1 绪论
矿产资源的开发利用在我国经济和工业发展中占据举足轻重的地位，是提升我国综合国力的关键所在。我国拥有丰富的矿山资源，全国大小矿山约有14万座，矿产资源储量总值占全世界的16.82%，居世界第三位，每年平均矿石开采量可达70多亿t，矿产开发总规模居世界第三[1]。作为矿产资源大国，截止到2019年底，我国已发现并查明资源量的矿产达到了162种，其中锌矿、钼矿、铜矿、铝土矿等矿种储量增长显著[2]。此外，近半个世纪以来，采矿业的技术迭代和更新大大提升了矿石开采水平和开采规模。在这样的优势背景下，我国相关领域的发展，如**、航天、交通、科技等均得到了大幅度的提高。自改革开放以来，我国人民群众生活水平得到了显著的提升，与此同时，矿产及能源消耗也逐年增加，地表浅部矿产资源逐渐开采殆尽，难以满足国内经济发展的需要，因此采矿业开始将目光转向地下深部开采。21世纪以来，我国深部矿山开采取得了巨大的进展，目前开采深度在1000m及以上的矿山有16座，其中河南、云南和吉林的部分矿山甚至达到了1500m以上[3，4]。结合我国综合国力的发展以及人民日益增长的物质资源需要，今后深部矿产资源开采将成为常态。
近年来，世界各国已进入深部矿产资源开采阶段[5-7]。矿产资源的开发和利用为人类生活提供了必要的保障。然而，在人类获取矿产资源的同时，采矿活动造成的环境问题也日益突出。尾矿是金属非金属矿山开采出的矿石，经选矿厂研磨和洗选出有价值精矿后产生的固体废物[8-10]。随着全球总生产率的显著提高，深部矿产资源的大量开采，导致尾矿的积存量日益增大[11-13]。尾矿的大量堆存带来了环境、安全和经济等方面的问题。尾矿普遍粒径小还缺乏有机质固定，其中有害成分极易通过混入雨水径流和扬尘的方式产生释放和迁移，进而破坏当地的水文地质环境[14-16]。由于一些矿山企业对尾矿库、尾矿堆粗放式管理作业，尾矿坝溃坝等事故对当地的环境和安全造成重大隐患[17-19]。尾矿的地表堆存还为矿山企业带来了包括征地、尾矿库建设维护在内的巨额成本。而如今随着生态环境部建立健全尾矿库污染防治长效机制等政策的发布，尾矿库的建设成本还在不断增加。
固废的零排放是当前和未来矿业发展的必然趋势，如何有效利用尾矿资源对于环境保护和安全生产尤为重要。矿山开采会产生大量的尾矿，导致我国尾矿的储存量和年排放量相当巨大，而且现阶段尾矿的利用率较低。党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央把生态文明建设和生态环境保护摆在治国理政的突出位置，对固废污染防治工作的重视程度前所未有。习近平总书记多次作出有关重要指示，主持召开会议专题研究部署固废管理制度改革等工作，亲自推动有关改革进程。其中，开展“无废城市”建设，全面推进绿色矿山、“无废”矿区建设，是深入贯彻落实习近平生态文明思想的具体行动，是推动减污降碳协同增效的重要举措，是实现美丽中国建设目标的内在要求。因此，如何安全、高效、环保地处理尾矿等固废，是一个亟待解决的问题。
1.1 尾砂胶结材料研究背景及意义
1.1.1 尾砂胶结材料研究背景
在“绿水青山就是金山银山”的理念指导下，无废开采必然是我国采矿工程的未来发展趋势[20-23]。尾砂的资源化、规模化利用是大量消纳矿山固废的主要途径，而尾砂胶结材料在建筑工程、道路工程、采矿工程等领域的应用越来越广泛[24]。使用尾砂作为原料制备混凝土建材是当今常见的研究和应用方向。混凝土的主要制作方法为选取级配合适的粗、细骨料掺入活性胶凝材料和其他辅料，然后将之充分搅拌再使用模具压制或蒸压成型，尾砂可在其中充当骨料和胶凝辅料。尾砂*直接的用法就是替代天然砂石用作骨料，尤其是再选后的尾砂往往粒度较细，满足细骨料要求。以粗粒尾砂、黄砂或再生骨料为粗骨料并使用尾砂作为细骨料，再掺入水泥、石灰与骨料中钙质发生水化反应充填孔隙，就能够制备出蒸压砖和免蒸免烧砖。将尾砂基混凝土的各种配料加温水混合均匀后，再掺入过氧化氢、活性蛋白等发泡剂以及稳泡剂、减水剂等外加剂，在快速搅拌数秒钟并放入模具后，混凝土内部会因化学反应产生气体*终形成发泡水泥。水泥砂浆可以用作砌块材料的黏合剂以及室内外涂料，它一般由水泥、细骨料和水混合调配制成，其中细骨料部分可以使用尾砂。使用尾砂胶结材料对地下空间进行回填和支护是另一种可以大量消耗尾砂库存的手段，在矿山治理和充填采矿时应用较多。
