水泥粉煤灰爐渣煤矸石混合料的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

延常玉，李宏波,2,3*，張虎彪，張軒碩，嚴(yán)鵬飛

水泥粉煤灰爐渣煤矸石混合料的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

延常玉1，李宏波1,2,3*，張虎彪1，張軒碩1，嚴(yán)鵬飛1

（1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；3.寧夏土木工程防震減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，銀川 750021）

【】研究水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣-煤矸石混合料的力學(xué)性能，解決寧夏地區(qū)粉煤灰、爐渣和煤矸石等工業(yè)廢渣大量堆積的問題。開展不同水泥摻量（3%、4%、5%、6%）及爐渣替代率（0%、25%、50%、75%、100%）混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)和超聲波試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了5%水泥摻量50%爐渣替代率混合料的微觀機(jī)理分析。爐渣替代率的增加會降低混合料的強(qiáng)度，而水泥摻量的增加會增大混合料的強(qiáng)度；建立了試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的關(guān)系模型；在三軸試驗(yàn)中，試件的破壞形態(tài)受圍壓影響較大且表現(xiàn)為典型的剪切破壞；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，擬合得到了爐渣替代率、水泥摻量與峰值應(yīng)力和圍壓之間的關(guān)系公式；根據(jù)掃描電鏡檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)試件的主要水化產(chǎn)物為C-S-H、AFt等；根據(jù)超聲波試驗(yàn)結(jié)果，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與振幅之間呈正相關(guān)性。因此，將粉煤灰、爐渣和煤矸石混合料用作大壩和路面基層鋪筑可行，為粉煤灰、爐渣和煤矸石混合料的工程應(yīng)用提供參考。

破壞形態(tài)；力學(xué)性能；粉煤灰；爐渣-煤矸石；三軸試驗(yàn)；微觀機(jī)理

0 引言

【研究意義】粉煤灰、爐渣、煤矸石是煤炭工業(yè)產(chǎn)生的固體廢渣，長期被煤炭行業(yè)視為廢棄物，堆放在礦區(qū)附近，不僅造成環(huán)境污染，還占用寶貴的土地資源。寧夏回族自治區(qū)2020年寧東渣場產(chǎn)生的固體廢渣超過2 000萬t，預(yù)計(jì)2021年將超過2 300萬t。且煤炭行業(yè)在未來幾十年仍是寧夏地區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)[1]。發(fā)掘粉煤灰、爐渣和煤矸石的潛在價(jià)值，實(shí)現(xiàn)工業(yè)固廢的資源化利用，已成為當(dāng)今社會的研究熱點(diǎn)?！狙芯窟M(jìn)展】粉煤灰主要是煤燃燒過程中排出的微小灰粒，其粒徑一般在1～100 μm之間。粉煤灰摻量為10%～20%時(shí)，路面基層混合料的力學(xué)性能相對較優(yōu)，且高溫養(yǎng)護(hù)條件能夠提高試件的強(qiáng)度[2-3]；粉煤灰摻入大壩碾壓混凝土中，降低了水泥水化熱對大壩溫控防裂的不利影響，提高了大壩的工程質(zhì)量[4-5]；粉煤灰和礦渣復(fù)摻時(shí)可有效提高混合料的強(qiáng)度，當(dāng)石灰和粉煤灰摻比為1/3時(shí)，其穩(wěn)定的再生混合料強(qiáng)度較高[6-7]；爐渣中的堿性氧化物經(jīng)水化反應(yīng)后與SiO2、Al2O3和Fe2O3等發(fā)生二次水化反應(yīng)并顯示出一定的水硬膠凝性能[8-10]；隨著爐渣摻量的增加，水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度有所降低，但爐渣摻量為35%時(shí)，其強(qiáng)度仍然滿足規(guī)范要求，通過超聲波試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)波速與材料的強(qiáng)度成正比[11-12]；煤矸石作為道路基層集料，其強(qiáng)度指標(biāo)滿足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求[13-14]；建立了煤矸石摻量與強(qiáng)度之間的回歸方程，與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較好[15-17]；煤矸石作為筑壩材料是可行的，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求[18-19]。

【切入點(diǎn)】綜上所述，許多學(xué)者對粉煤灰、爐渣和煤矸石混合料作為大壩和路面基層摻和料開展了研究，認(rèn)為粉煤灰、爐渣和煤矸石分別作為路面基層的摻料是可行的[20]，但將水泥、粉煤灰、爐渣和煤矸石按照一定比例進(jìn)行摻和作為大壩和路面基層鋪筑材料尚缺乏系統(tǒng)深入研究。【擬解決的關(guān)鍵問題】文中通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)和超聲波試驗(yàn)研究不同水泥摻量、爐渣替代率對水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣煤矸石混合料的力學(xué)性能影響規(guī)律，旨在為寧夏地區(qū)三大工業(yè)固廢的工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用賽馬P·O 42.5，爐渣取自寧夏寧東渣場，經(jīng)破碎篩分后使用，粒徑為0～4.75 mm，煤矸石取自寧夏寧東渣場，破碎篩分后使用，連續(xù)級配31.50～37.50、19.00～31.50、9.50～19.00、4.75～9.50、0～4.75 mm，粉煤灰、爐渣和煤矸石的化學(xué)組成成分如表1所示，水泥的主要性能指標(biāo)如表2所示。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)文獻(xiàn)[2-3]粉煤灰摻加量為10%～20%時(shí)，對混合料強(qiáng)度提升較佳，因此，研究方案中粉煤灰的摻量選取為15%；水泥穩(wěn)定碎石混合料水泥摻量一般規(guī)范控制在3%～6%之間；依據(jù)粉煤灰和水泥摻量設(shè)計(jì)了如表3所示的配比方案。

表1 粉煤灰、爐渣和煤矸石的化學(xué)組成成分

表2 水泥的主要性能指標(biāo)

表3 混合料的配比方案

注以5-LZ-50為例說明混合料的編號方式，5表示水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，LZ-50表示0～4.75 mm的爐渣替代0～4.75 mm煤矸石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%。的取值由5-LZ-0至5-LZ-100的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定，=100/28。

1.3 試驗(yàn)方法

1）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)：通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)研究混合料7、28、56 d和90 d齡期強(qiáng)度變化規(guī)律；萬能試驗(yàn)機(jī)加載速率為1 mm/min。

