基于DIC的掺聚丙烯纤维胶结充填体抗拉特性试验研究

Experimental Study on Tensile Properties of Polypropylene Fiber Bonded Filling Material Based on DIC

摘要

为探究聚丙烯纤维（PF）掺杂对尾砂胶结充填体抗拉特性的影响，对不同灰砂比和不同聚丙烯纤维掺量的尾砂胶结充填体进行了巴西劈裂试验，利用DIC技术对试验过程中试件表面裂隙萌生和扩展演化进行全程观测分析，并结合扫描电镜（SEM）揭示聚丙烯纤维对尾砂胶结充填体试件内部结构增强效应的作用机理。结果表明：聚丙烯纤维的掺入可有效提高充填体的单轴抗拉强度，且随着聚丙烯纤维掺量的增加，充填体的单轴抗拉强度先增大后减小，最佳掺量为0.6%。以灰砂比1∶4为例，充填体试件单轴抗压强度最大值为0.59 MPa，最大增幅为37.21%。纤维的加入改变了充填体试件的应力—应变行为，当试件达到峰值抗拉强度时，掺PF充填体试件并未立刻失去承载能力，仍具有一定的残余强度，且PF掺量为0.6%的充填体试件残余强度达到最大值。DIC观测显示，掺纤维的充填体在拉伸破坏时应变集中现象得到缓解，裂缝更加曲折，表明纤维能有效分散应力。SEM分析揭示，过量的纤维会导致充填体试件内部孔隙和裂隙的尺度增加，从而导致充填体试件的宏观抗压强度逐渐下降，适量的纤维在充填试件内部会被大量的水化产物C-S-H凝胶包裹，纤维—充填体基质界面由于受水化产物C-S-H凝胶的作用会形成一个整体，使得掺纤维的充填体承载能力更高。

Abstract

To investigate the effect of polypropylene fiber doping on the tensile properties of tailings cemented filling materials，Brazilian splitting experiments were conducted on tailings cemented filling materials with different ash-to-sand ratios and polypropylene fiber contents.DIC technology was used to observe and analyze the initiation and propagation evolution of surface cracks on the specimens during the experiment，and scanning electron microscopy （SEM） was used to reveal the mechanism of the reinforcing effect of polypropylene fibers on the internal structure of tailings cemented filling materials.To examine the impact of polypropylene fiber incorporation on the tensile properties of tailings cemented filling materials，Brazilian splitting tests were performed on samples with varying ash-to-sand ratios and polypropylene fiber contents.Digital Image Correlation （DIC） technology was employed to observe and analyze the initiation and propagation of surface cracks on the specimens throughout the experiment.Additionally，scanning electron microscopy （SEM） was utilized to elucidate the mechanism by which polypropylene fibers enhance the internal structure of the tailings cemented filling materials.The findings of the study indicate that incorporating polypropylene fibers significantly enhances the uniaxial tensile strength of the filling material.As the polypropylene fiber content increases，the uniaxial tensile strength initially rises and subsequently declines，with an optimal fiber content identified at 0.6%.For instance，with an ash-to-sand ratio of 1∶4，the maximum uniaxial compressive strength of the filling specimen reaches 0.59 MPa，representing a maximum increase of 37.21%.Furthermore，the inclusion of fibers alters the stress-strain characteristics of the filled specimen.Upon reaching peak tensile strength，the PF-filled specimen did not immediately experience a loss in load-bearing capacity and retained a degree of residual strength.Notably，the residual strength of the specimen filled with 0.6% PF attained its highest value.Observations using Digital Image Correlation （DIC） technology reveal that the strain concentration phenomenon in fiber-reinforced fillers is mitigated during tensile failure，resulting in more tortuous crack patterns.This indicates that the fibers effectively facilitate stress dispersion.Scanning Electron Microscopy （SEM） analysis indicates that an excessive incorporation of fibers results in the enlargement of pores and cracks within the filling body specimen，consequently leading to a gradual reduction in its macro compressive strength.Conversely，an optimal quantity of fibers becomes encapsulated by a substantial amount of hydration product，specifically calcium-silicate-hydrate （C-S-H） gel，within the specimen.This encapsulation facilitates the integration of the fiber-filling body matrix interface into a cohesive unit due to the influence of the C-S-H gel，thereby enhancing the load-bearing capacity of the fiber-reinforced filling body.