矿山开采产生许多采空区，容易诱发矿井坍塌、矿震等地质灾害。矿区的不稳定性一直是影响矿山生产安全的*重要危险源之一。为了有效控制地面压力和确保矿山安全开采，大多数矿山使用充填系统来处理采矿区。充填开采法被认为是一种时效性强的方法，可以有效解决开采引起的顶板断裂、地层结构破坏、地下水损失、地表沉降、地表结构破坏等生态环境问题。充填采矿法因其在促进尾砂安全处置、提高资源回收率、降低修复成本并提供地面支撑等方面的优势而在采矿工程中得到了广泛的应用，这些优势是传统尾砂处置方法无法具备的或依靠巨大的运营成本才可以实现的[25-27]。该技术将选矿产生的固废尾砂材料与水泥等胶结材料制成尾砂胶结材料，并在彻底均质化后通过管道系统输送到矿山采空区进行有效充填。充填系统保证了采矿安全，大大提高了资源的回收率，减少了地表尾砂储存设施对生态环境的污染。近年来，为促进绿色经济型充填开采方式的发展，实现矿山充填与尾砂废弃物处理相结合，尾砂胶结充填技术引起了学术界的高度重视。尾砂胶结材料的力学性能和稳定性一直是工程领域重点关注的问题，复杂的工程力学环境常导致胶结材料的整体抗压强度降低、韧性不足，这不仅影响工程的质量，而且对人员、设施等造成安全威胁。
尾砂胶结材料对实现工业固废循环利用具有重要意义。采矿、选矿、加工过程中产生的废石、尾砂等固废料，与水泥等胶结材料共同制备成尾砂胶结料浆，形成地下空间被动让压支护结构，不仅能够对地下空间起到支护作用，还能减轻工业固废对生态环境的负面影响，实现可持续发展。普通尾砂胶结材料属于水泥基材料，这类材料在外力作用下的破坏往往是脆性破坏，在实际工程中，爆破或者地压活动导致的覆岩位移等，短时间内产生较大的应力，甚至超过尾砂胶结材料的极限强度，由于尾砂胶结材料的脆性，材料内部裂隙将迅速扩展，进而导致材料结构破坏。一般而言，灰砂比和料浆浓度是影响尾砂胶结材料强度的关键因素，为了提升尾砂胶结材料的强度及韧性，可通过增加水泥等胶结材料的含量，提升尾砂胶结材料的胶结力，从而优化其力学性能。
纤维增强水泥基复合(fiber-reinforced cementitious composites，FRCC)材料通过纤维材料的高强度和延展性来增强混凝土、土壤和结构的强度，在建筑、土木和结构工程中越来越受欢迎[28-31]。纤维对混凝土强度的主要贡献归功于纤维增强材料的高抗拉强度，改善了普通混凝土的刚度和拉伸应变能力。纤维的掺入不仅能够明显增强混凝土的延展性，而且对于混凝土的耐久性也是有益的。纤维增强技术还应用于采矿工程，主要是尾砂资源化利用领域，可以增强尾砂胶结材料的力学性能。纤维增强尾砂胶结材料由尾砂、水泥、纤维和水等材料制成，其中尾砂是主要的骨料，级配良好的尾砂可以改善尾砂胶结材料的固结性能和力学性能。另外，过高的尾砂胶结材料强度虽然在安全性和稳定性方面更有保障，但随之而来的水泥成本也大幅增加。如果减少尾砂胶结材料中的水泥用量，将会大幅降低工程成本，但与此同时尾砂胶结材料的强度也会降低，对工程应用形成重大的安全隐患。尾砂胶结材料的高成本是制约尾砂资源化综合利用方法快速推广和发展的主要因素。因此，如何提高尾砂资源化的利用率和合理设计尾砂胶结材料的强度一直是研究的热点。
1.1.2 尾砂胶结材料研究意义