2）三軸試驗(yàn)：為揭示水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣-煤矸石混合料在三向受壓狀態(tài)下的破壞機(jī)理，對28 d齡期試件進(jìn)行三軸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)采用如皋市原野勘察機(jī)械廠研發(fā)的YY-RBSZ-1000型巖石三軸(蠕變)試驗(yàn)儀。每個(gè)配合比共設(shè)置4種圍壓（0、0.5、1 MPa和1.5 MPa），為保證試驗(yàn)的精度，每個(gè)圍壓設(shè)計(jì)3個(gè)試件，試件尺寸為100 mm×200 mm，壓實(shí)系數(shù)為0.98，試驗(yàn)儀器及試件如圖1所示。

圍壓選取依據(jù)：對于試樣施加的圍壓應(yīng)盡可能與土體現(xiàn)場實(shí)際受到的壓力一致。一般情況下，試件所處的圍壓應(yīng)當(dāng)根據(jù)其所處的實(shí)際工程情況來確定。試驗(yàn)圍壓計(jì)算方法為上覆壓力（路面自重+行車荷載）減去有效孔隙壓力（靜水壓力乘以有效系數(shù)，一般取1），再用二者的差值除以3。根據(jù)JTG/T F20—2015，公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則，選取上覆最大壓力（目標(biāo)值或設(shè)計(jì)值）為4.5 MPa，故確定最大圍壓為1.5 MPa。與此同時(shí)，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，按照0.5 MPa的差值分別增設(shè)1 MPa和0.5 MPa的圍壓，以便展現(xiàn)混合料在不同圍壓作用下的工作狀態(tài)。

圍壓選取目的：該試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是“摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則”，也就是建立在該理論上的試驗(yàn)方法。但一般情況下摩爾應(yīng)力圓包絡(luò)線并不是直線，這就要求盡可能得到工程土體實(shí)際工作狀態(tài)（不同工況）的摩爾圓，以便得到摩爾圓包絡(luò)線更貼近工程實(shí)際情況。文章選擇4種不同的圍壓，其目的就是通過試件在不同圍壓作用下的摩爾圓，畫出其摩爾圓包絡(luò)線，得到混合料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

圖1 試驗(yàn)儀器及試件

3）超聲波試驗(yàn)：采用NM-4A非金屬超聲檢測分析儀對7 d齡期的試件進(jìn)行檢測。檢測方法：將聲時(shí)調(diào)0后，分別在發(fā)射和接收換能器上涂抹凡士林耦合劑，然后將探頭緊貼在試件的2側(cè)，按下采樣鍵并儲存超聲波檢測結(jié)果。每個(gè)試件測4個(gè)點(diǎn)，超聲波試驗(yàn)檢測如圖2所示。

圖2 檢測及測點(diǎn)布置示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)首先對表3中混合料編號為5-LZ-0至5-LZ-100的7、28、56 d和90 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。根據(jù)選定的最優(yōu)爐渣替代率為50%，試驗(yàn)對表3中混合料編號為3-LZ-50至6-LZ-50的7、28、56 d和90 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖3可知，在不同齡期下，5-LZ-0的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于摻有爐渣的試件，由此表明，爐渣的摻入對試件的強(qiáng)度有不利影響。爐渣的摻入對試件的早期強(qiáng)度影響比較明顯，7 d齡期時(shí)，5-LZ-0的抗壓強(qiáng)度比5-LZ-25、5-LZ-50、5-LZ-75和5-LZ-100的抗壓強(qiáng)度分別大8.2%、12.4%、16.8%、18.5%。究其原因，一方面是因?yàn)闋t渣的密度小于煤矸石的密度，隨著爐渣替代率的增大，試件的密度逐漸降低，當(dāng)爐渣替代率為100%時(shí)，試件的密度相對于5-LZ-0降低了10.6%。當(dāng)水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，隨著爐渣替代率的增加，混合料的干密度較小，造成實(shí)際同體積混合料中水泥量的減少，其水化反應(yīng)產(chǎn)生的膠結(jié)物減少，混合料的強(qiáng)度隨之降低；另一方面，經(jīng)篩分后爐渣的壓碎值大于煤矸石的壓碎值，且爐渣顆粒多呈表面粗糙的不規(guī)則形狀，外觀形貌與中砂類似，與0～4.75 mm的煤矸石相比，爐渣與水泥粉煤灰漿體的粘聚性及機(jī)械咬合性均低于煤矸石，故試件抗壓強(qiáng)度隨爐渣替代率的提高而降低。

圖3 不同爐渣替代率的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同水泥摻量的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

同配比混合料強(qiáng)度增長機(jī)理分析：隨齡期的增加，混合料發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成了大量的C-A-H、C-S-H和AFt等凝膠物質(zhì)[21]。這些凝膠物質(zhì)的生成使得爐渣、煤矸石與水泥砂漿界面聯(lián)系得更加緊密，顯著提高了試件內(nèi)部的密實(shí)度和膠結(jié)強(qiáng)度，直接表現(xiàn)為試件強(qiáng)度的提高。56 d和90 d齡期時(shí)，試件的強(qiáng)度增長率顯著降低，其平均值為10.5%，且隨著爐渣替代率的增大，試件的強(qiáng)度增長率整體呈上升趨勢。這是因?yàn)椋S著二次水化反應(yīng)程度的進(jìn)一步增大，試件中含有的Ca(OH)2等主要參與反應(yīng)的活性物質(zhì)數(shù)量逐漸減少，使得二次水化反應(yīng)速率變緩。當(dāng)用爐渣等質(zhì)量替代煤矸石時(shí)，由于爐渣中含有大量的SiO2和Al2O3以及堿性氧化物，其化學(xué)活性高于煤矸石，在較長的養(yǎng)生齡期下，仍可以發(fā)生緩慢的二次水化反應(yīng)。隨著爐渣替代率的增大，試件含有的活性物質(zhì)越多，達(dá)到最佳含水率所需的水分增多，為試件在養(yǎng)生后期發(fā)生二次水化反應(yīng)提供了所必需的活性物質(zhì)和水分。因此，在養(yǎng)生后期，爐渣的摻入對試件強(qiáng)度的不利影響在逐漸變小，在90 d齡期時(shí)，5-LZ-0的抗壓強(qiáng)度比5-LZ-25、5-LZ-50、5-LZ-75和5-LZ-100的抗壓強(qiáng)度分別大7.9%、6.9%、7.8%和11.0%。

