聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣含量对充填体力学特性的影响试验研究

吴生海，宋 玲，姚亚峰,3

(1.南通职业大学，江苏 南通 226007； 2.河海大学 力学与材料实验中心，江苏 南京 210000；3.安徽建筑大学，安徽 合肥 230000)

随着我国矿产资源开采深度的增加，在深井开采过程中因受到高地应力、高井温及开采扰动等因素影响，井下围岩体稳定性差，易引发安全事故。如何高效、安全地回采深井矿产资源成为当下国内外诸多矿山企业最为关注的问题[1-2]。充填采矿法作为一种高效且能保障井下矿产资源安全回采的方法，受到广泛应用。因此，充填体的力学性能成为备受国内矿山科技工作者关注的研究热点[3]。胶结充填体主要是由骨料、水泥及水混合配制而成，其力学性能受众多因素的影响，如外加剂、骨料级配和胶凝材料的含量等[4-5]。针对胶结充填体，学者们开展了其力学性能及相关影响因素的研究，研究成果解决了许多工程实际问题[6-18]。

笔者制备的聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣充填体，经济环保且性能稳定，符合绿色安全矿山开采理念。为研究聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣含量对充填体力学性能的影响，设计了包含聚丙烯纤维含量、玻璃纤维含量及矿渣含量的三因素四水平的正交试验，开展聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣充填体坍落度、抗压强度及劈裂抗拉强度试验，并建立多因素耦合作用下的聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣充填体强度模型，分析各因素对充填体抗压、抗拉强度的影响规律，以期为该矿山充填材料参数设计提供指导。

1 试验概述

1.1 试验材料

试验采用的分级尾砂料浆取自金川二矿区，将料浆晒干后装袋备用；聚丙烯纤维和玻璃纤维的长度均为3 mm，如图1所示；采用水泥(标号P.C32.5)作为胶凝材料。当掺入的聚丙烯纤维质量为水泥和尾砂质量总和的0.25%～0.75%时，聚丙烯纤维能够提高尾砂胶结充填体的抗压强度，因此本次试验中，纤维的掺入质量(以下简称“纤维掺量”)为尾砂和水泥总质量的0.2%～0.8%[19]。

图1 试验采用的纤维外观

1.2 试验设计

笔者开展正交试验对聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣充填体力学及流动性能进行研究，以制备出具有良好力学性能的尾砂胶结充填体。本次试验结合该矿山现场工作经验设定灰砂比为1∶4，充填体中物料的质量分数根据前期探索试验设定为78%，矿渣质量分数为4%～16%。其中，矿渣添加方式为等质量替代部分水泥。试验因素和水平为三因素四水平，3个因素分别为聚丙烯纤维(A)、玻璃纤维(B)及矿渣(C)，各因素、水平具体取值如表1所示。

表1 正交试验因素与水平设置

根据表1制备不同质量比例纤维、矿渣的试样。采用直径50 mm、高分别为100 mm和50 mm的2种圆柱形塑料模具装填充填料浆。待料浆初凝后慢慢刮平表面，24 h后进行脱模处理。将充填体试样放置于养护箱进行养护，养护温度、湿度分别为 20 ℃、93%。当在养护龄期达到规定的 3、7、28 d后参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对充填体进行单轴抗压强度和劈裂抗拉试验。进行劈裂抗拉强度的试样为直径50 mm、高度50 mm的圆柱体试样。

在统计学中常用极差和方差刻画数据的离散程度，因此，可以将其作为表征不同的因素对充填体特性的显著性量化标准。故选用极差和方差来对试验结果进行分析。

2 试验方法

2.1 坍落度测试

在研究纤维种类、含量及矿渣含量对尾矿胶结填料力学性能的影响之前，另一个重要任务是分析纤维和矿渣对尾砂胶结充填体流动性的影响。利用标准坍落度仪器对试样流动性进行测试。

