凍融作用下纖維改性水泥鐵尾礦砂的抗折性能研究

作者簡介：張運俊（1984—），工程師，主要從事公路建設施工管理工作。

摘要：文章采用纖維和水泥對鐵尾礦砂進行改性處理，對聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂和玻璃纖維水泥鐵尾礦砂開展抗折試驗研究，探討纖維長度、凍融循環次數與抗折強度之間的關系。研究結果表明，聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂的抗折強度最高時的聚丙烯纖維長度為12 mm，而玻璃纖維水泥鐵尾礦砂隨著纖維長度的增加呈波浪形下降；聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂與玻璃纖維水泥鐵尾礦砂的抗折強度均隨著凍融循環次數的增加而降低，其中玻璃纖維水泥鐵尾礦砂的抗凍性優于聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂。研究結果可為鐵尾礦砂在路基工程中的資源化利用提供參考。

關鍵詞：道路工程；鐵尾礦砂；凍融循環；抗折強度；能量耗散

中圖分類號：U414

0 引言

隨著工業化進程的不斷推進，石灰石、煤、鐵等資源在開采和利用過程中產生了大量的尾礦砂。這些尾礦砂通常被視為廢棄物，但由于其含有大量未利用的金屬元素，使得對其進行再利用成了當前廣泛關注的一個課題^［1］。國外對尾礦砂的綜合利用研究起步較早，而國內從20世紀70年代開始對尾礦砂進行資源化利用。鐵尾礦的資源化利用較為廣泛，回收后的鐵尾礦可以整體利用，將鐵尾礦代替部分骨料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^{［2- 3］}。

水泥鐵尾礦砂作為一種新型材料，在建筑、環保、農業等領域具有廣泛的應用前景。然而，由于其本身結構松散、孔隙較大，導致其力學性能較差，并且在環境溫度較低時容易發生凍融損傷，降低了其使用壽命。隨著材料工藝的發展，諸多研究人員將具有密度小、延性好、增韌和阻裂效果好等優點的纖維作為新型外摻劑加入水泥土、砂漿、混凝土等材料中進行抗折試驗^［4］。研究人員將不同摻量的纖維摻入水泥土中進行抗折試驗，試驗結果表明纖維水泥土的抗折強度高于普通水泥土。開展了不同纖維摻量的水泥土抗折試驗，結果表明抗折強度隨著纖維摻量的增加而增大^［5］。但過多摻入纖維會降低混凝土的力學性能。通過研究在凍融條件下纖維增強混凝土的抗折性能，發現纖維的增加可降低混凝土在凍融下的質量損失率^［6］。因此利用纖維的增韌、阻裂等特點，將其按照最優摻量摻入水泥土、砂漿、混凝土等材料中可提高材料的抗折強度，且在凍融循環下有較好的改性效果，而纖維長度對材料抗折性能的研究卻相對較少。

因此，為了提高水泥鐵尾礦砂的力學性能并延長其使用壽命，需要針對其抗折性能進行深入研究。本文將圍繞凍融作用下纖維改性水泥鐵尾礦砂的抗折性能展開研究，分別采用不同種類纖維和纖維長度對鐵尾礦砂進行改性處理，對聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂和玻璃纖維水泥鐵尾礦砂開展抗折試驗，探討纖維長度、凍融循環次數與抗折強度之間的關系，以期為該材料的應用提供理論基礎和實踐指導。

1 試驗概況

1.1 原材料

試驗所用材料為鐵尾礦砂、黏土、水泥、聚丙烯纖維與玻璃纖維。通過X射線熒光光譜分析可知鐵尾礦砂的主要元素有Ca、Fe、Si和Mg，黏土主要元素有Si、Fe、Al、K等元素。將取回的原鐵尾礦砂、黏土放進溫度為105 ℃的烘箱中烘干至恒重。本文將原狀砂經篩孔2 mm篩選后的砂定義為粉砂，并以此作為原材料。通過物理試驗可知，尾礦砂的液限為36.95%，塑限為7.6%；黏土的液限為39.52%，塑限為15.15%。

本文所用的聚丙烯纖維和玻璃纖維如圖1所示，纖維呈單絲束狀，聚丙烯纖維和玻璃纖維的直徑分別為0.014 mm和0.048 mm，比重分別為2.36 g·cm^-3和0.91 g·cm^-3。聚丙烯纖維的抗拉強度和彈性模量分別為340 MPa和4 200 MPa，玻璃纖維的抗拉強度和彈性模量分別為260 MPa和3 800 MPa。

