水泥粉煤灰炉渣煤矸石混合料的力学性能试验研究

延常玉，李宏波,2,3*，张虎彪，张轩硕，严鹏飞

水泥粉煤灰炉渣煤矸石混合料的力学性能试验研究

延常玉1，李宏波1,2,3*，张虎彪1，张轩硕1，严鹏飞1

（1.宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；3.宁夏土木工程防震减灾工程技术研究中心，银川 750021）

【】研究水泥粉煤灰稳定炉渣-煤矸石混合料的力学性能，解决宁夏地区粉煤灰、炉渣和煤矸石等工业废渣大量堆积的问题。开展不同水泥掺量（3%、4%、5%、6%）及炉渣替代率（0%、25%、50%、75%、100%）混合料的无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验、三轴试验和超声波试验，在此基础上，进行了5%水泥掺量50%炉渣替代率混合料的微观机理分析。炉渣替代率的增加会降低混合料的强度，而水泥掺量的增加会增大混合料的强度；建立了试件的无侧限抗压强度和劈裂强度的关系模型；在三轴试验中，试件的破坏形态受围压影响较大且表现为典型的剪切破坏；根据试验结果，拟合得到了炉渣替代率、水泥掺量与峰值应力和围压之间的关系公式；根据扫描电镜检测结果，发现试件的主要水化产物为C-S-H、AFt等；根据超声波试验结果，试件的无侧限抗压强度与振幅之间呈正相关性。因此，将粉煤灰、炉渣和煤矸石混合料用作大坝和路面基层铺筑可行，为粉煤灰、炉渣和煤矸石混合料的工程应用提供参考。

破坏形态；力学性能；粉煤灰；炉渣-煤矸石；三轴试验；微观机理

0 引言

【研究意义】粉煤灰、炉渣、煤矸石是煤炭工业产生的固体废渣，长期被煤炭行业视为废弃物，堆放在矿区附近，不仅造成环境污染，还占用宝贵的土地资源。宁夏回族自治区2020年宁东渣场产生的固体废渣超过2 000万t，预计2021年将超过2 300万t。且煤炭行业在未来几十年仍是宁夏地区的支柱产业[1]。发掘粉煤灰、炉渣和煤矸石的潜在价值，实现工业固废的资源化利用，已成为当今社会的研究热点。【研究进展】粉煤灰主要是煤燃烧过程中排出的微小灰粒，其粒径一般在1～100 μm之间。粉煤灰掺量为10%～20%时，路面基层混合料的力学性能相对较优，且高温养护条件能够提高试件的强度[2-3]；粉煤灰掺入大坝碾压混凝土中，降低了水泥水化热对大坝温控防裂的不利影响，提高了大坝的工程质量[4-5]；粉煤灰和矿渣复掺时可有效提高混合料的强度，当石灰和粉煤灰掺比为1/3时，其稳定的再生混合料强度较高[6-7]；炉渣中的碱性氧化物经水化反应后与SiO2、Al2O3和Fe2O3等发生二次水化反应并显示出一定的水硬胶凝性能[8-10]；随着炉渣掺量的增加，水泥稳定碎石基层的强度有所降低，但炉渣掺量为35%时，其强度仍然满足规范要求，通过超声波试验，发现波速与材料的强度成正比[11-12]；煤矸石作为道路基层集料，其强度指标满足应用标准及规范要求[13-14]；建立了煤矸石掺量与强度之间的回归方程，与试验结果吻合程度较好[15-17]；煤矸石作为筑坝材料是可行的，符合设计规范要求[18-19]。

【切入点】综上所述，许多学者对粉煤灰、炉渣和煤矸石混合料作为大坝和路面基层掺和料开展了研究，认为粉煤灰、炉渣和煤矸石分别作为路面基层的掺料是可行的[20]，但将水泥、粉煤灰、炉渣和煤矸石按照一定比例进行掺和作为大坝和路面基层铺筑材料尚缺乏系统深入研究。【拟解决的关键问题】文中通过无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验、三轴试验和超声波试验研究不同水泥掺量、炉渣替代率对水泥粉煤灰稳定炉渣煤矸石混合料的力学性能影响规律，旨在为宁夏地区三大工业固废的工程应用提供参考。