綜上所述，試件在較長的養(yǎng)生齡期下，試件的強(qiáng)度增長率顯著降低，且隨著爐渣替代率的增大，試件的強(qiáng)度增長也越明顯。因此，在保證該混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)滿足規(guī)范[22]的基礎(chǔ)上，盡可能地提高爐渣固廢的利用率，同時(shí)控制試件的90 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率在10%以內(nèi)，建議實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)爐渣替代率為50%左右。

由圖4可知，隨著水泥摻量的增大，試件在不同齡期下表現(xiàn)的強(qiáng)度增長有所不同。7 d齡期時(shí)，水泥摻量每增加1%，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別增長0.9、0.5 MPa和0.4 MPa。當(dāng)水泥摻量由3%增加到4%時(shí)，試件的強(qiáng)度增長明顯。原因是隨著水泥摻量的增加，試件中水泥熟料礦物比例增大，Ca(OH)2量增多，加快了試件前期的水化速度[23]。28 d齡期時(shí)，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相較于7 d齡期時(shí)有較為明顯的提高，不同水泥摻量的試件抗壓強(qiáng)度增長率平均值為68.7%，這主要取決于二次水化反應(yīng)和微集料效應(yīng)。56 d和90 d齡期時(shí)，試件的強(qiáng)度增長率明顯減緩，其平均值僅為10.8%，且隨著水泥摻量的增加，試件的強(qiáng)度增長也越明顯。

隨著二次水化反應(yīng)程度的進(jìn)一步增大，試件中含有的Ca(OH)2等主要參與反應(yīng)的活性物質(zhì)數(shù)量逐漸減少，使得二次水化反應(yīng)速率變緩。但隨著水泥摻量的增加，試件中Ca(OH)2量則越多，試件在養(yǎng)生后期仍有相對較多數(shù)量的Ca(OH)2與粉煤灰、爐渣和煤矸石粉發(fā)生二次水化反應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果說明了適當(dāng)摻量的水泥對試件早期強(qiáng)度具有較為明顯的提升效果，當(dāng)水泥摻量大于5%時(shí)，通過增加水泥摻量對試件的早期強(qiáng)度提升效果將不再明顯，但在養(yǎng)生后期表現(xiàn)出相對明顯的強(qiáng)度增長。因此，當(dāng)對水泥粉煤灰類材料早期強(qiáng)度要求較高時(shí)，宜采取提高粗骨料強(qiáng)度和優(yōu)化粗細(xì)集料比例等措施，不能僅通過提高水泥摻量來提高試件的早期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

粉煤灰充分填充在爐渣煤矸石混合料空隙之間，形成骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，試件強(qiáng)度增大；隨著混合料養(yǎng)護(hù)齡期增長，粉煤灰的中SiO2和Al2O3等活性物質(zhì)和水泥水化反應(yīng)生成的Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，試件強(qiáng)度提高。

隨著爐渣替代率的增大，煤矸石摻量相對減少，而爐渣的壓碎值大于煤矸石的壓碎值，與水泥粉煤灰漿體的黏聚性及機(jī)械咬合性均低于煤矸石，試件強(qiáng)度降低。爐渣中含有的大量SiO2和Al2O3以及堿性氧化物，其化學(xué)活性高于煤矸石，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，試件強(qiáng)度提高。

隨著水泥摻量的增大，試件強(qiáng)度增大，但是強(qiáng)度增長率變緩，這是因?yàn)椋鄵搅繌?%增加到5%時(shí)，試件中Ca(OH)2量增加，水化反應(yīng)速率加快，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長明顯。水泥摻量從5%增加到6%時(shí)，試件中Ca(OH)2量進(jìn)一步增多，而參與二次水化反應(yīng)的SiO2和Al2O3等活性物質(zhì)含量相對減少，導(dǎo)致強(qiáng)度增長幅度減緩；且煤矸石的壓碎值較大，結(jié)構(gòu)較碎石疏松，還含有一定量的蒙脫石和伊利石，限制了混合料的強(qiáng)度發(fā)展。

2.2 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析

依據(jù)表3中的研究方案進(jìn)行的劈裂試驗(yàn)結(jié)果見圖5。由圖5可知，5-LZ-0的劈裂強(qiáng)度均大于同水泥摻量且摻有爐渣的試件，說明爐渣的摻入對試件的劈裂強(qiáng)度有不利影響。試件的劈裂強(qiáng)度隨水泥摻量和養(yǎng)生齡期的增大而增大，且呈現(xiàn)出與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相似的增長規(guī)律。7 d齡期時(shí)，隨著水泥摻量的增加和爐渣替代率的降低，試件的劈裂強(qiáng)度呈增長趨勢。28 d齡期時(shí)，試件的劈裂強(qiáng)度相較于7 d齡期時(shí)有較為明顯的提高，試件的劈裂強(qiáng)度增長率平均值為81.0%。一方面，由于粉煤灰顆粒平均粒徑遠(yuǎn)小于煤矸石和爐渣，能夠較為均勻的填充在各集料之間形成緊密的堆積體系，使得二次水化反應(yīng)更加充分；另一方面，粉煤灰和爐渣中的活性物質(zhì)隨著養(yǎng)生齡期的延長，逐漸發(fā)生二次水化反應(yīng)，消耗了試件中的Ca(OH)2，抑制了Ca(OH)2晶粒的生長，降低了界面過渡區(qū)厚度。隨著Ca(OH)2被不斷消耗，生成的凝膠物質(zhì)數(shù)量增加，進(jìn)一步提高了試件的劈裂強(qiáng)度[24]。

56 d和90 d齡期時(shí)，爐渣替代率為50%的試件劈裂強(qiáng)度略優(yōu)于爐渣替代率為25%、75%和100%的試件。5-LZ-25至5-LZ-100的強(qiáng)度增長規(guī)律表現(xiàn)為，隨著爐渣替代率的增多，試件的劈裂強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢，這是由劈裂試驗(yàn)試件的破壞方式所決定的。試件的劈裂強(qiáng)度變化規(guī)律和強(qiáng)度形成機(jī)理與抗壓強(qiáng)度相似，但在破壞方式上不同。將試件視為由爐渣、煤矸石、水泥和粉煤灰膠漿及界面過渡區(qū)組成的復(fù)合材料。在壓力荷載的作用下，界面過渡區(qū)逐漸產(chǎn)生裂縫并擴(kuò)展至水泥粉煤灰砂漿。隨著荷載的進(jìn)一步增大，裂縫數(shù)目增多，裂縫深度繼續(xù)延伸，最終由多條裂縫形成一條貫通的主裂縫時(shí)導(dǎo)致試件發(fā)生破壞。在劈裂荷載的作用下，界面過渡區(qū)逐漸產(chǎn)生裂縫并向兩側(cè)擴(kuò)展，在沿界面過渡區(qū)的相對薄弱面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最終形成一條貫通的主裂縫而導(dǎo)致試件發(fā)生破壞。

