2O3 Al203 MnO K20 Mgo CuO S03 Na,O TiOz 烧失量 尾砂 52.60 11.60 17.20 3.68 0.11 2.43 4.56 019 0 4.87 1.75 1.01 水泥 20.34 64.78 3.11 5.02 0 0.35 1.09 0 2.20 0.10 0.26 2.75 表2聚丙烯纤维的物理力学参数 Table 2 Physical and mechanical parameters of polypropylene fiber 类型 长度/mm 直径/μm 密度/八gm3) 抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa 延伸率/% 耐酸碱性分散性 束状单丝 12 31 0.91 ≥400 ≥3.5 30 极强 极好 1.2试件制备 行拍照，记录并保存相关数据. 试验时考虑灰砂比、纤维掺量和养护龄期三 2试验结果及分析 个变量，根据充填现场实际情况，选择水泥与尾砂 质量比（灰砂比）为1：10制备充填体试件，并设置 2.1充填料浆流变参数 灰砂比1：20作为对照组：聚丙烯纤维摻量分别为 相关研究表明对于高浓度充填料浆可以应用 尾砂和水泥总质量的0.00%、0.05%、0.15%、0.25%： Hershel-Bulkley模型对试验数据进行拟合分析 养护龄期为3、7、28d. T=T0+4y” (1) 制备前将尾砂烘干并过筛，按照试验方案配 式中：t表示剪切应力，Pa;o表示屈服应力，Pa;u表 比要求，分别称取相应的尾砂、水泥、聚丙烯纤维 示塑性黏度，Pas;y表示剪切速率，s;n表示流变 和水，纤维的掺入采用干拌法)具体操作过程如 特性指数 下：先将尾砂、水泥放入搅拌机内搅拌2min,同 基于Hershel-Bulkley模型，对试验数据进行拟 时，在搅拌过程中将纤维分少量多次掺入其中，确 合，得到了充填料浆的流变特性参数，如表3所 保纤维充分分散以后，再加入水继续搅拌3~5min, 示.由表3可知，不同纤维掺量下料浆剪切速率与 以不产生结团为原则，搅拌成混合均匀的充填料 剪切应力的变化关系为不经过原点的直线，说明 浆，其质量分数均为75%；然后将上述制备好的料 料浆存在屈服应力，其流态模型符合Bingham流 浆取一部分放入500mL的烧杯中用于流变测试， 体，相关性系数R均大于0.98，表明回归显著.图2 剩余部分注人单个尺寸为o50mm×100mm的圆柱 为料浆屈服应力随纤维掺量的变化关系.由图2 体模具中，振动密实，刮平表面，放入恒温恒湿（温 可知，当灰砂比一定时，随着纤维掺量的增加，料 度：20吐1℃，相对湿度：95%以上)养护箱内养护 浆屈服应力呈线性增长，这主要是因为纤维分散 24h后，脱模并分组编号，最后将各组充填体试件 在料浆中相互搭接形成的网状结构，阻碍了料浆 置于养护箱内继续养护 中粗颗粒的离析、沉降啊，提高了料浆的均质性、 1.3试验方法 整体性，使得料浆抵抗剪切变形的能力增强.此 1.3.1流变试验 外，由于水泥水化反应生成胶结性产物，包裹在纤 流变试验所用仪器为奥地利安东帕公司生产 维表面，增大了尾砂颗粒与纤维表面之间的摩擦 的Rheolab QC旋转流变仪，试验时采用控制剪切 力，从而导致屈服应力也随之增大.当纤维掺量达 速率的方式进行剪切测试，即剪切速率从0s上 到0.25%时，灰砂比1：10、1：20的充填料浆屈服 升到120s:通过多次配制料浆、多次测量取平均 应力分别为136.60Pa、130.08Pa,此时，仍然满足 值以消除误差 管道输送的要求 1.3.2无侧限抗压强度试验 2.2应力-应变关系 无侧限抗压强度试验所用仪器为电液伺服压 图3为充填体试件应力-应变关系曲线（以灰砂 力机，待各组试件养护至既定龄期时，按照试验操 比l:l0为例)，其中CTB(cemented tailings backfill) 作要求分别对其进行抗压强度测试，在加载过程 代表胶结充填体.由图3可知，与普通岩石单轴压 中实时观察试件的变化情况，对破坏后的试件进 缩过程相似，充填体试件应力-应变关系曲线均存
