凍融循環下纖維改性充填體的力學特性研究

惠金衛 馬小衛 王言龍

(華能集團華亭煤業集團有限責任公司山寨煤礦,甘肅 平涼 744000)

逐步提升充填體的力學性能,對于確保礦山安全高效開采具有重要意義[1-3]。 利用纖維來逐步改善充填體的力學性能,已經成為一種環境友好且具有良好經濟成本的研究思路。 在土木工程領域,混凝土作為建筑材料對建筑整體的穩定性和安全性至關重要。現有研究發現,在混凝土中摻入纖維,有助于提升混凝土抗壓強度,從而提高混凝土的整體穩定性[4]。然而,有別于混凝土,充填體的化學成分更為復雜,并且充填作業環境具有特殊性,尤其對于高寒高海拔礦區的充填體會經歷不同的凍融循環過程,從而會對充填體的力學性能產生重要影響。 因此,有必要針對特定高寒高海拔地區的礦山纖維改性充填體的力學性能展開研究,為該類礦區充填作業提供科學依據。

現階段,不少學者針對纖維增強充填體強度進行了一定的研究。 薛改利[5]開展了纖維類型和摻量對充填力學性能的影響分析,并討論了纖維改性充填體的動態響應特征。 徐文彬等[6]開展了纖維增強膠結充填膏體強度的研究,認為纖維的加入可以提高充填體強度。 曹帥等[7]研究了聚丙烯、聚丙烯腈、玻璃纖維等多種纖維在養護早期對充填膏體抗壓強度、韌性以及微觀結構的影響。 薛改利等[8]針對纖維長度對充填體力學性能的影響進行了研究,認為纖維長度為0～6 mm 時,充填體抗壓強度隨著體積比的增加而減小;當纖維長度為12～18 mm 時,充填體強度幾乎不隨體積比的變化而變化。 由此可見,纖維的摻入可以有效提高充填體抗壓強度,確保充填體在荷載作用下的穩定性。 但由于不少礦山地處高寒高海拔地帶,對于凍融循環作用下的纖維改性充填體力學特性的研究有待進一步深入。

為研究凍融循環對纖維改性充填體力學行為的影響,本研究將纖維與充填體料漿進行混合,通過一系列正交試驗設計,分析不同纖維含量(0、0. 2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)和不同凍融循環次數(0、5、10、15)對充填體力學特性的影響;然后針對不同工況下的試驗結果進行數理統計分析,討論纖維摻量和凍融循環雙因素分別對充填體坍落度和力學性能的影響,研究結果可以為高寒高海拔礦區的充填作業設計提供依據。

1 試驗分析

充填料漿的化學成分見表1,試驗采用聚丙烯纖維的基本物理參數見表2。 在本試驗中,纖維平均長度為3 mm,直徑為18 mm,斷裂強度為320 MPa,彈性模量為3.5 GPa,密度為900 kg/m3,耐酸堿性能較好,吸水性較差,沒有毒性,且具有較高的彈性模量及斷裂強度。 當纖維摻量增加到水泥和尾砂質量總和的0.25%～0.75%時,充填體的抗壓強度能夠得到顯著提高,因此本研究采用的纖維摻量分別為尾砂和水泥總質量的0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%。

表1 充填料漿化學成分Table 1 Chemical composition of filling material%

表2 纖維物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of fiber

本研究針對不同纖維摻量和不同循環次數的充填體進行力學性能測試,總體試驗方案見表3。 在進行力學試驗之前,制備了一系列直徑50 mm、高度100 mm 的圓柱形纖維—充填體混合物樣品。 具體制備過程為:首先,使用抹刀將纖維—充填體混合物徹底混合,同時,使用噴霧瓶將按質量計量的水逐漸添加到混合物中;然后,將混合物裝入密封袋中至少24 h,以使土壤水分達到平衡狀態;最后,使用本研究纖維改性充填體制備裝置將纖維—充填體混合物壓實,制成標準圓柱體試樣[9-11]。