圖5 不同齡期的劈裂試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)爐渣替代率由25%增加到50%時(shí)，試件的微觀孔結(jié)構(gòu)界面過渡區(qū)增多，微裂縫的連續(xù)偏轉(zhuǎn)消耗了更多的斷裂能，劈裂抗拉強(qiáng)度得到提高[25]。但隨著爐渣替代率的進(jìn)一步增大，0～4.75 mm煤矸石減少，爐渣的孔隙不能被水泥、粉煤灰和顆粒較細(xì)的煤矸石粉填充密實(shí)，降低了試件的密實(shí)度。另外，試件的密度也會隨著爐渣替代率的增大而降低，試件中水泥熟料的比例減少，降低了二次水化反應(yīng)程度，未反應(yīng)的爐渣和粉煤灰比例增大，導(dǎo)致試件的孔結(jié)構(gòu)劣化，進(jìn)而降低了試件的劈裂強(qiáng)度。

綜上所述，爐渣的壓碎值大于煤矸石，這是摻有爐渣試件的劈裂強(qiáng)度普遍低于5-LZ-0的主要原因。此外，爐渣多孔不密實(shí)的特性促進(jìn)水泥粉煤灰漿體滲入集料，增強(qiáng)了試件的密實(shí)度和穩(wěn)定性。同時(shí)，爐渣和粉煤灰中的活性物質(zhì)在養(yǎng)生中后期發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成了大量的C-A-H和C-S-H等膠凝產(chǎn)物，改善了各集料界面區(qū)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了試件的強(qiáng)度。水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣-煤矸石的劈裂強(qiáng)度是爐渣和煤矸石的壓碎值、膠凝材料水化反應(yīng)程度及混合料內(nèi)部黏聚力的綜合體現(xiàn)。當(dāng)水泥摻量為4%，爐渣替代率為50%時(shí)，試件的90 d劈裂強(qiáng)度為大于0.4 MPa，滿足我國公路路面基層材料的技術(shù)指標(biāo)[26]。

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度規(guī)律分析

參考普通混凝土常用的c與t換算關(guān)系式（1），并對其進(jìn)行修正可獲得水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣煤矸石混合料c與t之間的關(guān)系式。

t=(c)，（1）

式中：t為抗拉強(qiáng)度（MPa）；c為抗壓強(qiáng)度（MPa）；和的值由回歸分析得到。

通過對試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度結(jié)果分別按線性函數(shù)和冪函數(shù)2種形式進(jìn)行回歸分析，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖6所示。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度關(guān)系的回歸方程如式（2）和式（3）所示，與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較好，表明線性函數(shù)和冪函數(shù)均可用以指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。

t=-0.043+0.075c2=0.991， （2）

t=0.056(c)1.1072=0.992。 （3）

圖6 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度之間的關(guān)系

2.4 三軸試驗(yàn)結(jié)果分析

圖7為試件在三向受力狀態(tài)下的典型破壞形態(tài)圖。破壞特征分析：通過觀察試件的破壞形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)試件的破壞模式受爐渣替代率及水泥摻量的影響不大，主要與圍壓的大小有關(guān)。當(dāng)圍壓值為0時(shí)，試件中部出現(xiàn)幾乎與加載方向一致的豎向裂縫。隨著荷載的增大，裂縫逐漸增多并發(fā)展為一條或幾條貫穿裂縫，從而造成試件破壞；當(dāng)圍壓值為0.5 MPa時(shí)，試件的裂縫方向不再與主應(yīng)力方向一致，而是與主裂縫呈15°左右的夾角，破壞面主要為煤矸石骨料與水泥粉煤灰砂漿界面過渡區(qū)的剪切破壞[27]；當(dāng)圍壓值為1 MPa時(shí)，試件的主裂縫方向與主應(yīng)力方向的夾角呈30°左右的夾角，主裂縫貫穿整個(gè)試件，裂縫兩側(cè)的混凝土在剪應(yīng)力的作用下相對剪切錯(cuò)開；當(dāng)圍壓值為1.5 MPa時(shí)，試件的主裂縫方向與主應(yīng)力方向的夾角進(jìn)一步擴(kuò)大，約為45°左右，剪切面上的部分煤矸石骨料被剪斷，并伴有試件碎塊掉落。

通過對試件的峰值應(yīng)力與圍壓之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到試件的強(qiáng)度統(tǒng)一計(jì)算式：

式中：為三向應(yīng)力條件下峰值應(yīng)力（MPa）；為單軸應(yīng)力條件下峰值應(yīng)力（MPa）；為圍壓值（MPa）；A為與爐渣替代率α及水泥摻量β有關(guān)的系數(shù)。

通過對爐渣替代率及水泥摻量與系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，如圖8所示。

圖8 爐渣替代率α及水泥摻量β與系數(shù)A的擬合結(jié)果

由圖8（a）可得：

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

將式（5）帶入式（4）可得不同爐渣替代率下試件的峰值應(yīng)力與圍壓之間的關(guān)系式：

由圖8（b）可得：

=0.220+0.293。 （7）

將式（7）帶入式（4）可得不同水泥摻量下試件的峰值應(yīng)力與圍壓之間的關(guān)系公式：

由圖8可知，擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，故式（6）和式（8）可以較好地分別反映爐渣替代率、水泥摻量與峰值應(yīng)力和圍壓之間的關(guān)系。

破壞準(zhǔn)則分析：目前，研究學(xué)者對路面基層材料在三向應(yīng)力下的破壞準(zhǔn)則研究較少，參考普通混凝土中最為經(jīng)典的摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）理論，從宏觀角度來研究路面基層材料的破壞準(zhǔn)則。根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論，材料的破壞主要為剪切破壞，取決于切應(yīng)力的大小，而切應(yīng)力的大小與黏聚力和內(nèi)摩擦角有關(guān)。

Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論反映的是用應(yīng)力圓包絡(luò)線來表示材料的極限平衡狀態(tài)，即當(dāng)包絡(luò)線與最大應(yīng)力圓相切時(shí)，材料達(dá)到極限狀態(tài)。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的黏聚力和內(nèi)摩擦角如表4所示。

表4 Mohr-Coulomb相關(guān)參數(shù)

根據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)試件的破壞模式受爐渣替代率及水泥摻量的影響不大，主要與圍壓的大小有關(guān)。根據(jù)表4中Mohr-Coulomb相關(guān)參數(shù)可知，不同配比試件的黏聚力在1.1 MPa上下浮動，呈不規(guī)則變化，表明爐渣替代率及水泥摻量對試件的黏聚力影響不顯著。隨著爐渣替代率的增大，試件的內(nèi)摩擦角整體呈減小趨勢；隨著水泥摻量的增大，試件的內(nèi)摩擦角呈增大趨勢，表明試件的內(nèi)摩擦角與爐渣替代率呈負(fù)相關(guān)性，與水泥摻量正相關(guān)。

2.5 超聲波試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)超聲波在不同介質(zhì)界面上會發(fā)生反射、折射這一特性，可利用超聲波來檢測試件內(nèi)部的密實(shí)程度。根據(jù)文獻(xiàn)[21,26]超聲波振幅與試件的抗壓強(qiáng)度正相關(guān)。試驗(yàn)對8個(gè)配合比7 d齡期下的試件進(jìn)行超聲波檢測，研究超聲波振幅與其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與超聲波頻譜圖的振幅呈正相關(guān)性。對試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和超聲波振幅之間的關(guān)系進(jìn)行線性回歸分析，超聲波的振幅取測量數(shù)據(jù)的平均值，結(jié)果如圖9所示。

圖9 超聲波振幅與其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

通過擬合可以得到無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與振幅之間的擬合式：

=7.891+18.6272=0.975。 （9）

由圖9可知，擬合結(jié)果與試驗(yàn)值吻合良好，式（9）可以較好地反映試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與振幅之間的關(guān)系，可為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

3 微觀性能分析

水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣-煤矸石混合料的強(qiáng)度形成機(jī)理與摻粉煤灰的混凝土類似，在水的作用下，混合料內(nèi)部發(fā)生較為復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成C-S-H、C-A-H和鈣礬石AFt等多種物質(zhì)，提高了混合料的密實(shí)度和強(qiáng)度。選取5-LZ-50具有代表性的試樣，將其烘干，然后，分別對其7、28 d和90 d齡期的試樣進(jìn)行電鏡掃描（SEM），觀察其微觀形貌，如圖10所示。

從微觀角度出發(fā)，水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣煤矸石混合料的強(qiáng)度形成機(jī)理可解釋為各摻合料的物理填充擠嵌作用和水化產(chǎn)物由無定型凝膠向高結(jié)晶度物質(zhì)的發(fā)展過程。由圖10可知，混合料內(nèi)部水泥粉煤灰砂漿的固態(tài)物體主要有：無定型的膠狀體C-S-H、針棒狀結(jié)構(gòu)的鈣礬石AFt、未水化的水泥熟料顆粒、爐渣顆粒及粉煤灰顆粒等。其中C-S-H、鈣礬石AFt及粉煤灰顆粒為主要組成部分，約占總體積的80%左右。C-S-H呈無定型狀態(tài)，主要呈顆粒狀、纖維狀、網(wǎng)絡(luò)狀及致密的薄片狀等。通常情況下，C-S-H的外觀形貌和它的生長空間及所處環(huán)境有緊密聯(lián)系。C-S-H除了上述幾種形態(tài)以，還可能呈現(xiàn)為薄片狀、針棒狀及花瓣?duì)畹龋鐖D10（f）所示。AFt一般呈六方棱柱狀，如圖10（c）所示。但隨著養(yǎng)生齡期的延長，網(wǎng)狀的C-S-H凝膠物質(zhì)和針棒狀的鈣礬石AFt晶體相互交叉生長，逐漸連接為整體，如圖10（i）和圖10（j）所示，宏觀表現(xiàn)為試件強(qiáng)度的增長。

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

由圖10可知，隨著養(yǎng)生齡期的延長，其水化產(chǎn)物的數(shù)量及形態(tài)發(fā)生了較為明顯的變化。當(dāng)養(yǎng)生7 d時(shí)，如圖10（a）—圖10（c）所示，試件的生成物主要為針棒狀和網(wǎng)絮狀凝膠體。與養(yǎng)護(hù)28 d相比，如圖10（d）—圖10（f）所示，其孔隙較多，密實(shí)程度較低。當(dāng)養(yǎng)生90 d時(shí)，試件的密實(shí)程度進(jìn)一步增加，針棒狀的凝膠體，相互交叉貫穿發(fā)育，形成網(wǎng)狀的C-S-H凝膠體。粉煤灰顆粒被這些凝膠體緊密包裹，形成了較為致密的整體結(jié)構(gòu)，如圖10（g）—圖10（j）所示。隨齡期的增長水化生成了大量的C-S-H和C-A-H等凝膠體，這些凝膠體逐漸向試件內(nèi)部的微孔隙空間生長發(fā)展，逐步增加了試件的密實(shí)度和內(nèi)部黏聚力，間接提高了混合料的強(qiáng)度。一般來說，試件內(nèi)部的水化反應(yīng)越充分，孔隙越少，其密實(shí)程度越高，強(qiáng)度也越高。因此，應(yīng)當(dāng)保證試件處于適宜的養(yǎng)生條件下，以便提高試件的水化反應(yīng)程度。

