王喜嬋，郭忠林，孫 偉

(1.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093；2.云南省中-德藍(lán)色礦山與特殊地下空間開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650093)

伴隨著礦井開(kāi)采深度的增加，因開(kāi)采過(guò)程中復(fù)雜環(huán)境的影響，深部開(kāi)采災(zāi)害時(shí)有發(fā)生[1-2]，而充填采礦方法越來(lái)越多的被應(yīng)用到深井開(kāi)采中，以解決深部開(kāi)采安全問(wèn)題。在深井充填過(guò)程中，充填體的力學(xué)性能成為了工程技術(shù)及科研人員非常關(guān)心的問(wèn)題。充填體的力學(xué)性能受多種因素影響，比如膠凝材料、灰砂比、外加劑等[3-6]。在井下充填過(guò)程中充填體內(nèi)不可避免的會(huì)形成分層接觸面，劣化了充填體的整體穩(wěn)定性。汪杰[1]以分層膠結(jié)充填體為研究對(duì)象，采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬等手段，對(duì)分層膠結(jié)充填體破壞模式、損傷演化特征及強(qiáng)度模型進(jìn)行深入研究。在混凝土領(lǐng)域，越來(lái)越多學(xué)者開(kāi)始研究使用纖維增強(qiáng)技術(shù)改善混凝土的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及延展性[7-8]，通過(guò)此類(lèi)研究，發(fā)現(xiàn)纖維能夠有效的阻止混凝土裂縫的發(fā)展，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，有利于提高混凝土的整體穩(wěn)定性[9-11]。林艷杰等[12]通過(guò)混凝土中加入不同摻量聚丙烯纖維，得出聚丙烯纖維能大幅提高混凝土的破壞形態(tài)，改善輕骨料混凝土的脆性。在充填領(lǐng)域相關(guān)學(xué)者借鑒纖維混凝土的研究成果，開(kāi)展了添加纖維增強(qiáng)充填體力學(xué)特性相關(guān)研究。薛改利[2]從宏觀角度研究了摻纖維尾砂充填體的抗壓力學(xué)特性，揭示了纖維增強(qiáng)作用機(jī)理。徐文彬[3]針對(duì)聚丙烯纖維摻量、長(zhǎng)度及礦渣摻量這三種因素對(duì)尾砂膠結(jié)充填體力學(xué)及流動(dòng)性能的影響，借助掃描電子顯微鏡(SEM)揭示了纖維對(duì)充填體力學(xué)性能的作用機(jī)理。

本文選取聚丙烯纖維、玻璃纖維、聚丙烯腈纖維三種不同纖維，研究纖維類(lèi)型、充填體分層特征及養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)充填體單軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，并運(yùn)用SEM對(duì)破壞后的充填體中纖維分布、水化產(chǎn)物與砂粒等微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用尾砂取自云南省某金屬礦，尾砂粒級(jí)組成如圖1所示，化學(xué)成分見(jiàn)表1。尾砂中-74 μm含量為70.15%，-20 μm的細(xì)顆粒含量為30.15%，平均粒徑為40.93 μm。采用PC32.5礦渣-硅酸鹽復(fù)合水泥作為膠凝材料。試驗(yàn)選用三種纖維：聚丙烯纖維、玻璃纖維、聚丙烯腈纖維，三種纖維形貌見(jiàn)圖2。纖維長(zhǎng)度為6 mm，摻纖量為0.9%(占灰砂總重量的0.9%)。纖維物理參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 尾砂粒級(jí)組成曲線Fig.1 Particle size distribution curve of tailings

表1 尾砂化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of tailings

圖2 三種不同纖維Fig.2 Schematic diagram of three different fibers

表2 纖維物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of fibers

1.2 試驗(yàn)方案

空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法的采場(chǎng)高度一般為30～60 m，采場(chǎng)充填體體積達(dá)到數(shù)萬(wàn)立方米。目前，國(guó)內(nèi)充填能力一般為60～150 m3/h，如此巨大的采空區(qū)無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)一次充填完畢，同時(shí)受到充填能力和充填工藝的制約，大型礦山通常采用多次充填將采空區(qū)填滿。纖維對(duì)充填體強(qiáng)度的影響，主要原因在于纖維對(duì)充填體內(nèi)部水化產(chǎn)物的黏結(jié)作用，而充填次數(shù)影響水化產(chǎn)物的形成。