Graphical abstract

关键词

聚丙烯纤维 / 巴西劈裂 / 抗拉强度 / 韧性特征 / DIC技术 / 电镜扫描

Key words

polypropylene fiber / Brazilian splitting / tensile strength / toughness characteristics / DIC technology / electron microscopy scanning

充填采矿是一种在采矿过程中随着回采作业的推进，采用充填料回填采空区进行地压管理的采矿方法。该方法不仅能够有效调控采场地压，提升矿山的安全性和经济效益，还能减少地表尾矿堆存，防止采空区的沉降和地表塌陷，对环境保护具有显著意义（谢和平，2019；程海勇等，2022；陈振宏，2022；Liang et al.，2024；Xuan et al.，2024）。充填料浆（尾砂、胶凝材料和水）通过管道输送至采空区后，经过一定时间的沉淀和凝固最终形成胶结充填体。胶结充填体能够有效控制矿山结构和围岩破坏的发展，保持顶底板岩层的稳定性，防止发生无阻挡的自由坍塌。因此，在复杂的地下开采过程中，对充填体强度和稳定性进行研究具有重要的现实意义（黄松等，2023；宋洪宇等，2023）。

在充填体抗拉强度的研究领域，众多学者通过实验和先进的测试技术，如DIC（数字图像相关法）和声发射技术，对不同类型充填体的力学性能进行了深入探讨。研究表明，通过向充填体中掺杂纤维材料，如聚丙烯纤维（PF）和碱性稻秸秆纤维（ARSF），可以显著提升充填体的抗拉强度和韧性（Xue et al.，2023；Pan et al.，2024；Wang et al.，2024）。这些纤维不仅能够抑制裂纹的扩展，降低应力集中，还能提高充填体的残余承载能力。界面角度和界面粗糙度对充填体的破坏特性和剪切行为也具有重要影响，裂纹拓展方向和剪切强度随着界面角度和粗糙度的增加而变化（白锦文等，2023；史旭东等，2023；Shi et al.，2023；Yang et al.，2024）。此外，一些学者通过巴西劈裂试验发现圆盘试件的裂纹起裂点通常位于试件的中部或加载端处，裂纹由加载方向产生并拓展至贯穿（谢勇等，2015；蔡发雄等，2024）。

虽然国内外学者采用DIC技术对尾砂胶结充填体的强度、能量耗散、结构和破坏进行了大量研究并取得一定成果，然而关于掺聚丙烯纤维充填体在抗拉性能方面的研究较少。鉴于此，本文采用数字图像相关法（DIC）对不同灰砂比条件下不同聚丙烯纤维掺量的尾砂胶结充填体进行巴西劈裂试验，全程观测试件表面裂隙萌生和扩展演化，对比分析不同灰砂比条件下掺不同含量纤维的尾砂胶结充填体全场应变和表面位移，并结合SEM揭示聚丙烯纤维在胶结充填体试件内部产生增强效应的作用机理，以期为矿山实际充填提供理论依据。

1 试验方案及流程

1.1 试验材料及设备

试验选用福建某铁矿尾砂，利用激光粒度仪（Winner 2000）对尾砂粒径进行检测，发现粒径小于2 μm的尾砂颗粒占5%，粒径小于20 μm的颗粒约占50%，表现出良好的级配关系，其尾砂粒径分布如图1所示。利用Ｘ射线荧光光谱（XRF）对尾砂成分进行检测，主要矿物成分包括SiO₂、CaO、MgO、Fe₂O₃和Al₂O₃等，具体含量见表1。水泥选用红狮牌标号为PC42.5的复合硅酸盐水泥。试验设备采用WDW-20 电子万能试验机，加装一个巴西劈裂专用仪器进行巴西劈裂试验，加载方向为由下到上，可实时记录位移—荷载数据。

