纤维改性水泥稳定铁尾矿砂抗折能量耗散研究

彭立伟,杨 奔,卓小丽

(1.广西北投交通养护科技集团有限公司,广西 南宁 530200;2.中国葛洲坝集团第一工程有限公司,湖北 宜昌 443002 ;3.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

纤维改性水泥稳定铁尾矿砂是一种新型的土工材料,具有广泛的应用前景[1]。铁尾矿砂是钢铁冶炼过程中产生的废弃物,其大量堆放给环境带来了严重的污染和安全隐患。国内从20世纪70年代开始对铁尾矿砂进行资源化利用,目前,对其利用主要集中在水泥生产、填埋场覆盖层、道路基础材料、砖块和建筑材料等方面。铁尾矿砂可以作为水泥的生产原料之一,通过研磨和混合等工艺,将其与其他材料一起制成水泥产品[2];也可用作填埋场的覆盖层材料,用于覆盖垃圾并减少气味和污染物的释放;其用于道路基础层的建设中,可通过稳定和加固土壤,提高道路的承载能力和稳定性[3];还可以与其他材料混合制成砖块和建筑材料,应用于建筑和工程项目中[4]。

铁尾矿砂作为钢铁冶炼过程中产生的废弃物,由于其大量堆放给环境带来了严重的污染和安全隐患,因此寻找一种有效的方法来处理和利用铁尾矿砂是迫切需要解决的问题。回收后的铁尾矿经过再利用,掺于混凝土中可改变混凝土的力学性能,甚至可以用于路基填料[5]。本文旨在通过纤维改性水泥稳定技术,探索铁尾矿砂的抗折能量耗散特征。通过添加适量的纤维材料和水泥,改善铁尾矿砂的力学性能和稳定性,提高其抗折能力和能量耗散能力。对纤维改性水泥稳定铁尾矿砂进行抗折试验和能量耗散特征分析,可以评估其在工程应用中的可行性和可靠性。研究结果将为铁尾矿砂的处理和利用提供重要的理论和实践指导,为环境保护和资源回收利用作出贡献。

1 试验方案

1.1 试验材料与试样制备

研究所用材料为铁尾矿砂、黏土、水泥、聚丙烯纤维与玻璃纤维,其中水泥为M32.5型号,掺入少量黏土用于增加铁尾矿的粘聚力。聚丙烯纤维和玻璃纤维呈单丝束状,其直径分别为0.014 mm和0.048 mm,比重分别为2.36 g·cm-3和0.91 g·cm-3,抗拉强度分别为340 MPa和260 MPa,弹性模量分别为4 200 MPa和3 800 MPa。根据设计配合比制作尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的纤维改性水泥稳定铁尾矿砂棱柱体试样,每组试样制作3个平行试样,等待养护龄期到期后取出。

1.2 试验方案与方法

进行不同纤维长度与冻融循环次数下纤维改性水泥稳定铁尾矿砂(CIT)抗折试验时,选用3 mm、6 mm、9 mm、12 mm和18 mm的聚丙烯纤维(PF)和玻璃纤维(GF),PF与GF掺量均为0.6%,即掺量为9 g;每个试样中铁尾矿砂为1 200 g、黏土300 g、水泥150 g,试样均养护28 d龄期。探究不同冻融循环次数的CIT抗折试验时,冻融循环次数分别设定为0次、1次、3次、5次、10次,选用12 mm的PF和GF,PF掺量为0.6%,GF掺量为PF掺量同体积时的质量,即PE掺量为9 g,GF掺量为23.34 g;每个试样中铁尾矿砂为1 200 g、黏土300 g、水泥150 g,试样均养护28 d龄期。

在试样养生后,用湿毛巾拭去试样表面水分称取质量。参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中无机结合料冻融试验方法,本文将试样编号后放入低温试验箱,冻结温度设定为-18 ℃、时间设定为12 h;冻结结束后将试样提前放在标准养护室的水箱里融化,水面高度高于试样上表面20 mm,融化时间为12 h。因此,一个冻融循环时间共为24 h,然后重复以上步骤进行下一次冻融循环。待达到设定的循环次数后,采用水泥全自动抗折抗压试验机进行纤维改性水泥稳定铁尾矿砂试样的抗折性能试验。

