纖維改性水泥穩定鐵尾礦砂抗折能量耗散研究

彭立偉,楊 奔,卓小麗

(1.廣西北投交通養護科技集團有限公司,廣西 南寧 530200;2.中國葛洲壩集團第一工程有限公司,湖北 宜昌 443002 ;3.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

纖維改性水泥穩定鐵尾礦砂是一種新型的土工材料,具有廣泛的應用前景[1]。鐵尾礦砂是鋼鐵冶煉過程中產生的廢棄物,其大量堆放給環境帶來了嚴重的污染和安全隱患。國內從20世紀70年代開始對鐵尾礦砂進行資源化利用,目前,對其利用主要集中在水泥生產、填埋場覆蓋層、道路基礎材料、磚塊和建筑材料等方面。鐵尾礦砂可以作為水泥的生產原料之一,通過研磨和混合等工藝,將其與其他材料一起制成水泥產品[2];也可用作填埋場的覆蓋層材料,用于覆蓋垃圾并減少氣味和污染物的釋放;其用于道路基礎層的建設中,可通過穩定和加固土壤,提高道路的承載能力和穩定性[3];還可以與其他材料混合制成磚塊和建筑材料,應用于建筑和工程項目中[4]。

鐵尾礦砂作為鋼鐵冶煉過程中產生的廢棄物,由于其大量堆放給環境帶來了嚴重的污染和安全隱患,因此尋找一種有效的方法來處理和利用鐵尾礦砂是迫切需要解決的問題。回收后的鐵尾礦經過再利用,摻于混凝土中可改變混凝土的力學性能,甚至可以用于路基填料[5]。本文旨在通過纖維改性水泥穩定技術,探索鐵尾礦砂的抗折能量耗散特征。通過添加適量的纖維材料和水泥,改善鐵尾礦砂的力學性能和穩定性,提高其抗折能力和能量耗散能力。對纖維改性水泥穩定鐵尾礦砂進行抗折試驗和能量耗散特征分析,可以評估其在工程應用中的可行性和可靠性。研究結果將為鐵尾礦砂的處理和利用提供重要的理論和實踐指導,為環境保護和資源回收利用作出貢獻。

1 試驗方案

1.1 試驗材料與試樣制備

研究所用材料為鐵尾礦砂、黏土、水泥、聚丙烯纖維與玻璃纖維,其中水泥為M32.5型號,摻入少量黏土用于增加鐵尾礦的粘聚力。聚丙烯纖維和玻璃纖維呈單絲束狀,其直徑分別為0.014 mm和0.048 mm,比重分別為2.36 g·cm-3和0.91 g·cm-3,抗拉強度分別為340 MPa和260 MPa,彈性模量分別為4 200 MPa和3 800 MPa。根據設計配合比制作尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的纖維改性水泥穩定鐵尾礦砂棱柱體試樣,每組試樣制作3個平行試樣,等待養護齡期到期后取出。

1.2 試驗方案與方法

進行不同纖維長度與凍融循環次數下纖維改性水泥穩定鐵尾礦砂(CIT)抗折試驗時,選用3 mm、6 mm、9 mm、12 mm和18 mm的聚丙烯纖維(PF)和玻璃纖維(GF),PF與GF摻量均為0.6%,即摻量為9 g;每個試樣中鐵尾礦砂為1 200 g、黏土300 g、水泥150 g,試樣均養護28 d齡期。探究不同凍融循環次數的CIT抗折試驗時,凍融循環次數分別設定為0次、1次、3次、5次、10次,選用12 mm的PF和GF,PF摻量為0.6%,GF摻量為PF摻量同體積時的質量,即PE摻量為9 g,GF摻量為23.34 g;每個試樣中鐵尾礦砂為1 200 g、黏土300 g、水泥150 g,試樣均養護28 d齡期。

在試樣養生后,用濕毛巾拭去試樣表面水分稱取質量。參考《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-2009)中無機結合料凍融試驗方法,本文將試樣編號后放入低溫試驗箱,凍結溫度設定為-18 ℃、時間設定為12 h;凍結結束后將試樣提前放在標準養護室的水箱里融化,水面高度高于試樣上表面20 mm,融化時間為12 h。因此,一個凍融循環時間共為24 h,然后重復以上步驟進行下一次凍融循環。待達到設定的循環次數后,采用水泥全自動抗折抗壓試驗機進行纖維改性水泥穩定鐵尾礦砂試樣的抗折性能試驗。