1 试验材料及试验方案

1.1 试验材料

水泥采用赛马P·O 42.5，炉渣取自宁夏宁东渣场，经破碎筛分后使用，粒径为0～4.75 mm，煤矸石取自宁夏宁东渣场，破碎筛分后使用，连续级配31.50～37.50、19.00～31.50、9.50～19.00、4.75～9.50、0～4.75 mm，粉煤灰、炉渣和煤矸石的化学组成成分如表1所示，水泥的主要性能指标如表2所示。

1.2 试验方案

根据文献[2-3]粉煤灰掺加量为10%～20%时，对混合料强度提升较佳，因此，研究方案中粉煤灰的掺量选取为15%；水泥稳定碎石混合料水泥掺量一般规范控制在3%～6%之间；依据粉煤灰和水泥掺量设计了如表3所示的配比方案。

表1 粉煤灰、炉渣和煤矸石的化学组成成分

表2 水泥的主要性能指标

表3 混合料的配比方案

注以5-LZ-50为例说明混合料的编号方式，5表示水泥的质量分数为5%，LZ-50表示0～4.75 mm的炉渣替代0～4.75 mm煤矸石的质量分数为50%。的取值由5-LZ-0至5-LZ-100的无侧限抗压强度试验确定，=100/28。

1.3 试验方法

1）无侧限抗压强度试验和劈裂强度试验：通过无侧限抗压强度、劈裂强度试验研究混合料7、28、56 d和90 d龄期强度变化规律；万能试验机加载速率为1 mm/min。

2）三轴试验：为揭示水泥粉煤灰稳定炉渣-煤矸石混合料在三向受压状态下的破坏机理，对28 d龄期试件进行三轴剪切强度试验。试验采用如皋市原野勘察机械厂研发的YY-RBSZ-1000型岩石三轴(蠕变)试验仪。每个配合比共设置4种围压（0、0.5、1 MPa和1.5 MPa），为保证试验的精度，每个围压设计3个试件，试件尺寸为100 mm×200 mm，压实系数为0.98，试验仪器及试件如图1所示。

围压选取依据：对于试样施加的围压应尽可能与土体现场实际受到的压力一致。一般情况下，试件所处的围压应当根据其所处的实际工程情况来确定。试验围压计算方法为上覆压力（路面自重+行车荷载）减去有效孔隙压力（静水压力乘以有效系数，一般取1），再用二者的差值除以3。根据JTG/T F20—2015，公路路面基层施工技术细则，选取上覆最大压力（目标值或设计值）为4.5 MPa，故确定最大围压为1.5 MPa。与此同时，为了保证试验结果的有效性，按照0.5 MPa的差值分别增设1 MPa和0.5 MPa的围压，以便展现混合料在不同围压作用下的工作状态。

围压选取目的：该试验的理论基础是“摩尔-库伦强度准则”，也就是建立在该理论上的试验方法。但一般情况下摩尔应力圆包络线并不是直线，这就要求尽可能得到工程土体实际工作状态（不同工况）的摩尔圆，以便得到摩尔圆包络线更贴近工程实际情况。文章选择4种不同的围压，其目的就是通过试件在不同围压作用下的摩尔圆，画出其摩尔圆包络线，得到混合料的抗剪强度指标。

图1 试验仪器及试件

3）超声波试验：采用NM-4A非金属超声检测分析仪对7 d龄期的试件进行检测。检测方法：将声时调0后，分别在发射和接收换能器上涂抹凡士林耦合剂，然后将探头紧贴在试件的2侧，按下采样键并储存超声波检测结果。每个试件测4个点，超声波试验检测如图2所示。

图2 检测及测点布置示意图

2 结果与分析

2.1 无侧限抗压强度试验结果分析

试验首先对表3中混合料编号为5-LZ-0至5-LZ-100的7、28、56 d和90 d的无侧限抗压强度进行研究，试验结果如图3所示。根据选定的最优炉渣替代率为50%，试验对表3中混合料编号为3-LZ-50至6-LZ-50的7、28、56 d和90 d的无侧限抗压强度进行研究，试验结果如图4所示。