1.2 试件制备

基于矿山工程实际充填灰砂比，制备了灰砂比为1∶4、1∶6和1∶8，料浆质量浓度为75%的充填体试件。巴西劈裂试验通常采用厚径比为0.5~1.0的圆盘试件，由于本研究巴西劈裂试验并不探究厚径比对试验结果的影响，为简化试件制备流程，巴西劈裂试验采用厚径比为1的圆盘试件。聚丙烯纤维（Polypropylene Fiber，PF）掺量分为5组（PF掺量为试件的质量含量），依次为0、0.2%、0.4%、0.6%和0.8%，纤维长度为9 mm。每组制备5个试件，采用全尾砂和PC42.5复合硅酸盐水泥作为胶凝材料，与自来水混合以制备50 mm×50 mm的圆柱形充填体试件，详细的试验设计如表2所示。首先将尾砂和PF按试验设计量混合干拌，再将水泥按照设计量加入搅拌，搅拌至PF不再黏结成团后加入一定量的水进行充分搅拌，搅拌完成后将料浆浇注至50 mm×50 mm的圆柱形模具中，用小搅拌棒搅拌料浆，使料浆密实，静置24 h后脱模，并用黑色记号笔做好标记，脱模后移至恒温恒湿养护箱养护28 d，养护条件设置：温度为（20±1）℃，湿度约为95％。

1.3 试验方案

使用WDW-20电子万能试验机，对各灰砂比条件下PF掺量不同的5组充填体试件进行巴西劈裂试验，每组5个试件，剔除一个离散性最大值和最小值，剩下3个试件取平均值进行分析。将试件表面进行人工散斑制作后，对试件用劈裂模具进行固定，使用冷光光源照射试件辅助拍摄，为了便于记录，散斑表面应朝摄影机一端，试件在试验机内受到线性集中载荷时摄像机同时开始记录。试验流程如图2所示。

2 试验结果与分析

2.1 PF含量对不同灰砂比充填体抗拉强度的影响

图3所示为不同灰砂比条件下充填体试件（Cemented Paste Backfill，CPB）抗拉强度随PF含量的变化趋势。由图3可知，随着PF含量由0增加至0.8%，CPB试件抗压强度呈先增加后减小的变化趋势。当PF含量为0.6%时充填体强度最高。以灰砂比1∶4为例，与未掺PF充填体试件相比，其他组CPB的抗拉强度分别提高4.65%、16.27%、37.21%和20.93%。其原因是向CPB掺入适量的PF，PF之间会形成立体的网状结构相互连接，与砂浆基体形成一定的黏结力，使纤维在试件中更加均匀有效地传递并分散荷载，起到抗裂作用，进而提高充填体的抗拉强度。然而，当CPB中的PF含量超过最佳值后，CPB抗拉强度出现减小的现象。其原因是过量的PF不仅会聚集成团形成应力集中点，还会使试件内部裂隙更加明显，劣化PF增强CPB试件抗拉能力的效果（何志伟，2022；Jiang et al.，2024）。因此，本次单轴抗压试验下充填体的最佳PF掺量为0.6%。