2.2 抗压、抗拉强度测试

试验设备采用WEW-600D型微机屏显示液压万能试验机(最大负荷 600 kN、精度为±1%、分辨率 0.1 kN)，对纤维增强充填体试样进行单轴抗压、抗拉强度测试。尾砂胶结充填体单轴抗压强度测试采用直径50 mm、高度100 mm的圆柱体试样进行；充填体的单轴抗拉强度测试采用直径50 mm、高度50 mm的圆柱体试样。

试件加载前先用砂纸进行轻微打磨，使尾砂胶结充填体上下面光滑平整。单轴抗压与抗拉试验加载方式采用位移控制，每种养护龄期下测试3个试块，取其平均值作为抗压、抗拉强度测试数据。

3 试验结果及分析

3.1 试验测试结果

当所制备的聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣充填体达到设计龄期后进行抗压强度、抗拉强度测试，结果如表2所示。其中0号组试样表示的是未添加纤维和矿渣的对照组。此外，为研究聚丙烯纤维(A)、玻璃纤维(B)及矿渣(C)对聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣充填体力学性能的影响程度，且得到显著性影响因素，采用统计分析软件 SPSS 进行极差和方差分析，分析结果见表3、表4。

表2 聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣充填体的力学性能测试结果

表3 极差分析结果

表4 方差分析结果

3.2 聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣充填体的坍落度

不同纤维和矿渣掺量下充填体坍落度的变化测试结果如图2所示。

(a)纤维掺量对坍落度的影响

由图2可以看出，随着矿渣和纤维含量的增加，弃填体坍落度不断变小，表明三因素弱化了料浆的流动性能。对比纤维及矿渣掺入量的增加对料浆流动性的影响，可以发现，当聚丙烯纤维和玻璃纤维掺量从0.1%增加至0.6%时，充填体的坍落度分别降低了36.4%和 27.3%；当矿渣质量分数从4%增加至16%时，充填体的坍落度只降低了11.5%，说明矿渣的掺入对尾砂料浆坍落度的影响低于添加聚丙烯或玻璃纤维的影响。

聚丙烯纤维和玻璃纤维对料浆流动性能产生影响的原因在于纤维分散在料浆中相互搭接形成网状结构，减弱了尾砂颗粒的滑移流动作用，故料浆的流动度呈现出减小的趋势[20]。由表3中极差分析结果可知，三因素对尾砂充填料浆坍落度的影响程度为聚丙烯纤维>玻璃纤维>矿渣。同时，根据表4中方差分析结果可知，三因素的显著性水平P值均远小于0.05，说明聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣均为尾砂充填料浆坍落度的显著性影响因素。

3.3 聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣充填体的抗压强度

不同纤维和矿渣掺量下充填体抗压强度的变化测试结果如图3所示。

(a)聚丙烯纤维掺量对抗压强度的影响

由图3可以看出，添加了聚丙烯纤维、玻璃纤维和矿渣的充填体抗压强度明显高于未添加的充填体抗压强度，说明加入适量纤维和矿渣能够改善尾砂胶结充填体的力学性能。

由图3(a)可知，当聚丙烯纤维掺量从0.1%增加至0.6%时，充填体3、7、28 d的抗压强度分别提高了20.7%、-2.3%、2.4%；当玻璃纤维掺量从0.1%增加至0.6%时，充填体3、7、28 d的抗压强度分别提高了12.0%、6.3%、4.6%。因此，添加聚丙烯纤维或玻璃纤维能够显著提高充填体的早期强度。这是因为胶凝材料在养护早期的水泥水化反应并不完全，水化反应产生的C-S-H等凝胶物质并不充分，此时纤维的物理加固作用对充填体的承载能力起到关键的作用。因此，纤维掺量的增加更有利于提高尾砂胶结充填体的早期强度[21]。但是在养护后期，随着水泥水化反应过程趋于完全，纤维掺量的增加容易出现纤维缠绕成团的现象，导致充填体在受到加载时容易产生应力集中的现象。因此在养护后期，聚丙烯纤维和玻璃纤维对充填体抗压强度的改善效果并不明显[22]。