根據(jù)試驗(yàn)及微觀檢測結(jié)果對試件的強(qiáng)度形成機(jī)理進(jìn)行分析，主要有以下3點(diǎn)。一是爐渣與水泥、粉煤灰和煤矸石充分混合時(shí)，爐渣孔隙內(nèi)的物相組成可分為3種，一種是固體相，即水泥、粉煤灰以及顆粒較細(xì)的爐渣和煤矸石；一種是液體相，即水分子；另外一種則是氣體相，即爐渣孔隙中未被充填密實(shí)的區(qū)域。隨著養(yǎng)生時(shí)間的增長，爐渣孔內(nèi)的水泥、粉煤灰逐漸開始發(fā)生二次水化反應(yīng)生成C-S-H凝膠物質(zhì)，這些致密的凝膠物質(zhì)填充在爐渣孔隙內(nèi)，改善了爐渣多孔不密實(shí)的結(jié)構(gòu)，提高了爐渣的承載能力；二是水泥、粉煤灰和顆粒較細(xì)的煤矸石能夠填充在爐渣顆粒與煤矸石之間，形成微填充效應(yīng)，提高了水泥膠漿界面的密實(shí)度和穩(wěn)定性。三是粉煤灰與爐渣具有較高的活性且含有一定量的堿性氧化物，隨著養(yǎng)生時(shí)間的增長，能夠充分地與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成致密的C-S-H凝膠物質(zhì)和鈣礬石等，C-S-H凝膠物質(zhì)的生成使得粉煤灰、爐渣顆粒與煤矸石顆粒黏結(jié)得更加緊密，提高了試件的強(qiáng)度和密實(shí)度。除此之外，由于爐渣集料本身的強(qiáng)度較低，但在水泥、粉煤灰和煤矸石粉填充效應(yīng)及自身也具有一定活性的綜合作用下，在養(yǎng)生后期，爐渣替代率對試件的抗壓強(qiáng)度影響較為復(fù)雜，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是這些因素的綜合體現(xiàn)。

4 討論

傳統(tǒng)的水泥穩(wěn)定碎石或二灰穩(wěn)定碎石是我國應(yīng)用最為廣泛的路面基層材料，但具有水泥消耗量大，受石料制約等缺點(diǎn)。本文將水泥、粉煤灰、爐渣和煤矸石按照一定配比進(jìn)行摻和，作為路面基層建筑材料，可以有效地消耗寧夏地區(qū)的工業(yè)固廢，減少天然砂石的消耗，達(dá)到變廢為寶，綠色發(fā)展的目的。

本文研究了水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣煤矸石混合料的力學(xué)性能，結(jié)果表明，試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增大而增大。原因是隨著水泥摻量的增加，試件中Ca(OH)2量增加，水化反應(yīng)速率加快，水泥與粉煤灰、爐渣、煤矸石中的活性物質(zhì)發(fā)生水化反應(yīng)，生成大量的C-S-H、AFt。而爐渣是一種多孔不密實(shí)的材料，這些水化反應(yīng)產(chǎn)物等填充在爐渣孔隙中，提高了混合料的密實(shí)度和黏聚性，直接表現(xiàn)為試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增大[28-29]。試件劈裂強(qiáng)度也隨著水泥摻量的增大而增大，這與劉棟等[30]研究結(jié)果一致。

本文中，爐渣替代率越大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越低，主要是因?yàn)閾饺霠t渣后，試件的密度降低，每個(gè)試件中水泥的量相對減少，導(dǎo)致水泥的水化反應(yīng)減弱，試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低[8]，這與張緒國等[31]研究結(jié)果一致。試件劈裂強(qiáng)度也隨著爐渣替代率增大而降低，這與甄珍[32]研究結(jié)果一致。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，爐渣對混合料強(qiáng)度的影響減弱。這是因?yàn)闋t渣的水化反應(yīng)具有延后性[33]，在養(yǎng)生中后期，爐渣中的活性物質(zhì)仍發(fā)生緩慢的水化反應(yīng)，從而提高無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，這與徐鷗明等[34]研究結(jié)果一致。兼顧力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性的原則，建議實(shí)際施工時(shí)爐渣替代率為50%左右，這與田明陽等[35]研究結(jié)論一致。在三向應(yīng)力作用下，試件的破壞形態(tài)表現(xiàn)為典型的剪切破壞，這與陳宗平等[36]研究結(jié)果一致。

通過對混合料的強(qiáng)度形成機(jī)理進(jìn)行分析，表明混合料的強(qiáng)度是微集料效應(yīng)、二次水化反應(yīng)及材料自身特性等因素的綜合體現(xiàn)，這與蔣應(yīng)軍等[37]研究結(jié)果一致。

雖然本文較為系統(tǒng)的研究了混合料的力學(xué)性能，但尚未開展材料的抗凍性能、耐離子侵蝕性能及抗沖刷性能等研究，因此，材料的相關(guān)路用性能還有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

1）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨爐渣替代率越大而越低；試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的延長爐渣對其影響逐漸減弱；隨著水泥摻量的增大，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大；兼顧力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性的原則，建議實(shí)際施工時(shí)爐渣替代率為50%左右，且不宜超過75%。

2）基于普通混凝土的抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度之間的關(guān)系，分別按線性函數(shù)和冪函數(shù)2種形式進(jìn)行回歸分析，建立了水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣-煤矸石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的關(guān)系模型。結(jié)果表明，冪函數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果吻合更佳，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，推薦采用冪函數(shù)。

3）在三向應(yīng)力作用下，試件的破壞形態(tài)受圍壓影響較大并表現(xiàn)為典型的剪切破壞；建立了爐渣替代率、水泥摻量與峰值應(yīng)力和圍壓之間的關(guān)系模型。

4）建立了混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與振幅之間的關(guān)系模型。擬合結(jié)果與試驗(yàn)值吻合良好，該模型可以較好地反映試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與振幅之間的關(guān)系，可為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

5）根據(jù)掃描電鏡檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)混合料的水化產(chǎn)物主要有無定型的膠狀體C-S-H、針棒狀結(jié)構(gòu)的鈣礬石AFt、未水化的水泥熟料顆粒及粉煤灰顆粒等；通過對混合料的強(qiáng)度形成機(jī)理進(jìn)行分析，表明混合料的強(qiáng)度是微集料效應(yīng)、二次水化反應(yīng)及材料自身特性等因素的綜合體現(xiàn)。

[1] 李宏波, 田軍倉, 南紅兵, 等. 幾種固化劑對渠道鹽漬土地基力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2018, 37(12): 94-99.

LI Hongbo, TIAN Juncang, NAN Hongbing, et al. Efficacy of four consolidation agents in improving mechanical properties of salinized foundation soil of channels[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2018, 37(12): 94-99.

[2] MOHAMMADINIA A, ARULRAJAH A, HORPIBULSUK S, et al. Effect of fly ash on properties of crushed brick and reclaimed asphalt in pavement base/subbase applications[J]. Journal of Hazardous Materials, 2017, 321: 547-556.