2.2 PF含量对不同灰砂比充填体抗拉强度应力—应变曲线的影响

图4所示为不同灰砂比及PF含量条件下CPB抗拉强度测试应力—应变曲线。由图4可知，PF对CPB试件的抗拉强度应力—应变曲线有明显的影响，PF的掺入改变了CPB试件抗拉强度应力—应变行为，未掺PF的CPB试件抗拉强度随着应变的增加而增大，当荷载达到CPB试件峰值抗拉强度时，通常会立即产生较大的强度下降，失去承载能力；掺PF的CPB试件受到的荷载不断增大，当荷载达到CPB试件峰值抗拉强度时，虽然会立即产生较大的强度下降，但并不会完全失去承载能力，仍具有一定的残余强度，且残余强度随着PF掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，在PF含量达到0.6%时，残余强度达到最大值。究其原因：CPB试件中的PF会被水化产物紧紧包裹使纤维—充填体基质界面形成一个整体，从而形成一定的黏结力，当添加PF的充填体已经出现宏观拉破坏时，CPB试件会产生较大的强度下降，但是CPB试件中的PF并未完全从基体抽出，而是部分跨过裂缝，通过其桥接作用提供额外的牵拉力，与此同时拉应力从基体传递至PF，阻碍CPB试件继续破坏，故而CPB试件已经出现宏观拉破坏之后仍具有一定的残余强度。

2.3 PF含量对不同灰砂比充填体韧性特征及断裂能的影响

（1）韧性特征

试件的韧性特征是材料力学用来衡量材料在变形过程中吸收能量能力和抗裂性能的重要参数，可近似由式（1）（Xu et al.，2017；Bawa et al.，2019；Cao et al.，2019）进行计算：

K=\frac{{\epsilon }_P}{{\epsilon }_{P_{\mathrm{0}}}}（1）

式中∶K为材料的韧性参数；{\epsilon }_P和{\epsilon }_{P_{\mathrm{0}}}分别为掺PF的CPB试件峰值应变和未掺PF的CPB试件峰值应变。

图5所示为不同灰砂比和PF含量条件下CPB试件韧性特征。整体来看，掺PF的CPB试件K值皆大于1，PF能提高CPB试件的韧性特征。其中，灰砂比为1∶6的CPB试件，随着掺PF的含量增大，试件的K值分别为1.212、1.805、1.923和1.759；当掺PF的含量相同时，发现灰砂比为1∶4的CPB试件的韧性特征普遍小于灰砂比为1∶6和1∶8的CPB试件，以掺0.6%PF的CPB试件为例，灰砂比为1∶4、1∶6和1∶8时对应的K值分别为1.204、1.923和1.444。

（2）断裂能

为了分析PF掺量对不同灰砂比的CPB试件在受到拉伸破坏时抗裂性能的影响，引入断裂能进行分析。断裂能是指试件在受到拉伸破坏时，裂缝拓展单位面积需要的能量，可近似由式（2）（温茂萍等，2015；王柳江等，2023）进行计算：

G_{\mathrm{f}}=\frac{W_{\mathrm{p}}}{DL}（2）

式中：G_{\mathrm{f}}为断裂能；W_{\mathrm{p}}为峰值应力处试件吸收的能量；D和L分别为试件厚度和裂缝长度。

图6所示为不同灰砂比和PF含量条件下CPB试件的断裂能变化规律。由图6可知，掺PF的CPB试件断裂能随着PF含量的增加而呈增大的趋势，掺PF的CPB试件断裂能普遍大于未掺PF的CPB试件断裂能，这与CPB试件抗拉强度和韧性特征随PF含量的变化趋势基本保持一致，说明掺入适量的PF对CPB试件抗裂性能起到正向作用；灰砂比能影响掺PF的CPB试件断裂能的变化，灰砂比为1∶4的CPB试件断裂能随PF含量的变化趋势与灰砂比为1∶6和1∶8的CPB试件断裂能随PF含量的变化趋势不一致，说明PF增强CPB的抗裂效果会随着灰砂比的变化而变化。究其原因∶CPB试件中的PF将充填体中的裂隙连接起来，同时PF自身也具有非常好的强度和弹性，当添加PF的充填体受载时，PF会将试件受到的荷载有效地传递分散，减少应力集中，使纤维在试件中更加均匀有效地传递分散荷载，故而增强了CPB试件吸收能量的能力，优化了CPB试件的抗拉强度和抗裂性能。

