金佳旭 楊 輝 張晨曦 吳謹妤 史明月3

（1.遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧阜新123000；2.阜新市住房建設投資有限公司，遼寧阜新123000；3.遼寧大學后勤工作處，遼寧沈陽110000）

我國鐵尾礦排放量大，綜合利用率低，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國累計堆存的鐵尾礦量高達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污染環(huán)境，占用土地，而且還要支付土地征用費、運輸費和填埋費等，反而增加了生產(chǎn)成本，同時也造成了資源浪費［2］。所以，實現(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，且尾礦砂的顆粒級配遠不如天然砂，不同地區(qū)尾礦砂的強度又存在差別［3-4］，如何加以利用是一個比較復雜的問題。在科學研究中，通常在砂體中通過加筋來增強砂體的抗剪強度和穩(wěn)定性，例如土工布等合成材料。纖維具有抗拉強度高、分散性好、延性強等特點，可以有效地摻入鐵尾礦材料中，抑制裂縫的萌生和擴展，提高基體的強度［5］。近幾年來，纖維加筋材料已經(jīng)逐漸進入研究人員的視野，且在實際工程項目中得到了初步應用。科研人員研究了纖維在峰值應力應變和低塑性指數(shù)下的良好性能［6-7］，并進行了許多試驗來研究纖維增強砂和土的益處［8-11］。通過拌合加入的纖維不僅能夠提高砂體的黏聚力、剪切強度，而且砂體發(fā)生破壞時所需要的應力也會更大，使砂體呈現(xiàn)相對較高的韌性。

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

1 試驗原料及方法

1.1 試驗原料

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《土工試驗方法標準》［12］進行基本常規(guī)試驗，尾礦砂級配曲線如圖1所示，有關力學特性如表1所示。

本研究采用單絲聚丙烯纖維（見圖2）來加固尾礦砂，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劑為粉煤灰硅酸鹽水泥32.5，添加量為5%。

1.2 試驗方案

纖維摻入量和含水率影響加筋鐵尾礦的抗剪強度；無側限抗壓強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構性能。因此，為了研究不同因素對加筋鐵尾礦的影響，直接剪切和無側限抗壓試驗在不同的含水率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）條件下進行。在進行無側限抗壓試驗時，加入5%的粉煤灰水泥起黏結作用。用攪拌機攪拌尾礦與水泥，為防止纖維飛絮，采用手動方式拌合。攪拌均勻后按照比例壓制成模型試件。

掃描電鏡（SEM）的試樣選取無側限抗壓強度的破壞樣品，脫水1 d后開始真空干燥。分析了單絲聚丙烯纖維對尾礦砂試樣微觀結構性能的影響，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。直接剪切試驗儀器采用ZJ（DSJ-2）四聯(lián)應變控制式直剪儀（見圖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度后，進行直剪試驗。無側限抗壓強度試驗儀器采用WDW-Y300D微機控制全自動抗壓抗折儀（見圖5），試樣在0.2 mm/min的恒定位移速率下加載，每隔1 s將應力和位移變化在Excel表格中進行一次整理，直到樣品被壓壞為止。

用場發(fā)射電子顯微鏡系統(tǒng)進行SEM分析，獲得不同放大倍數(shù)的照片，觀察尾礦砂的微觀結構。在測試之前，將樣品加工成薄片，并且噴金涂覆，以使樣品表面導電。

2 結果與分析

2.1 纖維加筋尾礦砂的剪切結果與分析

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

試驗測得尾礦砂不同含水率條件下纖維含量對黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響，結果如圖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)摩擦角無明顯變化。說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作用，或作用很小可忽略不計［14］，使尾礦顆粒構不能形成團聚結構體。因此改變不了尾礦顆粒之間的連接接觸面，只能通過咬合阻力去抵抗剪應力，在宏觀上體現(xiàn)的就是纖維加筋對內(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，這和文獻［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，其內(nèi)摩擦角相對較?。?4］；當尾礦砂中加入水后，尾礦砂顆粒之間容易壓實，降低了尾礦砂的流動性，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。當含水率增大時，尾礦砂顆粒流動性增大，內(nèi)摩擦角趨于平緩；如果加水過量，則尾礦砂內(nèi)摩擦角會出現(xiàn)減少的趨勢，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，當纖維含量達到0.3%時，黏聚力均達到峰值，說明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，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構體，黏聚力因此增大。但含水率過量時，增加了尾礦砂的流動性，黏聚力開始降低。在本試驗中纖維含量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［13］中可知，試件的抗剪強度隨著黏聚力和內(nèi)摩擦角的增大而增大，本試驗中黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著含水率的增長均呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢，因此抗剪強度也會呈相同的趨勢；而纖維含量對內(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)先增長后降低的趨勢，因此，抗剪強度也會呈現(xiàn)類似的趨勢，相對平緩。