由图3可知，在不同龄期下，5-LZ-0的无侧限抗压强度均大于掺有炉渣的试件，由此表明，炉渣的掺入对试件的强度有不利影响。炉渣的掺入对试件的早期强度影响比较明显，7 d龄期时，5-LZ-0的抗压强度比5-LZ-25、5-LZ-50、5-LZ-75和5-LZ-100的抗压强度分别大8.2%、12.4%、16.8%、18.5%。究其原因，一方面是因为炉渣的密度小于煤矸石的密度，随着炉渣替代率的增大，试件的密度逐渐降低，当炉渣替代率为100%时，试件的密度相对于5-LZ-0降低了10.6%。当水泥的质量分数一定时，随着炉渣替代率的增加，混合料的干密度较小，造成实际同体积混合料中水泥量的减少，其水化反应产生的胶结物减少，混合料的强度随之降低；另一方面，经筛分后炉渣的压碎值大于煤矸石的压碎值，且炉渣颗粒多呈表面粗糙的不规则形状，外观形貌与中砂类似，与0～4.75 mm的煤矸石相比，炉渣与水泥粉煤灰浆体的粘聚性及机械咬合性均低于煤矸石，故试件抗压强度随炉渣替代率的提高而降低。

图3 不同炉渣替代率的无侧限抗压强度试验结果

图4 不同水泥掺量的无侧限抗压强度试验结果

同配比混合料强度增长机理分析：随龄期的增加，混合料发生二次水化反应，生成了大量的C-A-H、C-S-H和AFt等凝胶物质[21]。这些凝胶物质的生成使得炉渣、煤矸石与水泥砂浆界面联系得更加紧密，显著提高了试件内部的密实度和胶结强度，直接表现为试件强度的提高。56 d和90 d龄期时，试件的强度增长率显著降低，其平均值为10.5%，且随着炉渣替代率的增大，试件的强度增长率整体呈上升趋势。这是因为，随着二次水化反应程度的进一步增大，试件中含有的Ca(OH)2等主要参与反应的活性物质数量逐渐减少，使得二次水化反应速率变缓。当用炉渣等质量替代煤矸石时，由于炉渣中含有大量的SiO2和Al2O3以及碱性氧化物，其化学活性高于煤矸石，在较长的养生龄期下，仍可以发生缓慢的二次水化反应。随着炉渣替代率的增大，试件含有的活性物质越多，达到最佳含水率所需的水分增多，为试件在养生后期发生二次水化反应提供了所必需的活性物质和水分。因此，在养生后期，炉渣的掺入对试件强度的不利影响在逐渐变小，在90 d龄期时，5-LZ-0的抗压强度比5-LZ-25、5-LZ-50、5-LZ-75和5-LZ-100的抗压强度分别大7.9%、6.9%、7.8%和11.0%。

综上所述，试件在较长的养生龄期下，试件的强度增长率显著降低，且随着炉渣替代率的增大，试件的强度增长也越明显。因此，在保证该混合料7 d无侧限抗压强度指标满足规范[22]的基础上，尽可能地提高炉渣固废的利用率，同时控制试件的90 d无侧限抗压强度损失率在10%以内，建议实际工程应用时炉渣替代率为50%左右。

由图4可知，随着水泥掺量的增大，试件在不同龄期下表现的强度增长有所不同。7 d龄期时，水泥掺量每增加1%，试件的无侧限抗压强度分别增长0.9、0.5 MPa和0.4 MPa。当水泥掺量由3%增加到4%时，试件的强度增长明显。原因是随着水泥掺量的增加，试件中水泥熟料矿物比例增大，Ca(OH)2量增多，加快了试件前期的水化速度[23]。28 d龄期时，试件的无侧限抗压强度相较于7 d龄期时有较为明显的提高，不同水泥掺量的试件抗压强度增长率平均值为68.7%，这主要取决于二次水化反应和微集料效应。56 d和90 d龄期时，试件的强度增长率明显减缓，其平均值仅为10.8%，且随着水泥掺量的增加，试件的强度增长也越明显。

随着二次水化反应程度的进一步增大，试件中含有的Ca(OH)2等主要参与反应的活性物质数量逐渐减少，使得二次水化反应速率变缓。但随着水泥掺量的增加，试件中Ca(OH)2量则越多，试件在养生后期仍有相对较多数量的Ca(OH)2与粉煤灰、炉渣和煤矸石粉发生二次水化反应。试验结果说明了适当掺量的水泥对试件早期强度具有较为明显的提升效果，当水泥掺量大于5%时，通过增加水泥掺量对试件的早期强度提升效果将不再明显，但在养生后期表现出相对明显的强度增长。因此，当对水泥粉煤灰类材料早期强度要求较高时，宜采取提高粗骨料强度和优化粗细集料比例等措施，不能仅通过提高水泥掺量来提高试件的早期无侧限抗压强度。