2.4 基于DIC的掺PF尾砂胶结充填体在抗拉特性试验下宏观破坏特征

巴西试验法是沿圆盘试件直径方向施加线性载荷，试件在径向方向受压缩作用，出现明显的应变集中现象；随后载荷达到峰值，试件迅速开裂，裂纹扩展至整个试件（赵康等，2020）。为了探究PF对CPB试件在抗拉特性试验下的增强机理，对不同灰砂比条件下掺有不同PF含量的CPB试件劈裂破坏点对应的水平向应变场进行分析，结果如图7~图9所示。

由图7~图9可以看出，相同灰砂比条件下掺有PF的CPB试件破坏时的拉伸应变场会随着PF含量的变化而变化，未掺PF的CPB试件破坏时的拉伸应变场呈现明显的应力集中现象，裂缝周边的应变近似为0；掺PF的CPB试件破坏时裂缝周边应变范围明显增多，且随着PF含量的增加应变集中现象明显改善。掺PF的CPB试件发生拉伸破坏后的裂缝比未掺PF的CPB试件发生拉伸破坏后的裂缝更加曲折，此现象在灰砂比为1∶8的充填体中更加明显；当PF含量相同时，不同灰砂比条件下的CPB试件拉伸应变场也有区别，以掺0.6%PF的CPB试件为例，PF对CPB试件受载时应力集中现象的改善效果比灰砂比为1∶6和1∶8的CPB试件改善效果更加显著。由此可知，PF会将试件受到的荷载有效地传递分散，减少应力集中现象，从而增强CPB试件的抗拉强度（Wang et al.，2023）。

图10（a）所示为未掺PF的CPB试件圆盘应力—应变曲线。加载初期曲线呈短暂非线性特征，呈上凹型；随着加载持续进行，试件内部的微裂隙和微孔隙不断地被压密压实，曲线进入线弹性阶段，近似于一条直线，此时试件的应变场随着荷载的增加变得更加明显，当载荷接近峰值附近（B点）时，应变在试件与上下压条接触部位较为集中；当载荷达到峰值压力时，试件迅速开裂，之后载荷迅速下降，劈裂过程结束，此时应变集中区域明显增大。图10（b）所示为掺0.6%PF的CPB试件圆盘应力—应变曲线。加载初期曲线变化规律与未掺PF的CPB试件圆盘应力—应变曲线相似，加载开始时曲线呈短暂上凹型，随着试件不断被加载，曲线近似于一条直线，直至载荷达到峰值压力，此时试件应变在试件与上下压条接触部位较为集中；当试件被加载至峰值压力后，由于试件迅速开裂导致曲线突然下降，峰值后载荷迅速下降之后劈裂过程并不会结束，试件仍具有一定的承载能力，载荷缓慢减小，此时掺PF的CPB试件的裂纹还会继续不断拓展，裂纹跨度也会增加，此时裂纹周边应变集中区域明显增大。

2.5 PF对充填体试件内部作用机理

为了探究PF在CPB试件内部增强效应的作用机理，采用SEM对试件进行分析。由于掺入的纤维不会与充填料浆发生化学反应，因此PF改善充填体的力学性能是物理作用的结果。故利用SEM对灰砂比为1∶4、养护龄期为28 d且掺杂PF的CPB试件内部进行微观分析。在进行试验前先取样，将进行单轴压缩试验后的试件进行敲碎取芯，用无水乙醇浸泡48 h终止水化反应，再将试样烘干送入试验室进行喷金处理，最后利用SEM进行观察（Zhao et al.，2023）。