表3 試驗方案設計Table 3 Design of test schemes

2 試驗結果與討論

2.1 試驗測試結果

纖維改性充填體的塌落度、單軸抗壓強度和劈裂抗拉強度參數能夠有效表征充填體的基本力學性能[12-13]。 本研究對不同凍融循環作用下的不同摻量纖維進行單軸抗壓試驗和劈裂抗拉試驗,獲取不同工況下試樣的單軸抗壓強度(UCS)和抗拉強度(STS),試驗結果見表4。

表4 纖維改性充填體塌落度及力學性能試驗結果Table 4 Slump and strength test results of fiber reinforced backfill

為詳細分析纖維摻量和凍融循環次數對充填體坍落度、單軸抗壓強度和抗拉強度的影響,本研究采用數理統計方法對表4 所示數據進行分析,得到雙因素對充填力學性能影響的極差和方差分析結果見表5。 表5 中,Kij為第i個因素在第j個水平下測試結果的平均值,可進行如下計算:

表5 纖維改性充填體塌落度及力學性能極差分析結果Table 5 Range analysis results of slump and strength of fiber reinforced backfill

式中,Bij,m為因素i在水平j下得出的第m個計算結果;n為因素i在水平j下得到的計算結果個數。

2.2 纖維改性充填體的坍落度分析

由表4 可知:凍融循環次數和纖維摻量雙因素對充填體坍落度的影響程度為纖維摻量大于凍融循環次數。 隨著兩種的因素變化,纖維改性坍落度也會發生改變,其趨勢如圖1 所示。 分析圖1 可知:① 充填體的坍落度取值總體上隨著纖維摻量增加逐漸減小,充填體的坍落度隨著凍融循環次數增加而逐漸增大;② 隨著纖維摻量由0.2%提高至0.8%,充填體的坍落度降低了8.6%,反映出纖維與充填體混合后,有助于降低充填體的流動性。 進一步分析可知,纖維能夠改變充填體流動性的主要原因在于纖維極易溶于水,當其摻入充填體后會立即與充填體中的水泥砂漿產生反應,使得原本包裹尾砂顆粒的水泥砂漿開始包裹纖維,從而消耗掉充填內的流體成分,導致充填體尾砂的流動滑移作用受到限制,因而充填體坍落度總體上呈現出隨著纖維摻量增加而降低的變化趨勢[14-15]。

圖1 纖維摻量和凍融循環次數對充填體坍落度的影響Fig.1 Influence of fiber content and freeze-thaw cycle times on the slump of filling body

2.3 纖維改性充填體抗壓強度

凍融循環次數和纖維摻量雙因素對充填體抗壓強度的影響程度為凍融循環次數大于纖維摻量(表4)。 當凍融循環次數從0 次增加到15 次時,充填體7 d 抗壓抗壓強度降低了30.43%。 由此可見,凍融循環過程之所以能夠劣化纖維改性充填體的抗壓強度,是因為凍融過程會限制充填體內的水化反應,凍融循環次數越多,水化反應產生的C—S—H 凝膠量越少,因此,隨著凍融循環次數不斷增加,充填體的抗壓強度呈現出下降趨勢。 纖維摻量的變化導致纖維改性充填體的抗壓強度發生變化,變化特征如圖2 所示。 隨著纖維摻量從0.2%增加到0.8%時,充填體抗壓強度在前期(4 d)整體逐漸遞減;而在后期(7 d)呈現先增加后減小的趨勢,且纖維摻量為0.6%時抗壓強度達到最大,說明纖維摻量在不同時期對充填體的抗壓強度影響不同,合理的纖維摻量能夠提高充填后期的抗壓強度,而充填體的抗壓強度在纖維摻量過量時反而呈現出衰減趨勢。