1.2 试件制备 试验时考虑灰砂比、纤维掺量和养护龄期三 个变量，根据充填现场实际情况，选择水泥与尾砂 质量比（灰砂比）为 1∶10 制备充填体试件，并设置 灰砂比 1∶20 作为对照组；聚丙烯纤维掺量分别为 尾砂和水泥总质量的 0.00%、0.05%、0.15%、0.25%； 养护龄期为 3、7、28 d. 制备前将尾砂烘干并过筛，按照试验方案配 比要求，分别称取相应的尾砂、水泥、聚丙烯纤维 和水，纤维的掺入采用干拌法[13] ，具体操作过程如 下：先将尾砂、水泥放入搅拌机内搅拌 2 min，同 时，在搅拌过程中将纤维分少量多次掺入其中，确 保纤维充分分散以后，再加入水继续搅拌 3～5 min， 以不产生结团为原则，搅拌成混合均匀的充填料 浆，其质量分数均为 75%；然后将上述制备好的料 浆取一部分放入 500 mL 的烧杯中用于流变测试， 剩余部分注入单个尺寸为 ϕ50 mm×100 mm 的圆柱 体模具中，振动密实，刮平表面，放入恒温恒湿（温 度 ：20±1 ℃，相对湿度：95% 以上）养护箱内养护 24 h 后，脱模并分组编号，最后将各组充填体试件 置于养护箱内继续养护. 1.3 试验方法 1.3.1 流变试验 流变试验所用仪器为奥地利安东帕公司生产 的 Rheolab QC 旋转流变仪，试验时采用控制剪切 速率的方式进行剪切测试，即剪切速率从 0 s−1 上 升到 120 s−1；通过多次配制料浆、多次测量取平均 值以消除误差. 1.3.2 无侧限抗压强度试验 无侧限抗压强度试验所用仪器为电液伺服压 力机，待各组试件养护至既定龄期时，按照试验操 作要求分别对其进行抗压强度测试，在加载过程 中实时观察试件的变化情况，对破坏后的试件进 行拍照，记录并保存相关数据. 2 试验结果及分析 2.1 充填料浆流变参数 相关研究表明对于高浓度充填料浆可以应用 Hershel-Bulkley 模型[14] 对试验数据进行拟合分析 τ = τ0 +µγn （1） 式中：τ 表示剪切应力，Pa；τ0 表示屈服应力，Pa；μ 表 示塑性黏度，Pa·s；γ 表示剪切速率，s −1 ；n 表示流变 特性指数. 基于 Hershel-Bulkley 模型，对试验数据进行拟 合，得到了充填料浆的流变特性参数，如表 3 所 示. 由表 3 可知，不同纤维掺量下料浆剪切速率与 剪切应力的变化关系为不经过原点的直线，说明 料浆存在屈服应力，其流态模型符合 Bingham 流 体，相关性系数 R 2 均大于 0.98，表明回归显著. 图 2 为料浆屈服应力随纤维掺量的变化关系. 由图 2 可知，当灰砂比一定时，随着纤维掺量的增加，料 浆屈服应力呈线性增长，这主要是因为纤维分散 在料浆中相互搭接形成的网状结构，阻碍了料浆 中粗颗粒的离析、沉降[15] ，提高了料浆的均质性、 整体性，使得料浆抵抗剪切变形的能力增强. 此 外，由于水泥水化反应生成胶结性产物，包裹在纤 维表面，增大了尾砂颗粒与纤维表面之间的摩擦 力，从而导致屈服应力也随之增大. 当纤维掺量达 到 0.25% 时，灰砂比 1∶10、1∶20 的充填料浆屈服 应力分别为 136.60 Pa、130.08 Pa，此时，仍然满足 管道输送的要求. 2.2 应力−应变关系 图 3 为充填体试件应力−应变关系曲线（以灰砂 比 1∶10 为例），其中 CTB（cemented tailings backfill） 代表胶结充填体. 由图 3 可知，与普通岩石单轴压 缩过程相似，充填体试件应力−应变关系曲线均存 表 1 尾砂和水泥的化学组成成分 Table 1 Chemical composition of tailings and cement 材料 化学成分质量分数/% SiO2 CaO Fe2O3 Al2O3 MnO K2O MgO CuO SO3 Na2O TiO2 烧失量 尾砂 52.60 11.60 17.20 3.68 0.11 2.43 4.56 0.19 0 4.87 1.75 1.01 水泥 20.34 64.78 3.11 5.02 0 0.35 1.09 0 2.20 0.10 0.26 2.75 表 2 聚丙烯纤维的物理力学参数 Table 2 Physical and mechanical parameters of polypropylene fiber 类型 长度/mm 直径/μm 密度/（g·m−3） 抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa 延伸率/% 耐酸碱性 分散性 束状单丝 12 31 0.91 ≥400 ≥3.5 30 极强 极好 · 1620 · 工程科学学报，第 41 卷，第 12 期