粉煤灰充分填充在炉渣煤矸石混合料空隙之间，形成骨架密实型结构，试件强度增大；随着混合料养护龄期增长，粉煤灰的中SiO2和Al2O3等活性物质和水泥水化反应生成的Ca(OH)2发生二次水化反应，试件强度提高。

随着炉渣替代率的增大，煤矸石掺量相对减少，而炉渣的压碎值大于煤矸石的压碎值，与水泥粉煤灰浆体的黏聚性及机械咬合性均低于煤矸石，试件强度降低。炉渣中含有的大量SiO2和Al2O3以及碱性氧化物，其化学活性高于煤矸石，随着养护龄期的延长，与水泥水化产物Ca(OH)2发生二次水化反应，试件强度提高。

随着水泥掺量的增大，试件强度增大，但是强度增长率变缓，这是因为，水泥掺量从3%增加到5%时，试件中Ca(OH)2量增加，水化反应速率加快，试件的无侧限抗压强度增长明显。水泥掺量从5%增加到6%时，试件中Ca(OH)2量进一步增多，而参与二次水化反应的SiO2和Al2O3等活性物质含量相对减少，导致强度增长幅度减缓；且煤矸石的压碎值较大，结构较碎石疏松，还含有一定量的蒙脱石和伊利石，限制了混合料的强度发展。

2.2 劈裂强度试验数据的分析

依据表3中的研究方案进行的劈裂试验结果见图5。由图5可知，5-LZ-0的劈裂强度均大于同水泥掺量且掺有炉渣的试件，说明炉渣的掺入对试件的劈裂强度有不利影响。试件的劈裂强度随水泥掺量和养生龄期的增大而增大，且呈现出与无侧限抗压强度相似的增长规律。7 d龄期时，随着水泥掺量的增加和炉渣替代率的降低，试件的劈裂强度呈增长趋势。28 d龄期时，试件的劈裂强度相较于7 d龄期时有较为明显的提高，试件的劈裂强度增长率平均值为81.0%。一方面，由于粉煤灰颗粒平均粒径远小于煤矸石和炉渣，能够较为均匀的填充在各集料之间形成紧密的堆积体系，使得二次水化反应更加充分；另一方面，粉煤灰和炉渣中的活性物质随着养生龄期的延长，逐渐发生二次水化反应，消耗了试件中的Ca(OH)2，抑制了Ca(OH)2晶粒的生长，降低了界面过渡区厚度。随着Ca(OH)2被不断消耗，生成的凝胶物质数量增加，进一步提高了试件的劈裂强度[24]。

56 d和90 d龄期时，炉渣替代率为50%的试件劈裂强度略优于炉渣替代率为25%、75%和100%的试件。5-LZ-25至5-LZ-100的强度增长规律表现为，随着炉渣替代率的增多，试件的劈裂强度呈先增大后减小的趋势，这是由劈裂试验试件的破坏方式所决定的。试件的劈裂强度变化规律和强度形成机理与抗压强度相似，但在破坏方式上不同。将试件视为由炉渣、煤矸石、水泥和粉煤灰胶浆及界面过渡区组成的复合材料。在压力荷载的作用下，界面过渡区逐渐产生裂缝并扩展至水泥粉煤灰砂浆。随着荷载的进一步增大，裂缝数目增多，裂缝深度继续延伸，最终由多条裂缝形成一条贯通的主裂缝时导致试件发生破坏。在劈裂荷载的作用下，界面过渡区逐渐产生裂缝并向两侧扩展，在沿界面过渡区的相对薄弱面发生偏转，最终形成一条贯通的主裂缝而导致试件发生破坏。

图5 不同龄期的劈裂试验结果

当炉渣替代率由25%增加到50%时，试件的微观孔结构界面过渡区增多，微裂缝的连续偏转消耗了更多的断裂能，劈裂抗拉强度得到提高[25]。但随着炉渣替代率的进一步增大，0～4.75 mm煤矸石减少，炉渣的孔隙不能被水泥、粉煤灰和颗粒较细的煤矸石粉填充密实，降低了试件的密实度。另外，试件的密度也会随着炉渣替代率的增大而降低，试件中水泥熟料的比例减少，降低了二次水化反应程度，未反应的炉渣和粉煤灰比例增大，导致试件的孔结构劣化，进而降低了试件的劈裂强度。