[3] NGUYEN THI N, BUI TRUONG S, DO MINH N. Reusing coal ash of thermal power plant in a pavement base course[J]. Journal of King Saud University - Engineering Sciences, 2021, 33(5): 346-354.

[4] 張漢濤, 蔡杰龍, 饒宇豪. 高摻粉煤灰碾壓混凝土在筑壩工程中的應(yīng)用[J]. 廣東水利水電, 2020(11): 97-101.

ZHANG Hantao, CAI Jielong, RAO Yuhao. Application of roller compacted concrete with high contents of fly ash in dam construction project[J]. Guangdong Water Resources and Hydropower, 2020(11): 97-101.

[5] 周宜紅, 歐陽步云, 趙春菊, 等. 高摻粉煤灰對特高拱壩封拱后壩體溫度回升的影響[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2016(11): 142-146.

ZHOU Yihong, OUYANG Buyun, ZHAO Chunju, et al. The effect of high content of fly ash in normal concrete on temperature rise in super high dams after arch closure[J]. China Rural Water and Hydropower, 2016(11): 142-146.

[6] 肖慶一, 封仕杰, 孫立東, 等. 二灰穩(wěn)定半剛性再生基層力學(xué)性能及收縮性能研究[J]. 硅酸鹽通報(bào), 2019, 38(11): 3 611-3 618.

XIAO Qingyi, FENG Shijie, SUN Lidong, et al. Mechanical properties and shrinkage properties of lime-fly ash stabilized semi-rigid recycled base[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2019, 38(11): 3 611-3 618.

[7] 徐鷗明, 王士珩, 白敏, 等. 粉煤灰與粒化高爐礦渣對水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度和收縮特性影響研究[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2019, 44(2): 509-515.

XU Ouming, WANG Shiheng, BAI Min, et al. Influence of fly ash and granulated blast furnace slag on strength and shrinkage characteristics of cement stabilized crushed stone[J]. Journal of Guangxi University (Natural Science Edition), 2019, 44(2): 509-515.

[8] 李相國, 宋留慶, 馬保國, 等. 垃圾焚燒爐渣活性激發(fā)及對水泥性能的影響[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 34(6): 1-5.

LI Xiangguo, SONG Liuqing, MA Baoguo, et al. Stimulation of MSWI bottom ash activity and effects on cement performance[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2012, 34(6): 1-5.

[9] BRUE F, DAVY C A, SKOCZYLAS F, et al. Effect of temperature on the water retention properties of two high performance concretes[J]. Cement and Concrete Research, 2012, 42(2): 384-396.

[10] 謝燕, 吳笑梅, 樊粵明, 等. 生活垃圾焚燒爐渣用作水泥混合材的研究[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 37(12): 37-43.

XIE Yan, WU Xiaomei, FAN Yueming, et al. Investigation into incineration bottom ash of municipal solid waste used as cement admixture[J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2009, 37(12): 37-43.

[11] 張向東, 任昆. 水泥穩(wěn)定煤渣碎石基層的強(qiáng)度與損傷特性[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào), 2018, 18(6): 1-9.

ZHANG Xiangdong, REN Kun. Strength and damage characteristic of cement stabilized cinder macadam base[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2018, 18(6): 1-9.

[12] 張向東, 任昆. 水泥穩(wěn)定煤渣路面基層強(qiáng)度及導(dǎo)熱性試驗(yàn)研究[J]. 非金屬礦, 2017, 40(4): 47-49.

ZHANG Xiangdong, REN Kun. Experimental study on strength and thermal conductive characteristics of cement stabilized cinder base[J]. Non-Metallic Mines, 2017, 40(4): 47-49.

[13] 何振嘉, 范王濤, 杜宜春. 生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)煤矸石環(huán)境污染治理對策研究：以咸陽市彬縣為例[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2019, 38(S1): 122-125.

HE Zhenjia, FAN Wangtao, DU Yichun. Ecological protection redline area coal gangue land reclamation management countermeasures: A case study of Binxian County in Xianyang city[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(S1): 122-125.

[14] 申文勝, 王朝輝. 高速公路煤矸石填筑路基路用性能控制[M]. 北京: 人民交通出版社, 2011.

SHEN Wensheng, WANG zhaohui. Highway coal gangue fill roadbed road performance control[M]. Beijing: China Communications Press, 2011.

[15] 全建升. 煤矸石二灰混合料在路面基層中的力學(xué)性能研究[D]. 邯鄲: 河北工程大學(xué), 2012.

QUAN Jiansheng. Research on the mechanical property of coal gangue lime-fly ash mixtures in the road base[D]. Handan: Hebei University of Engineering, 2012.

[16] 夏政. 水泥穩(wěn)定水洗煤矸石材料的基層應(yīng)用研究[D]. 南京: 東南大學(xué), 2017.

XIA Zheng. Application research on cement-stabilized water-washing coal gangue mixture as base course of pavement[D]. Nanjing: Southeast University, 2017.

[17] 張志飛. 煤矸石混合料路面基層性能試驗(yàn)研究[D]. 邯鄲: 河北工程大學(xué), 2014.

ZHANG Zhifei. Research on the application performance of the coal gangue mixture as base course[D]. Handan: Hebei University of Engineering, 2014.

[18] 劉升陽, 王來貴, 王鳳江. 筑壩用煤矸石的水穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 25(S2): 168-169.

LIU Shengyang, WANG Laigui, WANG Fengjiang. Experiment study on water stability of coal wastes for dam building[J]. Journal of Liaoning Technical University, 2006, 25(S2): 168-169.

[19] 李付長. 白龜山水庫用煤矸石做筑壩材料的嘗試[J]. 人民黃河, 2008, 30(9): 98-99.

LI Fuchang. An attempt to use coal gangue as dam building material in Bai Guishan Reservoir [J]. Yellow River, 2008, 30(9): 98-99.

[20] 盛燕萍, 喬云雁, 薛哲, 等. 工業(yè)固體廢棄物在道路基層應(yīng)用中的研究進(jìn)展[J]. 筑路機(jī)械與施工機(jī)械化, 2016, 33(4): 78-81.

SHENG Yanping, QIAO Yunyan, XUE Zhe, et al. Research progress of application of industrial solid waste in road base[J]. Road Machinery & Construction Mechanization, 2016, 33(4): 78-81.