2 基于能量耗散理論的纖維改性水泥穩定鐵尾礦砂抗折性能分析

2.1 耗散能與有效長度

抗折破壞過程是能量耗散過程,纖維改性水泥穩定鐵尾礦砂中破壞模式主要為纖維脫粘和拔出過程。若假設纖維的取向角為0°,纖維-鐵尾礦砂視為一個彈性系統,將纖維在受荷下產生的彈性伸長量相對于纖維-鐵尾礦砂的相對滑移為一微小量,因此根據上述假設可推導出一個理想化的Pd(所受荷載)和相對位移δ的關系式。但事實上纖維在鐵尾礦砂中隨機分布,使得試樣受荷與不同取向角纖維的荷載-位移曲線不同。

此外單純研究強度不能完全解決實際工程的一些問題,因此從熱力學的角度分析纖維改性水泥穩定鐵尾礦砂的能量耗散與抗折性能之間的關系。由熱力學的第一定律可知,材料的破壞伴隨著能量的吸收和耗散,若材料破壞時沒有與外界進行能量交換,則產生的總能量W全部被材料吸收。纖維改性水泥穩定鐵尾礦砂試樣做功內部累積的彈性應變能和內部裂縫損傷擴展的耗散能滿足式(1):

W=We+Wd

(1)

試樣在荷載作用下所吸收的總能量W(J)和彈性應變能We(J)的計算公式如下:

(2)

(3)

式中:σ1——纖維改性水泥穩定鐵尾礦砂的主應力(Pa);

ε1——無量綱應變值。

圖1所示虛線區域為耗散能Wd(J),網格區域為彈性應變能We(J)。

圖1 能量分配示意圖

Wd的求解參照式(4):

Wd=Wp+Wf

(4)

式中:Wd——總耗能(J);

Wp——試樣斷裂時耗散的能量(J);

Wf——纖維破壞耗散能(J)。

纖維對水泥穩定鐵尾礦砂的加筋作用不僅表現在自身的抗拉性能,還表現在纖維與土體之間的界面強度。由于纖維破壞所耗散的能量是纖維與土體之間的界面強度較高而耗散的拔出能量,因此可得到纖維有效長度,通過建立有效系數來計算纖維絲的有效長度,從而進一步計算纖維耗散能。

建立有效系數Δε來計算纖維絲的有效長度:

(5)

式中:l——纖維絲長度(mm);

l0——纖維埋入長度(mm)。

因此纖維絲的有效長度(mm):

(6)

Wf的求解參照式(7):

(7)

2.2 纖維長度對能量耗散的影響

在計算破壞耗散能時,假設纖維在鐵尾礦砂中分布均勻,纖維加筋土受力遵從復合材料力學,即纖維加筋土受力為基本受力和纖維受力按體積比例疊加之和,因此破壞處的纖維受力與纖維分布位置無關,與纖維分布的角度有關,如圖2(a)所示。將破壞處的纖維平移到一個點,則所有纖維會集中在一個球形的區域中,如圖2(b)所示。因此根據該思路可利用式(7)計算纖維改性水泥穩定鐵尾礦砂破壞處的纖維耗散能。

(a)纖維隨機分布

根據式(5)和式(6)可得GF與PF的有效長度,如表1所示,抗折試驗中的纖維破壞形式以脫粘拔出為主,即纖維的破壞能量來源于纖維與土體之間的界面作用而吸收的拔出能量。

表1 纖維有效長度計算結果表

根據式(7)計算破壞處纖維耗散能,建立關于纖維長度與耗散能的關系圖,如圖3所示。通過分析表1中的纖維有效長度與圖3中纖維耗散能之間的關系,可知在纖維長度因素影響下,纖維有效長度與耗散能之間沒有明顯的聯系。從圖3中也發現,纖維長度與耗散能沒有明顯的規律,但在長度0～18 mm的范圍中有最優纖維長度,即當纖維長度為12 mm時,GCIT和PCIT的耗散能最高,分別為0.004 1 MJ和0.005 5 MJ,此時兩種纖維的吸收破壞能量較強,纖維在試樣內部起到了“加筋”作用,需要吸收更多的能量,才能使試樣破壞。