综上所述，炉渣的压碎值大于煤矸石，这是掺有炉渣试件的劈裂强度普遍低于5-LZ-0的主要原因。此外，炉渣多孔不密实的特性促进水泥粉煤灰浆体渗入集料，增强了试件的密实度和稳定性。同时，炉渣和粉煤灰中的活性物质在养生中后期发生二次水化反应，生成了大量的C-A-H和C-S-H等胶凝产物，改善了各集料界面区的内部结构，提高了试件的强度。水泥粉煤灰稳定炉渣-煤矸石的劈裂强度是炉渣和煤矸石的压碎值、胶凝材料水化反应程度及混合料内部黏聚力的综合体现。当水泥掺量为4%，炉渣替代率为50%时，试件的90 d劈裂强度为大于0.4 MPa，满足我国公路路面基层材料的技术指标[26]。

2.3 无侧限抗压强度与劈裂强度规律分析

参考普通混凝土常用的c与t换算关系式（1），并对其进行修正可获得水泥粉煤灰稳定炉渣煤矸石混合料c与t之间的关系式。

t=(c)，（1）

式中：t为抗拉强度（MPa）；c为抗压强度（MPa）；和的值由回归分析得到。

通过对试件的无侧限抗压强度和劈裂强度结果分别按线性函数和幂函数2种形式进行回归分析，无侧限抗压强度和劈裂强度之间的关系如图6所示。无侧限抗压强度和劈裂强度关系的回归方程如式（2）和式（3）所示，与试验结果吻合程度较好，表明线性函数和幂函数均可用以指导实际工程应用。

t=-0.043+0.075c2=0.991， （2）

t=0.056(c)1.1072=0.992。 （3）

图6 无侧限抗压强度和劈裂强度之间的关系

2.4 三轴试验结果分析

图7为试件在三向受力状态下的典型破坏形态图。破坏特征分析：通过观察试件的破坏形态，可以发现试件的破坏模式受炉渣替代率及水泥掺量的影响不大，主要与围压的大小有关。当围压值为0时，试件中部出现几乎与加载方向一致的竖向裂缝。随着荷载的增大，裂缝逐渐增多并发展为一条或几条贯穿裂缝，从而造成试件破坏；当围压值为0.5 MPa时，试件的裂缝方向不再与主应力方向一致，而是与主裂缝呈15°左右的夹角，破坏面主要为煤矸石骨料与水泥粉煤灰砂浆界面过渡区的剪切破坏[27]；当围压值为1 MPa时，试件的主裂缝方向与主应力方向的夹角呈30°左右的夹角，主裂缝贯穿整个试件，裂缝两侧的混凝土在剪应力的作用下相对剪切错开；当围压值为1.5 MPa时，试件的主裂缝方向与主应力方向的夹角进一步扩大，约为45°左右，剪切面上的部分煤矸石骨料被剪断，并伴有试件碎块掉落。

通过对试件的峰值应力与围压之间的关系进行拟合，得到试件的强度统一计算式：

式中：为三向应力条件下峰值应力（MPa）；为单轴应力条件下峰值应力（MPa）；为围压值（MPa）；A为与炉渣替代率α及水泥掺量β有关的系数。

通过对炉渣替代率及水泥掺量与系数之间的关系进行拟合，如图8所示。

图8 炉渣替代率α及水泥掺量β与系数A的拟合结果

由图8（a）可得：

=1.845+0.008-3.929×10-42+2.733×10-63。（5）

将式（5）带入式（4）可得不同炉渣替代率下试件的峰值应力与围压之间的关系式：

由图8（b）可得：

=0.220+0.293。 （7）

将式（7）带入式（4）可得不同水泥掺量下试件的峰值应力与围压之间的关系公式：

由图8可知，拟合曲线与试验结果吻合较好，故式（6）和式（8）可以较好地分别反映炉渣替代率、水泥掺量与峰值应力和围压之间的关系。

破坏准则分析：目前，研究学者对路面基层材料在三向应力下的破坏准则研究较少，参考普通混凝土中最为经典的摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）理论，从宏观角度来研究路面基层材料的破坏准则。根据Mohr-Coulomb强度理论，材料的破坏主要为剪切破坏，取决于切应力的大小，而切应力的大小与黏聚力和内摩擦角有关。