1.2 試驗方案設計

為了探究不同纖維長度對水泥鐵尾礦砂抗折性能的影響，本文分別選用3 mm、6 mm、9 mm、12 mm和18 mm的聚丙烯纖維和玻璃纖維，兩種纖維摻量均為0.6%。為了探究不同凍融循環次數對水泥鐵尾礦砂抗折性能的影響，選用12 mm的聚丙烯纖維和玻璃纖維，聚丙烯纖維的摻量為0.6%，玻璃纖維的摻量為聚丙烯纖維摻量同體積時的質量，凍融循環次數分別確定為0次、1次、3次、5次、10次。針對本文不同抗折試驗，水泥鐵尾礦砂的配合比分別見表1和表2。

1.3 抗折性能試驗方法

根據以上配合比制作尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試樣，每組配合比試樣編號制作3個平行試樣。等待養護齡期到期后取出試樣（如圖2所示），用濕毛巾拭去試樣表面水分稱取質量。將試樣編號后放入低溫試驗箱，參考《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》中的無機結合料凍融試驗方法，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，一個凍融循環為24 h。然后重復以上步驟進行下一次的凍融循環試驗，待達到設定的循環次數后進行抗折性能力學試驗。

圖2 纖維水泥鐵尾礦砂抗折試樣成型示例圖

本文中抗折試驗使用的儀器為水泥全自動抗折抗壓試驗機，如圖3所示。將抗折試樣橫向放置于試驗機抗折支座上，保證上部加載圓柱平行于試樣寬度方向并且處在試樣中心位置。試樣粗糙面需朝外側，使得上部加載圓柱可以沿試樣寬度方向均勻分布。

2 纖維長度對水泥鐵尾礦砂抗折性能的影響分析

圖4為抗折強度與纖維長度的變化關系曲線圖。由圖4可知，隨著纖維長度的增加，聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂的抗折強度先降低后升高再降低。當聚丙烯纖維長度在3～6 mm時，聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂開裂時的抗折強度低于水泥鐵尾礦砂，聚丙烯纖維未能起到“加筋”效果，反而破壞了試樣內部結構，導致抗折強度有所降低，這種反作用隨著纖維長度的增加而愈加明顯。然而當聚丙烯纖維長度為6 mm后，聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂的抗折強度隨纖維長度增加而增加，當聚丙烯纖維長度為12 mm時其抗折強度最大，聚丙烯纖維長度為18 mm時抗折強度又隨之下降，原因是過長的纖維長度在試樣內部纏繞，使得纏繞纖維周圍阻礙水泥水化反應。玻璃纖維水泥鐵尾礦砂的抗折強度隨著纖維長度的增加呈波浪形下降，雖然玻璃纖維長度在6 mm和12 mm時抗折強度有小范圍的提升，但始終比水泥鐵尾礦砂的抗折強度低，說明玻璃纖維未能改善水泥鐵尾礦砂的抗折性能。雖然玻璃纖維和聚丙烯纖維的質量相同，但是在試樣內部分布的體積不同也會導致“加筋”效果的不同。正是玻璃纖維體積占比比聚丙烯纖維小，從而起不到增強抗折強度的效果。因此要提高其抗折強度主要考慮三個因素的影響：（1）纖維長度和數量；（2）纖維種類；（3）纖維界面作用。

不同纖維和長度的纖維水泥鐵尾礦砂的單軸抗壓強度（UCS）試驗應力-應變曲線如圖5所示。從圖5可以看出，不摻纖維時峰后應變持續能力很短。摻入3 mm纖維后，纖維水泥鐵尾礦砂的UCS應變能力迅速提升，峰后應變軟化階段得到了極大地延伸。隨著纖維長度的增長，應力-應變曲線逐漸從軟化型曲線轉變為硬化型曲線，即峰后隨著應變增大，應力仍保持或者降低速度十分緩慢。纖維長度增長后，試樣破壞后仍具有一定的完整性和承載力。對此，選取對水泥鐵尾礦砂改性較好的12 mm長度的聚丙烯纖維和玻璃纖維，進行了凍融條件下的纖維抗折試驗，進一步探究不同纖維的界面作用及同纖維體積下纖維水泥鐵尾礦砂的抗折強度變化規律。

3 凍融循環對水泥鐵尾礦砂抗折性能的影響分析

3.1 凍融循環損傷程度

在凍融循環試驗過程中，試樣表面會有不同程度的掉渣脫落現象，如圖6。由于1次凍融循環的試樣表面沒有較為明顯的癥狀，因此對比經3次、5次、10次凍融循環后的聚丙烯纖維和玻璃纖維水泥鐵尾礦砂試樣表面脫落情況。凍融循環3次時，兩種纖維水泥鐵尾礦砂試樣的整體性完好，表面開始變得毛糙，顆粒輕微脫落，屬于輕度損傷；凍融循環5次時，有晶體析出，表面脫落面積較大，聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂比玻璃纖維水泥鐵尾礦砂損傷更嚴重，聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂骨料外露表面有細微裂縫，屬于重度損傷，而玻璃纖維水泥鐵尾礦砂屬于中度損傷；凍融循環10次時，玻璃纖維水泥鐵尾礦砂試樣每個面都有晶體析出且有輕微裂縫，試樣膨脹變大，但保持了整體性，而聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂中間的試樣雖未斷裂但兩端顆粒脫落松散，有兩個試樣出現斷裂裂縫，屬于失效程度損傷。