徐文彬等：聚丙烯纤维加筋固化尾砂强度及变形特性 1621· 150 +一灰砂比1：10 表3料浆流变特性参数 ·一灰砂比1：20 130 Table 3 Rheological property parameters of the slurry 灰砂比纤维掺量/% 拟合方程 相关系数，R 10 1:10 0.00 =65.84+1.22y 1.00 0.9908 1:10 90 0.05 =83.49+1.57y 1.00 0.9921 1:10 0.15 =107.46+1.84y 1.00 0.9894 70 1:10 0.25 =136.60+2.61y 1.00 0.9893 1:20 0.00 =63.98+1.071 1.00 0.9830 50 0 0.05 0.100.150200250.30 1:20 0.05 =78.45+1.50y 1.00 0.9920 纤维摻量% 1:20 0.15 =103.59+1.93y 1.00 0.9917 图2料浆屈服应力随纤维掺量变化关系 1:20 0.25 =130.08+2.27y 1.00 0.9876 Fig.2 Relationship between yield stress and viscosity coefficient of slurry with fiber content 线前期介于0.05%和0.15%的曲线之间，但残余强 在五个阶段，即：压密阶段、弹性阶段、屈服变形阶 度阶段却高于0.15%的曲线，这表明随着纤维掺量 段、峰后应变软化阶段及残余强度阶段6以灰砂 增加，纤维的增强作用具有后期效应)未掺纤维 比1：10、养护龄期28d的试件为例，如图3(c) 的试件达到峰值应力后，强度瞬间丧失，应力随应 所示，分析纤维掺量对充填体应力-应变关系的影 变增加呈陡降式跌落，脆性破坏特征明显.而掺入 响.由图3(c)可知，掺入纤维能有效提高试件破坏 纤维的试件破坏后，峰值强度损失较小，峰后存在 时的峰值应力，且试件达到峰值应力时，对应的轴 较长的应变软化阶段：随着应变不断地增加，应力 向应变也随纤维掺量增加而增大.掺量为0.15%的 缓慢下降，并逐渐趋于稳定值，试件保持较高的残 曲线明显高于其他三条曲线，这说明掺量为0.15% 余强度.从应力-应变曲线变化趋势可看出，随着纤 时，纤维发挥的增强效果最好；掺量为025%的曲 维掺量增加，充填体由脆性向塑性、延性过渡 (a)2.5 (b)2.5 2.0 2.0 1.5 1.0 1.0 纤维掺量0.15% 纤维摻量0.25% 0.5 0.5 纤维掺量0 纤维摻量0.05%纤维播量0.25% 纤维量0 0 纤维接量0.059%纤维拾量0.15% 0 1 3 4 5 6 45 轴向应变% 轴向应变% (c)2.5 2.0 1.0 纤维掺量025% 0.5 纤维擒量0.05% 纤维摻量0 纤维推量0.15% 5 6 轴向应变% 图3充填体试件应力-应变关系曲线.(a)养护龄期3d;(b)养护龄期7d(c)养护龄期28d Fig.3 Stress-strain curves of CTB specimens:(a)curing age of 3 d;(b)curing age of 7 d,(c)curing age of 28 d
在五个阶段，即：压密阶段、弹性阶段、屈服变形阶 段、峰后应变软化阶段及残余强度阶段[16] . 以灰砂 比 1∶10、养护龄期 28 d 的试件为例 ，如图 3（ c） 所示，分析纤维掺量对充填体应力−应变关系的影 响. 由图 3（c）可知，掺入纤维能有效提高试件破坏 时的峰值应力，且试件达到峰值应力时，对应的轴 向应变也随纤维掺量增加而增大. 掺量为 0.15% 的 曲线明显高于其他三条曲线，这说明掺量为 0.15% 时，纤维发挥的增强效果最好；掺量为 0.25% 的曲 线前期介于 0.05% 和 0.15% 的曲线之间，但残余强 度阶段却高于 0.15% 的曲线，这表明随着纤维掺量 增加，纤维的增强作用具有后期效应[17] . 