在水泥基材料中掺入适量的纤维能够有效地提升材料的强度和韧性，增强其力学性能。然而，目前类似的研究大多集中在建筑混凝土方面，对尾砂胶结材料的研究较为罕见。将纤维添加到尾砂胶结材料中作为一种有效的增强措施，也成为*近的研究热点。在相同的安全系数下，纤维增强尾砂胶结材料显著减少了水泥的使用量，为工程应用节省了大量成本。实际上，在尾砂胶结材料料浆中掺入柔性纤维，制备成纤维增强尾砂胶结材料，不仅具备普通尾砂胶结材料的一系列优点，还能弥补普通尾砂胶结材料因脆性带来的缺点。因此，研究纤维增强尾砂胶结材料对尾砂资源化利用具有深刻的意义，主要体现在以下几点。
(1)实现固废尾砂零排放的效果。尾砂胶结材料为尾砂和废石的*大资源化利用提供了条件，可大大减少尾砂和废石堆占地面积，减少尾砂堆积对矿区及周边环境的污染和破坏。在尾砂生产率≤35%的条件下，也可实现尾砂固废零排放的效果。
(2)提升地下空间稳定性，为工程作业提供安全保障。在地下空间中采用纤维增强尾砂胶结材料，不仅能够支撑顶板、有效控制覆岩围岩位移，还能减少地表沉降等安全隐患，保证地下空间的安全。此外，纤维增强尾砂胶结材料在宏观力学性能方面如强度、延性和刚度等均要优于普通尾砂胶结材料，更适合作为地下空间支护结构，为地下工程作业提供保障。
(3)降低工程应用成本，提高工程应用经济指标。将工业固废料制备成尾砂胶结材料，减少矿区环境治理的成本，提升经济效益。另外，尾砂胶结材料的强度及弹性模量与灰砂比和料浆浓度有关，增大料浆中水泥或胶结剂的含量能够提高尾砂胶结材料的力学性能，但同时也会提高经济成本。在等配比等浓度的尾砂胶结材料料浆中添加纤维，一方面能够增强材料的力学性能，另一方面能够降低材料成本，提高工程应用的经济效益。
(4)构建绿色矿山，实现可持续发展。矿产资源的“粗放式”开采与当今国际普遍共识如安全、环保等理念相违背，由此带来的固废污染使得矿区生态环境日益恶化。我国自然资源部于2016年发布《全国矿产资源规划(2016—2020年)》[32]，明确指出要有度有序利用矿产资源，加强矿山环境治理，推动矿山固废的综合循环利用。
综上所述，推广应用纤维增强尾砂胶结材料是构建绿色矿山、“无废”矿区的重要举措，而纤维增强尾砂胶结材料力学性能和损伤破坏机理的研究则是尾砂胶结材料发展的核心要义。纤维增强尾砂胶结材料力学特性和损伤特征对于材料稳定性控制具有重要作用，然而目前针对这方面的研究依然较少。因此，结合国家自然科学基金项目(52374138、51764013)，对纤维增强尾砂胶结材料开展损伤演化研究。以不同料浆浓度和灰砂比为主要考虑因素，选取聚丙烯腈纤维和玻璃纤维作为增强材料，利用单轴压缩试验、核磁共振技术、声发射技术和数字图像相关(digital image correlation， DIC)技术，开展纤维增强尾砂胶结材料单轴压缩下损伤演化过程的试验研究，探究纤维增强尾砂胶结材料损伤特征及损伤模型，为纤维增强尾砂胶结材料的合理设计提供参考依据，以期望对以尾砂胶结材料为主的工程设施、建(构)筑物等的安全运营提供一定的指导作用，同时也解决了固废再次利用问题。
1.2 尾砂胶结材料研究现状
1.2.1 纤维增强尾砂胶结材料
在提高尾砂利用率、降低经济成本的同时，改善尾砂胶结材料质量仍然是一个重要的研究课题。国内外在房建、道路、桥梁等方面关于FRCC的研究较多，而针对掺加纤维以改善尾砂胶结材料性能的研究还相对较少，故纤维增强技术在混凝土领域的应用对尾砂胶结材料的研究具有参考意义。
Ahmad等[33]重点研究了玻璃纤维对混凝土力学性能和微观结构的影响，介绍了玻璃纤维增强混凝土的抗压性、抗弯性、抗拉强度和弹性模量等所有重要特性，发现玻璃纤维改善了混凝土的一部分特性，纤维成分对于实现*佳效果至关重要。Amran等[34]综述了纤维增强碱活性混凝土中常用纤维的种类、微观结构和化学成分，指出添加天然纤维来克服碱活性混凝土拉伸强度低的弱点，是混凝土复合材料中一个相对较新的进展。甘磊等[35]开展了不同体积掺量条件下玄武岩纤维混凝土的材料力学试验，指出纤维体积掺量对混凝土性
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