[21] LI H B, YIN J G, YAN P F, et al. Experimental investigation on the mechanical properties of self-compacting concrete under uniaxial and triaxial stress[J]. Materials, 2020, 13(8): 1 830.

[22] 中華人民共和國交通運(yùn)輸部. 公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則: JTG/T F20—2015[S]. 北京: 人民交通出版社, 2015.

[23] 丁莎, 牛荻濤, 王家濱. 噴射粉煤灰混凝土微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 硅酸鹽通報(bào), 2015, 34(5): 1 187-1 192.

DING Sha, NIU Ditao, WANG Jiabin. Experimental study on micro-structure and mechanical properties of shotcrete with fly ash[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2015, 34(5): 1 187-1 192.

[24] 李恒, 王家濱, 郭慶軍, 等. 礦物摻合料再生混凝土力學(xué)性能研究[J]. 硅酸鹽通報(bào), 2020, 39(8): 2 608-2 614.

LI Heng, WANG Jiabin, GUO Qingjun, et al. Mechanical properties of recycled aggregate concrete with mineral admixture[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2020, 39(8): 2 608-2 614.

[25] GUO Z G, JIANG T, ZHANG J, et al. Mechanical and durability properties of sustainable self-compacting concrete with recycled concrete aggregate and fly ash, slag and silica fume[J]. Construction and Building Materials, 2020, 231: 117 115.

[26] LI H B, SUN H, TIAN J C, et al. Mechanical and ultrasonic testing of self-compacting concrete[J]. Energies, 2019, 12(11): 2 187.

[27] 李為萍, 史海濱, 梁建財(cái), 等. 基于三軸試驗(yàn)的根土復(fù)合體抗剪性能試驗(yàn)研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2013, 32(2): 128-130.

LI Weiping, SHI Haibin, LIANG Jiancai, et al. The shear performance of the soil-root composites based on triaxial test[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2013, 32(2): 128-130.

[28] 何文政. 生活垃圾焚燒爐渣在道路工程中的資源化利用[J]. 現(xiàn)代交通技術(shù), 2021, 18(2): 16-21.

HE Wenzheng. The application of resource for municipal solid waste incineration bottom ash aggregate in highway engineering[J]. Modern Transportation Technology, 2021, 18(2): 16-21.

[29] 劉棟, 李立寒, 崔華杰. 水泥穩(wěn)定爐渣碎石基層路用性能[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 43(3): 405-409, 415.

LIU Dong, LI Lihan, CUI Huajie. Pavement performance of cement stabilized municipal solid waste incineration bottom ash aggregate and crushed stones[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2015, 43(3): 405-409, 415.

[30] 劉棟, 李立寒, 崔華杰. 水泥穩(wěn)定爐渣碎石的強(qiáng)度性能[J]. 建筑材料學(xué)報(bào), 2014, 17(3): 538-542.

LIU Dong, LI Lihan, CUI Huajie. Strength performance of cement stabilized aggregate containing bottom ash aggregate (BAA)[J]. Journal of Building Materials, 2014, 17(3): 538-542.

[31] 張緒國, 何昌軒, 龍俊宇. 生活垃圾焚燒爐渣再生集料替代粉煤灰用于道路基層試驗(yàn)研究[J]. 城市道橋與防洪, 2021(2): 193-196, 19-20.

ZHANG Xuguo, HE Changxuan, LONG Junyu. Experimental Study on Domestic Waste Incinerator Slag Recycled Aggregate Instead of Fly Ash Used for Road Base[J].Urban Roads Bridges & Flood Control, 2021(2): 193-196, 19-20.

[32] 甄珍. 基于抗裂性能的水泥爐渣穩(wěn)定碎石基層試驗(yàn)研究[D]. 南京: 南京林業(yè)大學(xué), 2020.

ZHEN Zhen. Experimental Study on Cement Stabilized MSWI-BA Macadam Base based on Crack Resistance[D]. Nanjing: Nanjing Forestry University, 2020

[33] 劉棟, 李立寒. 生活垃圾焚燒爐渣集料的膠凝特征[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 45(3): 377-383.

LIU Dong, LI Lihan. Cementitious properties of municipal solid waste incineration bottom ash aggregate[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2017, 45(3): 377-383.

[34] 徐鷗明, 韓森, 孫薇. 水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石強(qiáng)度增長特性[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 34(4): 474-478.

XU Ouming, HAN Sen, SUN Wei. Strength growth characteristics of cement and fly-ash stabilized crushed-stones[J]. Journal of Guangxi University (Natural Science Edition), 2009, 34(4): 474-478.

[35] 田明陽, 馬剛平, 梁勇, 等. 生活垃圾焚燒爐渣在道路材料中的應(yīng)用研究[J]. 交通節(jié)能與環(huán)保, 2016, 12(3): 41-43.

TIAN Mingyang, MA Gangping, LIANG Yong, et al. Application study of municipal solid waste incineration slag in road material[J]. Transport Energy Conservation & Environmental Protection, 2016, 12(3): 41-43.

[36] 陳宗平, 陳宇良, 應(yīng)武擋. 再生混凝土三向受壓試驗(yàn)及強(qiáng)度準(zhǔn)則[J]. 建筑材料學(xué)報(bào), 2016, 19(1): 149-155.

CHEN Zongping, CHEN Yuliang, YING Wudang. Mechanical behavior and strength criterion of recycled aggregate concrete (RAC) under triaxial compression[J]. Journal of Building Materials, 2016, 19(1): 149-155.

[37] 蔣應(yīng)軍, 王富玉, 劉斌. 水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 31(15): 52-57.

JIANG Yingjun, WANG Fuyu, LIU Bin. Research on Strength Properties of Cement Stabilization of Crushed Aggregate[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2009, 31(15): 52-57.

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

寧夏重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020BDE03005，2021BDE92002）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52069025）；寧夏高等學(xué)校一流學(xué)科（水利工程學(xué)科）項(xiàng)目（NXYLXK2021A03）；寧夏自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2021AAC03080）

延常玉（1996-），女，山西晉城人。碩士研究生，主要從事道路材料研究。E-mail: ycy7584@163.com

李宏波（1977-），男，陜西藍(lán)田人。副教授，博士研究生，主要從事水工結(jié)構(gòu)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, 張虎彪, 等. 水泥粉煤灰爐渣煤矸石混合料的力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 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.

責(zé)任編輯：趙宇龍