圖2 纖維摻量和凍融循環次數雙因素對充填體抗壓強度的影響Fig.2 Influence of fiber content and freeze-thaw cycle times on the compressive strength of filling body

纖維摻量對充填體抗壓強度產生影響,主要是由于合理的纖維摻量能夠在充填體內均勻分布,在與砂漿接觸時能夠形成膠結作用,從而導致充填體的整體穩定性得到提升,同時提高了其抗裂能力,因而使得充填體的抗壓強度得到顯著提升。但是纖維摻量增加到一定程度時會在充填體內產生應力集中效應,一旦受到外部荷載作用時便會在充填體內部形成應力集中從而降低充填體的整體抗壓強度[16-17]。

2.4 纖維改性充填體抗拉強度

由表4 可知:凍融循環次數和纖維摻量雙因素對充填體抗拉強度的影響程度為凍融循環次數大于纖維摻量。 纖維改性充填體抗拉強度隨著纖維摻量和凍融循環次數增加的演化特征如圖3 所示。 由圖3可知:纖維摻量對充填體的抗拉強度具有顯著影響,纖維摻量為0.2%～1.0%時,抗拉強度先增加而后降低,產生這種變化趨勢的原因與充填體抗壓強度隨纖維摻量增加的變化趨勢原因相似。 主要是因為纖維的摻入能夠使得充填體內部均勻分布纖維,料漿會與均勻分布的纖維進行融合,二者之間產生膠結作用。膠結力可以延緩充填體在外部荷載作用下的裂隙發育,進而能夠提高充填體的抗壓強度。 由表4 可知:纖維改性充填體的抗壓強度和抗拉強度隨著纖維摻量由0.2%增加到0.6%時,均表現出增加的趨勢,二者均在纖維摻量為0.6%時達到最大值。 這證明了纖維改性充填體對纖維摻量的增加都有所響應,而充填體的抗拉強度表現出更加敏感的特性。

圖3 纖維摻量和凍融循環次數雙因素對充填體抗拉強度的影響Fig.3 Influence of fiber content and freeze-thaw cycle times on tensile strength of filling body

當纖維改性充填體受到凍融循環作用時,隨著循環次數增加,充填體抗拉強度逐漸減小,說明凍融循環次數的增加能夠劣化充填體抗拉強度,主要原因是凍融過程對充填體具有損傷作用。 雖然纖維的摻入能夠在纖維和料漿之間建立黏結力,能夠彌補充填體內部原有的缺陷起到應力傳導作用,使得外部荷載在試樣內部均勻分布,從而增加了充填體強度;但是纖維和料漿之間建立的黏結力在受到凍融作用后,會產生疲勞效應,隨著凍融循環次數的增加疲勞效應會愈發明顯,甚至導致纖維和料漿之間建立的黏結力重新斷裂,進而劣化纖維改性充填體的抗拉強度。

3 結 論

(1)纖維摻入充填體能夠改變充填體的坍落度、抗壓強度和抗拉強度。 隨著纖維摻量增加,纖維改性充填體坍落度逐漸降低;抗壓強度和抗拉強度呈現先增強后降低特征,纖維摻量為0.6%時,纖維改性充填體強度達到最大值,選擇合理的纖維摻量可以有效提高充填體強度。

(2)纖維和凍融過程對充填體力學性能的影響具有時間效應,充填體4 d 抗壓強度幾乎不隨纖維摻量和凍融循環次數變化而變化,充填體7 d 充填體抗壓強度則隨纖維摻量和凍融循環次數變化而變化,充填力學性能最佳的測試周期有待進一步確定。

(3)纖維和凍融對充填體坍落度和強度的影響程度不同,對充填體坍落度的影響程度為纖維摻量大于凍融循環次數;對充填體強度(抗壓強度和抗拉強度)的影響程度為凍融循環次數大于纖維摻量。 凍融循環過程對纖維改性充填體帶來的損傷顯著于纖維對于充填體力學性能的提升效果。