圖3 纖維長度與耗散能關系曲線圖

2.3 凍融循環次數對能量耗散的影響

根據式(2)和式(3)可得到不同凍融循環次數的纖維改性水泥穩定鐵尾礦砂與耗散能之間的關系,如圖4所示。從圖4中可以發現,摻GF纖維的鐵尾礦砂(GCIT)和摻PF纖維的鐵尾礦砂(PCIT)的耗散能隨著凍融循環次數的增加,整體呈下降趨勢,說明在凍融循環初期試樣的損傷程度較低,受到荷載后導致試樣斷裂需要吸收荷載做功的能量較高,因此能量耗散較多。隨著凍融循環次數的增加,損傷程度加劇,受到荷載后裂縫擴展導致試樣斷裂需要吸收外載做功的能量也越少,試樣的耗散能逐漸降低。

圖4 凍融循環次數與耗散能關系柱狀圖

圖5為耗散能、抗折強度與凍融次數的關系曲線圖,從圖中發現GCIT和PCIT的抗折強度與耗散能具有相似的變化趨勢。隨著凍融循環次數的增加,試樣表面受到一定的損傷,試驗時試樣可在較低的應力下產生裂紋,導致試樣的抗折強度降低,因此在裂縫擴散時試樣所需的能量也降低,耗散的能量隨之下降。

(a)GCIT

根據式(6)和式(7)計算破壞處纖維耗散能與纖維有效長度,并對纖維耗散能、纖維有效長度與循環次數進行擬合,分別得到纖維耗散能、有效長度與循環次數的擬合函數關系。其中,纖維耗散能與凍融循環次數的關系滿足對數函數,纖維有效長度與凍融循環次數的關系滿足指數函數,如式(8)和式(9)所示。

Wf(GF)=-0.001ln(x)+0.001 5
Wf(PF)=-0.001ln(x)+0.001 8

(8)

(9)

將式(9)分別代入式(8)中,得到關于纖維耗散能與有效長度的預測式,如式(10)和式(11)所示,根據預測函數關系式可分別計算GF和PF在不同有效長度下的纖維耗散能。

(10)

(11)

圖6為凍融循環下纖維耗散能與纖維有效長度的擬合函數關系曲線圖,兩種纖維的耗散能和有效長度關系均滿足對數函數。從圖6中可以看出GCIT與PCIT的耗散能與有效長度呈正相關。

圖6 纖維耗散能與纖維有效長度擬合函數關系曲線圖

利用式(10)與式(11)建立不同纖維的凍融次數、耗散能、有效長度之間關系的模型,可得到三者關系的變化情況,如下頁圖7所示。從圖7中可以看出,GCIT與PCIT都隨著凍融循環次數的增加而使有效長度減少以及耗散能下降。隨著凍融循環次數的增加,纖維的有效長度下降,所發揮的“加筋”效果也就越差,即纖維與水泥鐵尾礦砂之間的界面作用因凍融而逐漸降低,使得纖維拔出耗散能逐漸下降。但總體而言,同纖維體積下GF的耗散能高于PF的耗散能,即凍融條件下GCIT的改性效果優于PCIT,這與凍融抗折試驗中得出的結論一致,即在凍融循環條件下,同體積時GF的改性效果高于PF。

(a)GF

3 結語

根據對纖維改性水泥穩定鐵尾礦砂的抗折能量耗散特征研究的調查和分析,得出以下結論:

(1)試驗結果表明,PCIT與GCIT的纖維長度均在12 mm時耗散的能量最多。

(2)隨著凍融循環次數的增加,PCIT與GCIT的耗散能都隨之降低,同時纖維有效長度也隨之遞減。

(3)GF與PF的有效長度與耗散能的關系滿足對數函數,所建立的模型滿足纖維有效長度、纖維耗散能與凍融循環之間的關系變化。

綜上所述,纖維改性水泥可以有效提高鐵尾礦砂的抗折能力。通過添加適量的纖維材料,可以增加材料的韌性和延展性,從而提高其抗折能力。纖維改性水泥穩定鐵尾礦砂具有良好的抗折能量耗散特征,適用于工程應用。研究結果為處理和利用鐵尾礦砂提供了重要的理論和實踐指導,可為纖維改性水泥穩定鐵尾礦砂在工程設計和施工中的應用提供參考依據。