Mohr-Coulomb强度理论反映的是用应力圆包络线来表示材料的极限平衡状态，即当包络线与最大应力圆相切时，材料达到极限状态。依据试验数据得出的黏聚力和内摩擦角如表4所示。

表4 Mohr-Coulomb相关参数

根据三轴试验结果，可以发现试件的破坏模式受炉渣替代率及水泥掺量的影响不大，主要与围压的大小有关。根据表4中Mohr-Coulomb相关参数可知，不同配比试件的黏聚力在1.1 MPa上下浮动，呈不规则变化，表明炉渣替代率及水泥掺量对试件的黏聚力影响不显著。随着炉渣替代率的增大，试件的内摩擦角整体呈减小趋势；随着水泥掺量的增大，试件的内摩擦角呈增大趋势，表明试件的内摩擦角与炉渣替代率呈负相关性，与水泥掺量正相关。

2.5 超声波试验数据分析

根据超声波在不同介质界面上会发生反射、折射这一特性，可利用超声波来检测试件内部的密实程度。根据文献[21,26]超声波振幅与试件的抗压强度正相关。试验对8个配合比7 d龄期下的试件进行超声波检测，研究超声波振幅与其无侧限抗压强度之间的关系，发现试件的无侧限抗压强度与超声波频谱图的振幅呈正相关性。对试件的无侧限抗压强度和超声波振幅之间的关系进行线性回归分析，超声波的振幅取测量数据的平均值，结果如图9所示。

图9 超声波振幅与其无侧限抗压强度之间的关系

通过拟合可以得到无侧限抗压强度与振幅之间的拟合式：

=7.891+18.6272=0.975。 （9）

由图9可知，拟合结果与试验值吻合良好，式（9）可以较好地反映试件的无侧限抗压强度与振幅之间的关系，可为实际工程应用提供参考。

3 微观性能分析

水泥粉煤灰稳定炉渣-煤矸石混合料的强度形成机理与掺粉煤灰的混凝土类似，在水的作用下，混合料内部发生较为复杂的化学反应，生成C-S-H、C-A-H和钙矾石AFt等多种物质，提高了混合料的密实度和强度。选取5-LZ-50具有代表性的试样，将其烘干，然后，分别对其7、28 d和90 d龄期的试样进行电镜扫描（SEM），观察其微观形貌，如图10所示。

从微观角度出发，水泥粉煤灰稳定炉渣煤矸石混合料的强度形成机理可解释为各掺合料的物理填充挤嵌作用和水化产物由无定型凝胶向高结晶度物质的发展过程。由图10可知，混合料内部水泥粉煤灰砂浆的固态物体主要有：无定型的胶状体C-S-H、针棒状结构的钙矾石AFt、未水化的水泥熟料颗粒、炉渣颗粒及粉煤灰颗粒等。其中C-S-H、钙矾石AFt及粉煤灰颗粒为主要组成部分，约占总体积的80%左右。C-S-H呈无定型状态，主要呈颗粒状、纤维状、网络状及致密的薄片状等。通常情况下，C-S-H的外观形貌和它的生长空间及所处环境有紧密联系。C-S-H除了上述几种形态以，还可能呈现为薄片状、针棒状及花瓣状等，如图10（f）所示。AFt一般呈六方棱柱状，如图10（c）所示。但随着养生龄期的延长，网状的C-S-H凝胶物质和针棒状的钙矾石AFt晶体相互交叉生长，逐渐连接为整体，如图10（i）和图10（j）所示，宏观表现为试件强度的增长。

(a) 7 d龄期-200倍 (b) 7 d龄期-1 000倍 (c) 7 d龄期-5 000倍 (d) 28 d龄期-200倍 (e) 28 d龄期-1 000倍 (f) 28 d龄期-5 000倍 (g) 90 d龄期-200倍 (h) 90 d龄期-1 000倍 (i) 90 d龄期-5 000倍 (j) 90 d龄期-10 000倍