未掺纤维 的试件达到峰值应力后，强度瞬间丧失，应力随应 变增加呈陡降式跌落，脆性破坏特征明显. 而掺入 纤维的试件破坏后，峰值强度损失较小，峰后存在 较长的应变软化阶段；随着应变不断地增加，应力 缓慢下降，并逐渐趋于稳定值，试件保持较高的残 余强度. 从应力−应变曲线变化趋势可看出，随着纤 维掺量增加，充填体由脆性向塑性、延性过渡. 表 3 料浆流变特性参数 Table 3 Rheological property parameters of the slurry 灰砂比 纤维掺量/% 拟合方程 n 相关系数，R 2 1∶10 0.00 τ=65.84+1.22γ 1.00 0.9908 1∶10 0.05 τ=83.49+1.57γ 1.00 0.9921 1∶10 0.15 τ=107.46+1.84γ 1.00 0.9894 1∶10 0.25 τ=136.60+2.61γ 1.00 0.9893 1∶20 0.00 τ=63.98+1.07γ 1.00 0.9830 1∶20 0.05 τ=78.45+1.50γ 1.00 0.9920 1∶20 0.15 τ=103.59+1.93γ 1.00 0.9917 1∶20 0.25 τ=130.08+2.27γ 1.00 0.9876 150 110 130 90 70 50 屈服应力/Pa 灰砂比1∶10 灰砂比1∶20 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 纤维掺量/% 图 2 料浆屈服应力随纤维掺量变化关系 Fig.2 Relationship between yield stress and viscosity coefficient of slurry with fiber content 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 轴向应力/MPa (a) 0 1 2 3 4 5 6 轴向应变/% 纤维掺量0.15% 纤维掺量0 纤维掺量0.05% 纤维掺量0.25% 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 轴向应力/MPa (b) 0 1 2 3 4 5 6 轴向应变/% 纤维掺量0.25% 纤维掺量0.15% 纤维掺量0.05% 纤维掺量0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 轴向应力/MPa (c) 0 1 2 3 4 5 6 轴向应变/% 纤维掺量0.25% 纤维掺量0.15% 纤维掺量0.05% 纤维掺量0 图 3 充填体试件应力−应变关系曲线. (a) 养护龄期 3 d; (b) 养护龄期 7 d; (c) 养护龄期 28 d Fig.3 Stress−strain curves of CTB specimens: (a) curing age of 3 d; (b) curing age of 7 d; (c) curing age of 28 d 徐文彬等： 聚丙烯纤维加筋固化尾砂强度及变形特性 · 1621 ·
.1622 工程科学学报，第41卷，第12期 目前，关于充填体脆性定量评价指标的研究 期相同时，充填体试件抗压强度随纤维掺量增加 成果相对较少，而在岩石领域方面，众多学者基于 呈现先增大后减小趋势，各组试件抗压强度均在 强度、应力-应变曲线、能量变化等方面提出了许 纤维掺量为0.15%时达到最大值，此时，与未掺纤 多定量评价岩石脆性的指标.周辉等在讨论和 维的试件相比，灰砂比1：10对应的各龄期试件抗 总结前人提出的各种评价岩石脆性指标的基础 压强度增幅分别为21.98%、32.00%、27.84%，灰砂 上，通过考虑应力-应变曲线峰后应力降的相对大 比1：20对应的各龄期试件抗压强度增幅分别为 小和绝对速率，提出了一种定量评价岩石脆性的 46.15%、43.66%、30.21%.