本次試驗(yàn)主要研究不同分層條件下、不同種類(lèi)纖維對(duì)充填體力學(xué)特性影響規(guī)律。試驗(yàn)中充填體試件分為無(wú)分層、兩分層、三分層三種形式，充填料漿質(zhì)量濃度均為68%、灰砂比為1∶6。試驗(yàn)中分別將聚丙烯纖維、玻璃纖維、聚丙烯腈纖維用X、B、XJ代替，N代表料漿濃度68%，灰砂比1∶6的尾砂膠結(jié)充填體。充填試件澆筑方案如圖3所示，纖維添加方式如表3所示。

圖3 充填試件澆筑方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of filling body specimen

表3 摻纖維試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 3 Experimental design scheme of three-layered fiber-filled test piece

如圖4所示，采用Φ50 mm×100 mm圓柱體模具，分別制備普通充填體試件和摻纖維充填體試件。設(shè)定料漿質(zhì)量濃度為68%、灰砂比1∶6、養(yǎng)護(hù)齡期為3和28 d、纖維摻量為0.9%。將纖維、尾砂和水泥進(jìn)行3 min“干拌”，按照配合比參數(shù)加水后進(jìn)行3 min“濕拌”，使纖維、水泥和尾砂攪拌均勻，再將料漿倒入圓柱體模具中，試件脫模后放置養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至3和28 d齡期，采用EM1.305-2微機(jī)控制電子抗壓抗折試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行充填體試件單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

圖4 試驗(yàn)流程圖Fig.4 Experimental flowchart

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

24組配合比充填體試件單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表4所示。由表4可知，在未添加纖維時(shí)，隨著充填體內(nèi)分層數(shù)的增加，充填體單軸抗壓強(qiáng)度逐漸降低，28 d單軸抗壓強(qiáng)度一分層時(shí)的0.723 MPa降低至三分層時(shí)的0.653 MPa。在添加纖維后，在一定程度上改善了分層充填體的力學(xué)性能，不同纖維對(duì)分層充填體單軸抗壓強(qiáng)度影響存在一定差異。

表4 充填體試件單軸抗壓強(qiáng)度Table 4 Uniaxial compressive strength of filling body specimen

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 分層對(duì)充填體力學(xué)強(qiáng)度影響

由圖5(a)可知，在無(wú)纖維添加時(shí)，3 d充填體單軸抗壓強(qiáng)度由無(wú)分層的0.211 MPa降低至三分層的0.155 MPa，28 d充填體單軸抗壓強(qiáng)度由無(wú)分層的0.726 MPa降低至三分層的0.653 MPa。由圖5(b)可知，添加纖維后充填體強(qiáng)度與未添加纖維時(shí)具有一定的增加，不同纖維類(lèi)型對(duì)強(qiáng)度影響不同。在添加聚丙烯腈纖維充填體試件中，未分層充填體3、28 d單軸抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到1.145和1.545 MPa，當(dāng)分層數(shù)增加至2層時(shí)，3、28 d單軸抗壓強(qiáng)度分別降低至0.629和0.937 MPa。當(dāng)分層數(shù)增加至3分層時(shí)，3 d單軸抗壓強(qiáng)度降低顯著，為0.211 MPa，28 d單軸抗壓強(qiáng)度降幅較小，為0.723 MPa。因此，在相同灰砂比時(shí)，摻聚丙烯腈纖維及無(wú)纖維添加時(shí)充填體試樣單軸抗壓強(qiáng)度均隨分層數(shù)的增加而降低。

圖5 不同分層充填體單軸抗壓強(qiáng)度Fig.5 Uniaxial compressive strength of different layered filling bodies