由图3(c)可知，当矿渣质量分数从4%提高至16%时，充填体3、7、28 d的抗压强度分别提高了14.2%、-0.7%、3.9%，可以看出矿渣含量的增加同增加纤维对充填体抗压强度的改善效果类似。

此外，由表3中极差分析结果可知，在养护龄期为3 d时，三因素对尾砂胶结充填体的抗压强度影响程度为聚丙烯纤维>玻璃纤维>矿渣；在养护龄期为7 d时，三因素对尾砂胶结充填体的抗压强度影响程度为矿渣>玻璃纤维>聚丙烯纤维；在养护龄期为28 d时，三因素对尾砂胶结充填体的抗压强度影响程度大小为矿渣>玻璃纤维>聚丙烯纤维。

同时，结合表4中方差分析结果可知，当养护龄期为3、28 d时，三因素的显著性水平P值均远小于0.05，说明聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣均为充填体3 d及28 d抗压强度的显著性影响因素；当养护龄期为7 d时，玻璃纤维和矿渣的显著性水平P值均小于0.05，说明玻璃纤维和矿渣均为充填体7 d抗压强度的显著性影响因素，而聚丙烯纤维不是充填体7 d抗压强度的显著性影响因素。

3.4 聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣充填体的抗拉强度

不同纤维掺量和不同矿渣质量分数下充填体抗拉强度的变化测试结果如图4所示。

(a)聚丙烯纤维掺量对抗拉强度的影响

由图4可以看出，添加了聚丙烯纤维、玻璃纤维和矿渣的充填体抗拉强度明显高于未添加的充填体抗拉强度，说明添加一定量的纤维和矿渣能够提高充填体的抗拉强度。当聚丙烯纤维掺量从0.1%增加至0.6%时，抗拉强度增加10.5%；当玻璃纤维掺量从0.1%增加至0.6%时，抗拉强度增加了5.3%；当矿渣质量分数从4%增加至16%时，充填体的抗拉强度仅提高了0.96%，说明掺入矿渣对充填体抗拉强度的提高不如添加聚丙烯纤维或玻璃纤维明显。

此外，由表3中极差结果可知，三因素对尾砂胶结充填体抗拉强度的影响程度为聚丙烯纤维>玻璃纤维>矿渣。同时，根据表4中方差分析结果可知，聚丙烯纤维的显著性水平P值小于0.05，说明聚丙烯纤维为充填体抗拉强度的显著性影响因素，而玻璃纤维和矿渣均不是抗拉强度的显著性影响因素。

4 结论

1)充填体的坍落度均随着聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣含量的增加而不断降低，并且三因素对尾砂充填料浆坍落度的影响程度大小为聚丙烯纤维>玻璃纤维>矿渣。此外，由方差分析结果可知，聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣均为尾砂充填料浆坍落度的显著性影响因素。

2)在不同的养护龄期内，聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣对充填体抗压强度的影响并不一致。养护龄期为3 d时，三因素对尾砂胶结充填体的抗压强度影响程度为聚丙烯纤维>玻璃纤维>矿渣；在养护龄期为7、28 d时，三因素对尾砂胶结充填体的抗压强度影响程度为矿渣>玻璃纤维>聚丙烯纤维。此外，聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣均为充填体3、28 d抗压强度的显著性影响因素。

3)添加一定量的纤维和矿渣也能够有效提高充填体的抗拉强度，但矿渣的掺入对抗拉强度的提高不如掺入聚丙烯纤维和玻璃纤维明显。此外，由极差分析结果可知，三因素对尾砂胶结充填体抗拉强度的影响程度为聚丙烯纤维>玻璃纤维>矿渣；聚丙烯纤维为充填体抗拉强度的显著性影响因素，而玻璃纤维和矿渣均不是抗拉强度的显著性影响因素。