当纤维掺量超过0.15%时， 新指标，因此，为了进一步定量分析纤维对胶结充 充填体试件抗压强度增幅呈现降低趋势，这说明 填体脆性的影响，定义： 充填料浆中纤维参量并不是越大越好，而是存在 Ao=Op-Or (2) 最优掺量，该现象与其他学者对纤维加筋土的研 op 究结论类似920 式中：△，为充填体试件峰后应力降的大小，op为 2.4扫描电镜微观结构分析 峰值强度，σ，为残余强度 图5为纤维充填体试件破坏断口形貌.从图5 v=IsVabl (3) 可看出，聚丙烯纤维自身化学性质比较稳定，掺杂 10 在充填料浆中不会发生化学反应.将图5局部放 式中：。为充填体试件峰后应力降的绝对速率； 大到50m可看到，纤维表面被许多针棒状、絮团 kb表示试件应力-应变曲线从屈服起始点a到残 状的水化产物和尾砂颗粒的胶结物所包裹，这表 余起始点b连线的斜率；以10为分母的目的是将 明纤维与胶结物黏结性较好.适量的纤维经过混 。转化为0~1变化范围的数值 合搅拌后，分散在料浆中，相当于“加筋”，多根纤 表征充填体试件脆性程度的指标为B: 维在料浆固结过程中相互粘联形成稳定的网状结 Bs AorU,=p-:lglkabl (4) 构，起到物理加固的作用，如图6所示（纤维掺量 Op 10 为0.15%).在加载前期，充填体试件受轴向应力作 以养护龄期28d的充填体试件应力-应变曲 用时，纤维能够传递和分散载荷，降低试件内部应 线为例，通过计算得到充填体试件脆性程度指标 力集中程度，使试件整体受力均匀，力学性能得到 B。值，结果如表4所示，当灰砂比和养护龄期一定 改善.另外，这种纤维网状结构还会形成一种等效 时，随着纤维摻量增加，充填体试件峰后应力降的 围压的作用力，约束试件因压缩产生的侧向变 大小和绝对速率逐渐减小，说明纤维对试件峰后 形，使其体积稳定性得到提高.当纤维掺量较低 强度影响显著，表征充填体试件脆性程度的指标 时，单位体积料浆中分散的纤维数目较少，无法形 B、值也随之减小，说明纤维能改善充填体的脆性 成稳定的网状结构：纤维摻量过高，料浆在搅拌过 表4，不同纤维掺量下充填体试件脆性程度指标 程中，纤维容易出现缠绕结团，造成纤维分散不均 Table 4 Brittleness index of CTB specimens under different fiber 匀，无法达到最佳的增强效果.因此，由试验结果 contents 可以确定，在本试验方案设置的纤维参量梯度范 灰砂比 纤维掺量/9% △o Vo B 围内0.15%为最优掺量 1:10 0.00 0.93 0.2959 0.2752 当充填体试件发生变形时，纤维的增强效果 1:10 0.05 0.83 0.2479 0.2058 主要受纤维与尾砂-水泥基体界面之间的黏结和 1:10 0.15 0.81 02434 0.1972 摩擦作用控制，其力学作用示意如图7所示.由于 1:10 0.25 0.71 0.2172 0.1542 水化产物的胶结作用，使得横跨于裂纹两侧的纤 1:20 0.00 0.86 0.2704 0.2325 维在其两端形成类似“锚固”作用的区域.随着外 1:20 0.05 0.78 0.2243 0.1750 部载荷增加，试件内部微裂纹开始扩展、延伸时， 1:20 0.15 0.67 0.2041 0.1367 纤维受拉将承担相应的拉应力，并通过纤维将载 1:20 0.25 0.66 0.1971 0.1301 荷传递到裂纹两侧块体中，降低了裂纹两端的应 力强度因子，因而，有效地延缓或抑制了新裂纹的 2.3纤维掺量对充填体抗压强度的影响 产生以及原有裂纹的进一步扩展，尤其是张性裂 图4表示充填体试件无侧限抗压强度随纤维 纹沿其原破裂面的扩展.当拉应力超过界面摩擦 掺量的变化关系.由图4可知，当灰砂比和养护龄 力时，纤维将会从基体中拔出，留下相应的凹槽
目前，关于充填体脆性定量评价指标的研究 成果相对较少，而在岩石领域方面，众多学者基于 强度、应力−应变曲线、能量变化等方面提出了许 多定量评价岩石脆性的指标. 周辉等[18] 在讨论和 总结前人提出的各种评价岩石脆性指标的基础 上，通过考虑应力−应变曲线峰后应力降的相对大 小和绝对速率，提出了一种定量评价岩石脆性的 新指标，因此，为了进一步定量分析纤维对胶结充 填体脆性的影响，定义： ∆σ = σp −σr σp （2） 式中：Δσ 为充填体试件峰后应力降的大小，σp 为 峰值强度，σr 为残余强度. υσ= lg|kab| 10 （3） 式中： υσ 为充填体试件峰后应力降的绝对速率； kab 表示试件应力−应变曲线从屈服起始点 a 到残 余起始点 b 连线的斜率；以 10 为分母的目的是将 υσ 转化为 0～1 变化范围的数值. 