2.2.2 纖維類(lèi)型對(duì)充填體力學(xué)強(qiáng)度影響

圖6為不同纖維類(lèi)型對(duì)兩分層充填體3和28 d單軸抗壓強(qiáng)度影響關(guān)系曲線，X軸為兩分層充填體澆筑種類(lèi)(標(biāo)號(hào)1為含纖維層，標(biāo)號(hào)0為不含纖維層)。由圖6可知，添加聚丙烯腈纖維對(duì)更有力于分層充填體單軸抗壓強(qiáng)度的提高，兩分層28 d“1+1”中X-2-1占J-2-1的74.60%；B-2-1占J-2-1的75.56%。聚丙烯腈纖維對(duì)充填體有一定的強(qiáng)化效應(yīng)，約束了裂縫的擴(kuò)展，提高了其單軸抗壓強(qiáng)度。

圖6 三種不同纖維兩分層充填體單軸抗壓強(qiáng)度Fig.6 Uniaxial compressive strength of two-layered filling bodies with three different fibers

2.2.3 纖維分層充填體試件破壞形式

圖7為充填體試件典型的破壞方式(以添加0.9%玻璃纖維為例)，圖7中實(shí)線為主裂隙，虛線為次生裂隙。如圖7(a)所示，添加玻璃纖維兩分層充填體試件在壓縮過(guò)程中發(fā)生破壞，其中B-2-1充填體試件底層和頂層均添加了0.9%的玻璃纖維，在整個(gè)加載過(guò)程中，充填體底部隨著荷載增大產(chǎn)生主裂隙，主裂隙細(xì)窄且較短。B-2-2充填體試件為底層添加0.9%玻璃纖維，頂層未添加纖維，在壓縮過(guò)程中頂層出現(xiàn)主裂隙并延伸至試件底層，隨著荷載增加主裂紋周?chē)饾u出現(xiàn)次裂隙。B-2-3充填體試件為底層沒(méi)有添加纖維，頂層添加纖維，在加載后試件底部出現(xiàn)主裂隙。如圖7(b)所示，添加玻璃纖維三分層充填體試件在壓縮過(guò)程中產(chǎn)生不同程度的破壞，B-3-1充填體試件為頂層、中間層和底層均添加了0.9%的玻璃纖維，在荷載作用下三層均產(chǎn)生了輕微裂紋，而B(niǎo)-3-2與B-3-3只在未添加纖維的充填體分層出現(xiàn)了明顯裂紋。未摻纖維的充填體在達(dá)到峰值荷載后，充填體試件迅速產(chǎn)生貫穿性裂縫，試件破壞失去承載能力，添加纖維的充填體在受壓變形時(shí)，由于內(nèi)部受纖維牽制，達(dá)到峰值荷載后繼續(xù)加載未出現(xiàn)突然的壓力降低，充填體人具有一定的承載能力。添加聚丙烯腈的充填體抗壓能力最為優(yōu)，其次為添加了聚丙烯纖維的充填體。

綜上所述，纖維摻量對(duì)充填體的破壞方式影響顯著，未摻纖維的試件表現(xiàn)為典型脆性張拉破壞。由圖7(c)可知，未添加纖維的充填體試件表面在承載過(guò)程中出現(xiàn)明顯的碎屑崩落現(xiàn)象，而添加纖維的充填試件只是在表面出現(xiàn)裂紋，有的伴有輕微鼓包，并未出現(xiàn)崩落等現(xiàn)象。在分層充填體中，添加纖維后充填體承載能力及破壞情況均要優(yōu)于未添加纖維的充填體。