2.2 無側限抗壓強度試驗

試驗測得尾礦砂不同含水率條件下纖維含量對無側限抗壓強度的影響，結果如圖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度呈先增加后減少的趨勢，當纖維含量為0.3%時，單軸抗壓強度均達到峰值，說明纖維含量0.3%為最佳加筋率。這是因為尾礦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)狀構建體，“網(wǎng)”住了尾礦，限制了其的側向變形，提高了尾礦的整體性和穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)單軸抗壓強度的增加。雖然纖維可以增強尾礦顆?！w粒結構的相互作用，提高尾礦砂試件的強度，但纖維含量過高時，由于表面光滑，其本身不具備黏聚力［15］，會在尾礦砂試樣的內(nèi)部產(chǎn)生一個弱的結構表面。當尾礦砂試樣受到外部壓縮時，過多的弱結構面會在壓縮達到峰值應力之前導致尾礦砂試樣失效，單抽抗壓強度降低。由圖7還可知，在纖維含量一定的情況下，單抽抗壓強度也呈現(xiàn)相同的趨勢，12%為最佳含水率。這是因為水的加入使鐵尾礦更容易壓密，導致單軸抗壓強度的增加，但當含水率過多時，加筋尾礦整體的流動性增加，導致單軸抗壓強度降低。

2.3 宏觀結構破壞分析

宏觀結構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分別為直剪試驗破壞模式和無側限宏觀結構破壞模式下的試樣。

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，因此剪切過程變長，剪切位移增大。未加筋試樣（圖8（c））則達到試件的破壞條件時立即破壞，沒有纖維提供拉力，所以剪切過程相對于加筋試件較短，剪切位移也相對較小。當把上剪切面剝除后，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，來抵消部分剪切應力。

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)了幾個微小的裂紋。雖然它已經(jīng)超過了極限抗壓強度，但纖維加筋尾礦砂試件保持了完整性和殘余強度。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。說明纖維往往能橋接裂紋，防止裂紋擴展，從而防止過早破壞，提高尾礦砂試件的強度和延展性。

2.4 SEM掃描電鏡的結果與分析

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，當受到外荷載作用發(fā)生破壞時，長度方向上纖維處于受拉狀態(tài)，此時能夠承擔的拉應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，砂體相對于纖維的移動受到了一定的阻力，大部分均勻分布的纖維在砂體當中構成一種網(wǎng)狀的橋架結構（圖10（b）），從而限制了砂體顆粒的側向變形，提高了砂體整體的完整性、強度和穩(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度（≥350 MPa）和較高的彈性模量（≥3 500 MPa），使其具有很強的伸縮性。在壓力作用下，纖維發(fā)生彈性變形而不發(fā)生斷裂，這也是一個能量吸收的過程。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度。因此，纖維能夠有效地增加尾礦砂無側限抗壓強度。

3 結 論

（1）在尾礦砂中纖維均勻分布，加筋尾礦中基本的力學機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改變筋/砂界面之間的力學模式及特征。

（2）在尾礦砂中，纖維表層基本上被砂體包圍，當纖維受到剪切破壞時，纖維處于受拉狀態(tài)，此時能夠承受的剪應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小；在加筋纖維含量一定的時候，黏聚力隨著含水率的增加也呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。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，單軸抗壓強度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。在含水率為12%，纖維含量為0.3%時取得單軸抗壓強度最大值265.3 kPa。

（6）宏觀結構破壞分析和SEM微結構試驗表明纖維起橋接裂紋作用，主要通過筋/砂界面的摩擦和黏結抵消外力。