表征充填体试件脆性程度的指标为 Bs： Bs = ∆συσ = σp −σr σp lg|kab| 10 （4） 以养护龄期 28 d 的充填体试件应力−应变曲 线为例，通过计算得到充填体试件脆性程度指标 Bs 值，结果如表 4 所示，当灰砂比和养护龄期一定 时，随着纤维掺量增加，充填体试件峰后应力降的 大小和绝对速率逐渐减小，说明纤维对试件峰后 强度影响显著，表征充填体试件脆性程度的指标 Bs 值也随之减小，说明纤维能改善充填体的脆性. 2.3 纤维掺量对充填体抗压强度的影响 图 4 表示充填体试件无侧限抗压强度随纤维 掺量的变化关系. 由图 4 可知，当灰砂比和养护龄 期相同时，充填体试件抗压强度随纤维掺量增加 呈现先增大后减小趋势，各组试件抗压强度均在 纤维掺量为 0.15% 时达到最大值，此时，与未掺纤 维的试件相比，灰砂比 1∶10 对应的各龄期试件抗 压强度增幅分别为 21.98%、32.00%、27.84%，灰砂 比 1∶20 对应的各龄期试件抗压强度增幅分别为 46.15%、43.66%、30.21%. 当纤维掺量超过 0.15% 时， 充填体试件抗压强度增幅呈现降低趋势，这说明 充填料浆中纤维掺量并不是越大越好，而是存在 最优掺量，该现象与其他学者对纤维加筋土的研 究结论类似[19−20] . 2.4 扫描电镜微观结构分析 图 5 为纤维充填体试件破坏断口形貌. 从图 5 可看出，聚丙烯纤维自身化学性质比较稳定，掺杂 在充填料浆中不会发生化学反应. 将图 5 局部放 大到 50 μm 可看到，纤维表面被许多针棒状、絮团 状的水化产物和尾砂颗粒的胶结物所包裹，这表 明纤维与胶结物黏结性较好. 适量的纤维经过混 合搅拌后，分散在料浆中，相当于“加筋”，多根纤 维在料浆固结过程中相互粘联形成稳定的网状结 构，起到物理加固的作用，如图 6 所示（纤维掺量 为 0.15%）. 在加载前期，充填体试件受轴向应力作 用时，纤维能够传递和分散载荷，降低试件内部应 力集中程度，使试件整体受力均匀，力学性能得到 改善. 另外，这种纤维网状结构还会形成一种等效 围压[21] 的作用力，约束试件因压缩产生的侧向变 形，使其体积稳定性得到提高. 当纤维掺量较低 时，单位体积料浆中分散的纤维数目较少，无法形 成稳定的网状结构；纤维掺量过高，料浆在搅拌过 程中，纤维容易出现缠绕结团，造成纤维分散不均 匀，无法达到最佳的增强效果. 因此，由试验结果 可以确定，在本试验方案设置的纤维掺量梯度范 围内 0.15% 为最优掺量. 当充填体试件发生变形时，纤维的增强效果 主要受纤维与尾砂−水泥基体界面之间的黏结和 摩擦作用控制，其力学作用示意如图 7 所示. 由于 水化产物的胶结作用，使得横跨于裂纹两侧的纤 维在其两端形成类似“锚固”作用的区域. 随着外 部载荷增加，试件内部微裂纹开始扩展、延伸时， 纤维受拉将承担相应的拉应力，并通过纤维将载 荷传递到裂纹两侧块体中，降低了裂纹两端的应 力强度因子，因而，有效地延缓或抑制了新裂纹的 产生以及原有裂纹的进一步扩展，尤其是张性裂 纹沿其原破裂面的扩展. 当拉应力超过界面摩擦 力时，纤维将会从基体中拔出，留下相应的凹槽， 表 4 不同纤维掺量下充填体试件脆性程度指标 Table 4 Brittleness index of CTB specimens under different fiber contents 灰砂比 纤维掺量/% △σ υσ Bs 1∶10 0.00 0.93 0.2959 0.2752 1∶10 0.05 0.83 0.2479 0.2058 1∶10 0.15 0.81 0.2434 0.1972 1∶10 0.25 0.71 0.2172 0.1542 1∶20 0.00 0.86 0.2704 0.2325 1∶20 0.05 0.78 0.2243 0.1750 1∶20 0.15 0.67 0.2041 0.1367 1∶20 0.25 0.66 0.1971 0.1301 · 1622 · 工程科学学报，第 41 卷，第 12 期