由图10可知，随着养生龄期的延长，其水化产物的数量及形态发生了较为明显的变化。当养生7 d时，如图10（a）—图10（c）所示，试件的生成物主要为针棒状和网絮状凝胶体。与养护28 d相比，如图10（d）—图10（f）所示，其孔隙较多，密实程度较低。当养生90 d时，试件的密实程度进一步增加，针棒状的凝胶体，相互交叉贯穿发育，形成网状的C-S-H凝胶体。粉煤灰颗粒被这些凝胶体紧密包裹，形成了较为致密的整体结构，如图10（g）—图10（j）所示。随龄期的增长水化生成了大量的C-S-H和C-A-H等凝胶体，这些凝胶体逐渐向试件内部的微孔隙空间生长发展，逐步增加了试件的密实度和内部黏聚力，间接提高了混合料的强度。一般来说，试件内部的水化反应越充分，孔隙越少，其密实程度越高，强度也越高。因此，应当保证试件处于适宜的养生条件下，以便提高试件的水化反应程度。

根据试验及微观检测结果对试件的强度形成机理进行分析，主要有以下3点。一是炉渣与水泥、粉煤灰和煤矸石充分混合时，炉渣孔隙内的物相组成可分为3种，一种是固体相，即水泥、粉煤灰以及颗粒较细的炉渣和煤矸石；一种是液体相，即水分子；另外一种则是气体相，即炉渣孔隙中未被充填密实的区域。随着养生时间的增长，炉渣孔内的水泥、粉煤灰逐渐开始发生二次水化反应生成C-S-H凝胶物质，这些致密的凝胶物质填充在炉渣孔隙内，改善了炉渣多孔不密实的结构，提高了炉渣的承载能力；二是水泥、粉煤灰和颗粒较细的煤矸石能够填充在炉渣颗粒与煤矸石之间，形成微填充效应，提高了水泥胶浆界面的密实度和稳定性。三是粉煤灰与炉渣具有较高的活性且含有一定量的碱性氧化物，随着养生时间的增长，能够充分地与水泥水化产物Ca(OH)2反应生成致密的C-S-H凝胶物质和钙矾石等，C-S-H凝胶物质的生成使得粉煤灰、炉渣颗粒与煤矸石颗粒黏结得更加紧密，提高了试件的强度和密实度。除此之外，由于炉渣集料本身的强度较低，但在水泥、粉煤灰和煤矸石粉填充效应及自身也具有一定活性的综合作用下，在养生后期，炉渣替代率对试件的抗压强度影响较为复杂，其无侧限抗压强度是这些因素的综合体现。

4 讨论

传统的水泥稳定碎石或二灰稳定碎石是我国应用最为广泛的路面基层材料，但具有水泥消耗量大，受石料制约等缺点。本文将水泥、粉煤灰、炉渣和煤矸石按照一定配比进行掺和，作为路面基层建筑材料，可以有效地消耗宁夏地区的工业固废，减少天然砂石的消耗，达到变废为宝，绿色发展的目的。

本文研究了水泥粉煤灰稳定炉渣煤矸石混合料的力学性能，结果表明，试件无侧限抗压强度随水泥掺量的增大而增大。原因是随着水泥掺量的增加，试件中Ca(OH)2量增加，水化反应速率加快，水泥与粉煤灰、炉渣、煤矸石中的活性物质发生水化反应，生成大量的C-S-H、AFt。而炉渣是一种多孔不密实的材料，这些水化反应产物等填充在炉渣孔隙中，提高了混合料的密实度和黏聚性，直接表现为试件无侧限抗压强度的增大[28-29]。试件劈裂强度也随着水泥掺量的增大而增大，这与刘栋等[30]研究结果一致。

本文中，炉渣替代率越大，无侧限抗压强度越低，主要是因为掺入炉渣后，试件的密度降低，每个试件中水泥的量相对减少，导致水泥的水化反应减弱，试件无侧限抗压强度降低[8]，这与张绪国等[31]研究结果一致。试件劈裂强度也随着炉渣替代率增大而降低，这与甄珍[32]研究结果一致。随着养护龄期的延长，炉渣对混合料强度的影响减弱。这是因为炉渣的水化反应具有延后性[33]，在养生中后期，炉渣中的活性物质仍发生缓慢的水化反应，从而提高无侧限抗压强度和劈裂强度，这与徐鸥明等[34]研究结果一致。兼顾力学性能和经济性的原则，建议实际施工时炉渣替代率为50%左右，这与田明阳等[35]研究结论一致。在三向应力作用下，试件的破坏形态表现为典型的剪切破坏，这与陈宗平等[36]研究结果一致。