3.2 凍融循環抗折強度

圖7為不同凍融循環次數時的彎曲應力和位移的關系曲線圖。由圖7（a）可知，0次凍融循環下聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂的彎曲應力-位移曲線出現一段懸崖式下跌的情況，該情況是由于試樣底部外表面承受抗彎荷載時發生了脆性破壞，隨著位移的進一步增加，試樣內部的PF起到“加筋”效果，開始抵抗破壞力。隨著凍融次數的增加，試樣曲線經過峰值后平緩下降。由圖7（b）可知，凍融后的試樣經過一定時間后進一步完成水泥的水化反應，又發生凍脹內部晶體重組，曲線經過峰值后呈平緩下降趨勢。

圖8為凍融循環后水泥鐵尾礦砂的抗折強度與凍融次數之間的關系柱狀圖。由圖8可知，聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂和玻璃纖維水泥鐵尾礦砂的抗折強度均隨著凍融次數的增加而降低。聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂凍融一次后的抗折強度比未凍融時下降55.8%，隨著凍融次數的增加，抗折強度逐漸遞減，10次凍融循環后僅有91.9 kPa的抗折強度。與纖維長度抗折試驗中的12 mm長的玻璃纖維水泥鐵尾礦砂抗折強度相比，由于配比中玻璃纖維體積的增大，聚丙烯纖維起到了加筋作用，使得玻璃纖維水泥鐵尾礦砂未凍融時的抗折強度為655.2 kPa，高于聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂未凍融時的抗折強度，凍融一次的玻璃纖維水泥鐵尾礦砂抗折強度降低了33.6%，是該情況下聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂的1.8倍。隨著凍融次數增加，玻璃纖維水泥鐵尾礦砂的抗折強度緩慢降低，10次凍融后的抗折強度為229.7 kPa，是該情況下聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂的2.5倍。綜上可知，同體積的纖維摻量下，玻璃纖維水泥鐵尾礦砂的抗凍性能優于聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂。

4 結語

本文以纖維水泥鐵尾礦砂為研究對象，通過抗折試驗研究纖維長度、凍融循環次數與抗折強度的變化關系，研究發現：

（1）相同纖維質量時，聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂的抗折強度隨著纖維長度的增加先減小后增大再減小，最佳纖維長度為12 mm，而玻璃纖維水泥鐵尾礦砂呈波浪形下降。玻璃纖維相較于聚丙烯纖維而言，纖維長度的增加對抗折性能沒有明顯的改性效果。

（2）相同纖維體積時，隨著凍融循環次數的增加，聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂與玻璃纖維水泥鐵尾礦砂的抗折強度隨之降低，其中玻璃纖維水泥鐵尾礦砂的抗凍性優于聚丙烯纖維水泥鐵尾礦砂。

該研究對于纖維水泥鐵尾礦砂的應用前景具有重要的參考價值。在施工中，可以針對不同的工程要求選用不同類型和長度的纖維，以達到最佳的抗折性能。同時，在考慮使用纖維水泥鐵尾礦砂的工程中，應注意在凍融循環環境下的穩定性，并采取相應的措施進行加固和防護。因此，建議在使用纖維水泥鐵尾礦砂進行工程建設應用時，應根據具體需求選擇合適的纖維材料和長度，并充分測試和評估其抗凍融性能，以保證工程質量和耐久性。

參考文獻

［1］林煜宏，潘榮建，蘭素戀.鐵尾礦協同多源固廢在公路軟土地基處理中的應用［J］.西部交通科技，2022（11）：87-89.

［2］楊 飛，孫曉敏.利用釩鈦磁鐵礦尾礦制備普通硅酸鹽水泥熟料的研究［J］.鋼鐵釩鈦，2020，41（2）：75-81.

［3］曾雅鈺瓊，潘建平，楊秀英，等.鐵尾礦在道路基層材料中的應用研究進展［J］.應用化工，2018，47（2）：358-364.

［4］呂志恒，程 銘，蔣喜生，等.玻璃纖維和聚丙烯纖維改善混凝土微觀結構研究［J］.中外公路，2020，40（6）：267-270.

［5］師瑩琨，劉 鋒，陳四利，等.酸堿環境下纖維水泥土力學特性研究［J］.硅酸鹽通報，2020，39（10）：3 298-3 303.

［6］趙燕茹，高 健，王 磊，等.單面凍融下玄武巖纖維混凝土抗凍性能研究［J］.混凝土，2020（4）：70-73.

收稿日期：2023-03-20