2 基于能量耗散理论的纤维改性水泥稳定铁尾矿砂抗折性能分析

2.1 耗散能与有效长度

抗折破坏过程是能量耗散过程,纤维改性水泥稳定铁尾矿砂中破坏模式主要为纤维脱粘和拔出过程。若假设纤维的取向角为0°,纤维-铁尾矿砂视为一个弹性系统,将纤维在受荷下产生的弹性伸长量相对于纤维-铁尾矿砂的相对滑移为一微小量,因此根据上述假设可推导出一个理想化的Pd(所受荷载)和相对位移δ的关系式。但事实上纤维在铁尾矿砂中随机分布,使得试样受荷与不同取向角纤维的荷载-位移曲线不同。

此外单纯研究强度不能完全解决实际工程的一些问题,因此从热力学的角度分析纤维改性水泥稳定铁尾矿砂的能量耗散与抗折性能之间的关系。由热力学的第一定律可知,材料的破坏伴随着能量的吸收和耗散,若材料破坏时没有与外界进行能量交换,则产生的总能量W全部被材料吸收。纤维改性水泥稳定铁尾矿砂试样做功内部累积的弹性应变能和内部裂缝损伤扩展的耗散能满足式(1):

W=We+Wd

(1)

试样在荷载作用下所吸收的总能量W(J)和弹性应变能We(J)的计算公式如下:

(2)

(3)

式中:σ1——纤维改性水泥稳定铁尾矿砂的主应力(Pa);

ε1——无量纲应变值。

图1所示虚线区域为耗散能Wd(J),网格区域为弹性应变能We(J)。

图1 能量分配示意图

Wd的求解参照式(4):

Wd=Wp+Wf

(4)

式中:Wd——总耗能(J);

Wp——试样断裂时耗散的能量(J);

Wf——纤维破坏耗散能(J)。

纤维对水泥稳定铁尾矿砂的加筋作用不仅表现在自身的抗拉性能,还表现在纤维与土体之间的界面强度。由于纤维破坏所耗散的能量是纤维与土体之间的界面强度较高而耗散的拔出能量,因此可得到纤维有效长度,通过建立有效系数来计算纤维丝的有效长度,从而进一步计算纤维耗散能。

建立有效系数Δε来计算纤维丝的有效长度:

(5)

式中:l——纤维丝长度(mm);

l0——纤维埋入长度(mm)。

因此纤维丝的有效长度(mm):

(6)

Wf的求解参照式(7):

(7)

2.2 纤维长度对能量耗散的影响

在计算破坏耗散能时,假设纤维在铁尾矿砂中分布均匀,纤维加筋土受力遵从复合材料力学,即纤维加筋土受力为基本受力和纤维受力按体积比例叠加之和,因此破坏处的纤维受力与纤维分布位置无关,与纤维分布的角度有关,如图2(a)所示。将破坏处的纤维平移到一个点,则所有纤维会集中在一个球形的区域中,如图2(b)所示。因此根据该思路可利用式(7)计算纤维改性水泥稳定铁尾矿砂破坏处的纤维耗散能。

(a)纤维随机分布

根据式(5)和式(6)可得GF与PF的有效长度,如表1所示,抗折试验中的纤维破坏形式以脱粘拔出为主,即纤维的破坏能量来源于纤维与土体之间的界面作用而吸收的拔出能量。

表1 纤维有效长度计算结果表

根据式(7)计算破坏处纤维耗散能,建立关于纤维长度与耗散能的关系图,如图3所示。通过分析表1中的纤维有效长度与图3中纤维耗散能之间的关系,可知在纤维长度因素影响下,纤维有效长度与耗散能之间没有明显的联系。从图3中也发现,纤维长度与耗散能没有明显的规律,但在长度0～18 mm的范围中有最优纤维长度,即当纤维长度为12 mm时,GCIT和PCIT的耗散能最高,分别为0.004 1 MJ和0.005 5 MJ,此时两种纤维的吸收破坏能量较强,纤维在试样内部起到了“加筋”作用,需要吸收更多的能量,才能使试样破坏。