圖7 不同分層充填體破壞模式Fig.7 Failure modes of different layered backfills

3 充填體微觀結(jié)構(gòu)分析

由圖8(a)可知，放大至100 μm時(shí)，聚丙烯纖維表面完好無(wú)破損，聚丙烯纖維自身化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，摻雜在充填料漿中不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在充填體養(yǎng)護(hù)時(shí)，其中的水泥隨著時(shí)間會(huì)發(fā)生一定程度的水化反應(yīng)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)水化反應(yīng)越多，所以充填體的單軸抗壓強(qiáng)度也隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大，水泥和水通過(guò)養(yǎng)護(hù)生成了水化硅酸鈣膠凝(C-S-H)、氫氧化鈣(CH)和鈣礬石(AFt)晶體等水化產(chǎn)物[11-12]，這些水化產(chǎn)物附著在聚丙烯纖維以及尾砂顆粒表面，從充填體內(nèi)部加強(qiáng)充填體單軸抗壓強(qiáng)度。從養(yǎng)護(hù)初期，水泥開(kāi)始產(chǎn)生水化產(chǎn)物，并且生成CH，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，氫氧化鈣會(huì)對(duì)水化反應(yīng)產(chǎn)生促進(jìn)作用，使水化產(chǎn)物在充填體內(nèi)部逐漸增多[13]，大量的水化產(chǎn)物會(huì)不斷生成可以填補(bǔ)充填體內(nèi)部的空隙，使充填體內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)更加緊密。

如圖8(a)所示，聚丙烯纖維四周被團(tuán)狀水化產(chǎn)物以及尾砂顆粒緊密包裹，這個(gè)現(xiàn)象反應(yīng)了聚丙烯纖維對(duì)充填體內(nèi)部物質(zhì)具有黏結(jié)作用。當(dāng)適量纖維與尾砂、水泥混合后，分布在充填體內(nèi)部，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的水化反應(yīng)，與充填體內(nèi)部水化產(chǎn)物以及尾砂顆粒黏結(jié)，多根纖維交錯(cuò)在一起，在充填體內(nèi)部相互黏結(jié)，形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從充填體內(nèi)部提高其穩(wěn)定性。如圖8(a)～(c)所示，受壓后聚丙烯纖維在充填體中保持完整，表面沒(méi)有出現(xiàn)明顯裂紋；而玻璃纖維受壓后出現(xiàn)了不同程度的斷裂；聚丙烯腈纖維表面也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂紋，并且與四周的水化產(chǎn)物及尾砂顆粒結(jié)合緊密。從充填微觀結(jié)構(gòu)上分析，聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維在受壓后能更好的保持內(nèi)部穩(wěn)定性。如圖9所示，當(dāng)充填體內(nèi)部因外部壓力產(chǎn)生內(nèi)部裂紋時(shí)，由于水化產(chǎn)物和尾砂顆粒附著于纖維表面，與纖維表面產(chǎn)生摩擦力，從而延緩了裂縫向兩邊加速擴(kuò)散，對(duì)充填體的破壞起到緩沖作用。

圖8 纖維增強(qiáng)充填體微觀結(jié)構(gòu)形貌Fig.8 Microstructure and morphology of fiber-reinforced filling body

圖9 纖維與尾砂-水泥基體界面力學(xué)作用示意圖Fig.9 Schematic diagram of mechanical action of fiber and tailings-cement matrix interface

4 結(jié)論

本文通過(guò)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了纖維類(lèi)型及分層數(shù)對(duì)充填體力學(xué)性能影響，得到以下主要結(jié)論：

1)未摻纖維的充填體為張拉破壞，摻纖維充填體受壓膨脹呈現(xiàn)鼓狀，整體裂而不斷，保持較高的完整性。

2)充填體內(nèi)分層面在一定程度上劣化了其力學(xué)性能，分層面的增多充填體單軸抗壓強(qiáng)度逐漸減小。

3)通過(guò)對(duì)不同纖維和不同分層充填體單軸抗壓強(qiáng)度分析可知，添加聚丙烯腈纖維更有利于充填力學(xué)性能的改善。

4)從微觀的角度來(lái)說(shuō)，纖維對(duì)充填體內(nèi)部水化產(chǎn)物及尾砂顆粒起到了黏結(jié)作用，從充填體內(nèi)部提高其穩(wěn)定性。