通过对混合料的强度形成机理进行分析，表明混合料的强度是微集料效应、二次水化反应及材料自身特性等因素的综合体现，这与蒋应军等[37]研究结果一致。

虽然本文较为系统的研究了混合料的力学性能，但尚未开展材料的抗冻性能、耐离子侵蚀性能及抗冲刷性能等研究，因此，材料的相关路用性能还有待进一步研究。

5 结论

1）无侧限抗压强度随炉渣替代率越大而越低；试件无侧限抗压强度随龄期的延长炉渣对其影响逐渐减弱；随着水泥掺量的增大，试件的无侧限抗压强度增大；兼顾力学性能和经济性的原则，建议实际施工时炉渣替代率为50%左右，且不宜超过75%。

2）基于普通混凝土的抗压强度与劈裂强度之间的关系，分别按线性函数和幂函数2种形式进行回归分析，建立了水泥粉煤灰稳定炉渣-煤矸石的无侧限抗压强度和劈裂强度的关系模型。结果表明，幂函数与试验结果吻合更佳，在实际工程应用时，推荐采用幂函数。

3）在三向应力作用下，试件的破坏形态受围压影响较大并表现为典型的剪切破坏；建立了炉渣替代率、水泥掺量与峰值应力和围压之间的关系模型。

4）建立了混合料无侧限抗压强度与振幅之间的关系模型。拟合结果与试验值吻合良好，该模型可以较好地反映试件的无侧限抗压强度与振幅之间的关系，可为实际工程应用提供参考。

5）根据扫描电镜检测结果，发现混合料的水化产物主要有无定型的胶状体C-S-H、针棒状结构的钙矾石AFt、未水化的水泥熟料颗粒及粉煤灰颗粒等；通过对混合料的强度形成机理进行分析，表明混合料的强度是微集料效应、二次水化反应及材料自身特性等因素的综合体现。

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Mechanical Properties of Fly Ash Mixed with Furnace Slag-coal Gangue

YAN Changyu1, LI Hongbo1,2,3*, ZHANG Hubiao1, ZHANG Xuanshuo1, YAN Pengfei1

(1. School of Civil and Water Conservancy Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; 2. Ningxia Engineering Technology Research Center for Water Saving Irrigation and Water Resources Regulation, Yinchuan 750021, China; 3. Ningxia Engineering Technology Research Center for Civil Engineering Seismic and Disaster Mitigation, Yinchuan 750021, China)

【】Fly ashes mixed with furnace slag-coal gangue have been increasingly used as a building material in Ningxia province of China. This paper analyzes the change in its mechanical properties at different mixing ratios.【】Fly ashes were mixed with cement at ratio of 3%, 4%, 5% and 6%, and with slag-coal gangue at 0%, 25%, 50%, 75% and 100%, respectively. The mechanical properties of each specimen were measured using triaxial test and ultrasonic test, from which we established the relationship between the unconfined compressive strength and the splitting strength for all treatments. 【】The damage pattern of the specimens in the triaxial test was mediated by the surrounding pressure, showing a typical shear failure. The strength of all specimens can be estimated using slag content, cement content and the surrounding pressure. The scanning electron microscopy showed that the main hydration products of the specimens were C-S-H and Aft. The ultrasonic test revealed that the unconfined compressive strength of the specimens was positively correlated to the amplitude.【】After reinforcing the fly ash with slag-coal gangue at appropriate ratio, it can be used as a building materials for dam and pavement construction.

damage morphology; mechanical properties; fly ash; furnace slag-coal gangue; triaxial test; micromechanism

2021-09-05

宁夏重点研发计划项目（2020BDE03005，2021BDE92002）；国家自然科学基金项目（52069025）；宁夏高等学校一流学科（水利工程学科）项目（NXYLXK2021A03）；宁夏自然科学基金项目（2021AAC03080）

延常玉（1996-），女，山西晋城人。硕士研究生，主要从事道路材料研究。E-mail: ycy7584@163.com

李宏波（1977-），男，陕西蓝田人。副教授，博士研究生，主要从事水工结构及道路材料研究。E-mail: lhbiongo@126.com

1672 - 3317（2022）03 - 0125 - 11

U416.25

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021427

延常玉, 李宏波, 张虎彪, 等. 水泥粉煤灰炉渣煤矸石混合料的力学性能试验研究[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(3): 125-135.

YAN Changyu, LI Hongbo, ZHANG Hubiao, et al. Mechanical Properties of Fly Ash Mixed with Furnace Slag-coal Gangue[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(3): 125-135.

责任编辑：赵宇龙