图3 纤维长度与耗散能关系曲线图

2.3 冻融循环次数对能量耗散的影响

根据式(2)和式(3)可得到不同冻融循环次数的纤维改性水泥稳定铁尾矿砂与耗散能之间的关系,如图4所示。从图4中可以发现,掺GF纤维的铁尾矿砂(GCIT)和掺PF纤维的铁尾矿砂(PCIT)的耗散能随着冻融循环次数的增加,整体呈下降趋势,说明在冻融循环初期试样的损伤程度较低,受到荷载后导致试样断裂需要吸收荷载做功的能量较高,因此能量耗散较多。随着冻融循环次数的增加,损伤程度加剧,受到荷载后裂缝扩展导致试样断裂需要吸收外载做功的能量也越少,试样的耗散能逐渐降低。

图4 冻融循环次数与耗散能关系柱状图

图5为耗散能、抗折强度与冻融次数的关系曲线图,从图中发现GCIT和PCIT的抗折强度与耗散能具有相似的变化趋势。随着冻融循环次数的增加,试样表面受到一定的损伤,试验时试样可在较低的应力下产生裂纹,导致试样的抗折强度降低,因此在裂缝扩散时试样所需的能量也降低,耗散的能量随之下降。

(a)GCIT

根据式(6)和式(7)计算破坏处纤维耗散能与纤维有效长度,并对纤维耗散能、纤维有效长度与循环次数进行拟合,分别得到纤维耗散能、有效长度与循环次数的拟合函数关系。其中,纤维耗散能与冻融循环次数的关系满足对数函数,纤维有效长度与冻融循环次数的关系满足指数函数,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)

将式(9)分别代入式(8)中,得到关于纤维耗散能与有效长度的预测式,如式(10)和式(11)所示,根据预测函数关系式可分别计算GF和PF在不同有效长度下的纤维耗散能。

(10)

(11)

图6为冻融循环下纤维耗散能与纤维有效长度的拟合函数关系曲线图,两种纤维的耗散能和有效长度关系均满足对数函数。从图6中可以看出GCIT与PCIT的耗散能与有效长度呈正相关。

图6 纤维耗散能与纤维有效长度拟合函数关系曲线图

利用式(10)与式(11)建立不同纤维的冻融次数、耗散能、有效长度之间关系的模型,可得到三者关系的变化情况,如下页图7所示。从图7中可以看出,GCIT与PCIT都随着冻融循环次数的增加而使有效长度减少以及耗散能下降。随着冻融循环次数的增加,纤维的有效长度下降,所发挥的“加筋”效果也就越差,即纤维与水泥铁尾矿砂之间的界面作用因冻融而逐渐降低,使得纤维拔出耗散能逐渐下降。但总体而言,同纤维体积下GF的耗散能高于PF的耗散能,即冻融条件下GCIT的改性效果优于PCIT,这与冻融抗折试验中得出的结论一致,即在冻融循环条件下,同体积时GF的改性效果高于PF。

(a)GF

3 结语

根据对纤维改性水泥稳定铁尾矿砂的抗折能量耗散特征研究的调查和分析,得出以下结论:

(1)试验结果表明,PCIT与GCIT的纤维长度均在12 mm时耗散的能量最多。

(2)随着冻融循环次数的增加,PCIT与GCIT的耗散能都随之降低,同时纤维有效长度也随之递减。

(3)GF与PF的有效长度与耗散能的关系满足对数函数,所建立的模型满足纤维有效长度、纤维耗散能与冻融循环之间的关系变化。

综上所述,纤维改性水泥可以有效提高铁尾矿砂的抗折能力。通过添加适量的纤维材料,可以增加材料的韧性和延展性,从而提高其抗折能力。纤维改性水泥稳定铁尾矿砂具有良好的抗折能量耗散特征,适用于工程应用。研究结果为处理和利用铁尾矿砂提供了重要的理论和实践指导,可为纤维改性水泥稳定铁尾矿砂在工程设计和施工中的应用提供参考依据。