研究表明，PF掺量并不是越高越好，PF含量过高会影响PF对CPB试样的增强效果，为了探究PF掺量对CPB试样的影响，利用SEM对未掺PF的CPB试样和掺0.2%和0.8%PF的CPB试样进行分析，结果如图11所示。由图11（a）可知，未掺PF的CPB试样内部微观结构致密，水化产物C-S-H凝胶均匀分布在体系中，水化产物C-S-H凝胶的生成会使一些试样的微裂隙愈合；对比图11（a）和图11（b）可知，掺0.2%PF的CPB试样内部微观结构致密但存在较多孔隙，相比未掺PF的CPB试样，掺PF的CPB试样内部微裂隙逐渐增多，结构较为疏松；分析图11（c）可知，掺0.8%PF的CPB试样内部微观结构致密性劣化严重，裂隙和孔隙结构明显，虽然水化产物C-S-H凝胶仍起到修补微裂隙的作用，但是裂隙尺度太大，作用并不明显。因此，过量的PF会导致CPB试件内部孔隙和裂隙的尺度增加，从而导致CPB试件的宏观抗压强度逐渐下降（Chen et al.，2018）。

图12所示为掺0.6%PF的CPB试件内部结构不同放大倍率图。由图12（a）和图12（b）可以看出，PF均匀分布在掺0.6%PF的CPB试件内部形成特殊的空间骨架结构，当试件受载时由PF形成的空间骨架结构会传递和分散应力，减少应力集中从而延缓裂纹的延伸。例如掺0.6% PF的CPB试件在受载时具有最高的抗压强度，这种性能主要归因于试件内部的PF纤维。当试件承受荷载时，PF纤维会在峰值应力之后逐渐从砂浆界面被拉出，这一过程导致试件的抗压强度得到显著提升，宏观表现为CPB试件在峰值应力后仍然保持一定的承载能力。分析图12（c）可知，CPB试件内部的PF会被大量的水化产物C-S-H的凝胶包裹，纤维—充填体基质界面由于水化产物C-S-H的凝胶作用会形成一个整体，虽然纤维—充填体基质界处存在明显的微裂隙，但PF与砂浆界面的黏结力是其增强效果的关键，相比未掺PF的CPB试件，掺PF的CPB试件承载能力更高（甘德清等，2023）。

3 结论

（1）CPB试件抗拉强度随着PF掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，掺0.6%的PF使CPB试件抗拉强度达到最大值，说明向充填料浆加入适量的纤维能提高CPB的抗拉能力。

（2）PF的掺入改变了CPB试件抗拉强度应力—应变行为，当荷载达到CPB试件峰值抗拉强度时，充填体试件仍具有一定的残余强度，尤其是在PF最佳掺量（0.6%）时残余强度最大。

（3）PF能提高CPB试件的韧性特征，掺PF的CPB试件断裂能普遍大于未掺PF的CPB试件断裂能，这与CPB试件抗拉强度和韧性特征随PF含量的变化趋势基本保持一致，说明适量的PF对CPB试件抗裂性能起到了正向的作用。

（4）相同灰砂比条件下，掺杂PF的CPB破坏时的拉伸应变场会随PF含量的变化而变化，未掺PF的CPB试件破坏时的拉伸应变场呈现明显的应力集中现象，裂缝周边的应变近似为零；掺PF的CPB试件破坏时的拉伸应变场虽然也有明显的应变集中现象，但裂缝周边应变范围明显增多，且应变集中现象随着PF含量的增加有明显改善。

（5）对不同PF掺量条件下CPB试件内部结构进行微观分析，发现过量的PF会导致CPB试件内部孔隙和裂隙的尺度增加，从而导致CPB试件的宏观抗压强度逐渐下降，适量的纤维在充填试件内部会被大量的水化产物C-S-H凝胶包裹，纤维—充填体基质界面由于水化产物C-S-H凝胶的作用会形成一个整体，使得掺纤维的充填体承载能力更高。

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基金资助

国家自然科学基金项目“频繁爆破作用下岩体累积损伤演化规律及振动效应研究”(51464015)

江西省教育厅科学技术研究项目“岩石超声波波速和波形变化规律研究”(GJJ190499)