摘要： 為了降低砒砂巖區(qū)嚴(yán)重的水土流失，促進(jìn)松散砒砂巖的有效利用，同時(shí)提高廢棄煤矸石的利用率.借助X衍射、掃描電鏡、熱重和壓汞等試驗(yàn)方法，從固化產(chǎn)物構(gòu)成、微觀形貌、孔隙結(jié)構(gòu)演變等微觀層面，揭示堿激發(fā)及煤矸石粉替代率對(duì)砒砂巖水泥復(fù)合土力學(xué)強(qiáng)度的影響機(jī)理.結(jié)果表明：堿的加入使得砒砂巖中的蒙脫石和煤矸石粉發(fā)生溶蝕，促進(jìn)N-A-S-H和C-A-S-H凝膠的產(chǎn)生，使其強(qiáng)度增大；隨著煤矸石粉替代量的增加和水泥摻量的相對(duì)降低，Ca含量降低，C-A-S-H凝膠含量下降，且N-A-S-H凝膠逐漸向無(wú)膠結(jié)性的鈣（鈉）菱沸石轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致其強(qiáng)度逐漸下降.當(dāng)堿當(dāng)量為4%，煤矸石粉替代率為7%時(shí)，煤矸石粉-砒砂巖水泥復(fù)合土孔隙率為29.20%，小孔占比為46.48%.且7 d強(qiáng)度可滿足二級(jí)及二級(jí)以下公路底基層1.0～3.0 MPa的要求，該研究可為煤矸石粉-砒砂巖水泥復(fù)合土在道路鋪設(shè)和渠道襯砌等應(yīng)用中提供理論依據(jù).

關(guān)鍵詞： 砒砂巖；復(fù)合土；煤矸石粉；堿激發(fā)；微觀機(jī)理

中圖分類號(hào)： TU525" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A" 文章編號(hào)： 1674-8530（2024）08-0818-08

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0182

收稿日期： 2023-09-20； 修回日期： 2023-12-27； 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間： 2023-12-29

網(wǎng)絡(luò)出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20231228.1710.006

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51869022）；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2020MS05051）

第一作者簡(jiǎn)介： 李大虎（1998—），男，河南南陽(yáng)人，碩士研究生（18211817209@163.com），主要從事巖土環(huán)境工程研究.

通信作者簡(jiǎn)介： 李曉麗（1969—），女，內(nèi)蒙古赤峰人，教授，博士（nd-lxl@163.com），主要從事巖土環(huán)境工程及水工結(jié)構(gòu)工程研究.

李大虎，李曉麗，王重陽(yáng)，等. 堿激發(fā)煤矸石粉對(duì)砒砂巖水泥復(fù)合土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究［J］. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2024，42（8）：818-825，850.

LI Dahu， LI Xiaoli， WANG Chongyang， et al. Experimental study on effect of alkali-activated gangue powder on strength of Pisha sandstone cement composite soil［J］. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），" 2024， 42（8）： 818-825，850. （in Chinese）

Experimental study on effect of alkali-activated gangue powder

on strength of Pisha sandstone cement composite soil

LI Dahu， LI Xiaoli*， WANG Chongyang， ZHAO Xiaoze

（College of Water Conservancy and Civil Engineering， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010018， China）

Abstract： In order to reduce the serious soil erosion in the Pisha sandstone area， promote the effective utilization of loose Pisha sandstone， as well as improve the utilization rate of waste coal gangue， by use of X-ray diffraction， scanning electron microscopy， thermogravimetry， and mercury pressure test methods， the mechanism of alkali excitation and gangue powder substitution rate on the mechanical strength of Pisha sandstone-cement composite soil from the microscopic level of the composition of the curing product， microscopic morphology， and the evolution of the pore structure was revealed. The results show that the addition of alkali causes the dissolution of montmorillonite and coal gangue powder in Pisha sandstone， promotes the generation of N-A-S-H and C-A-S-H gel， which increases its strength. With the increase of gangue substitution and the relative reduction of cement dosage， the Ca content decreases， the C-A-S-H gel content decreases， and the N-A-S-H gel gradually transforms into non-cementitious Ca（Na）-lingite， resulting in a gradual decrease in its strength. When the alkali equivalent is 4% and the gangue substitution rate is 7%， the porosity of gangue powder-Pisha sandstone cement composite soil is 29.20%， and the proportion of small pores is 46.48%. Moreover， the 7d strength can meet the requirement of 1.0-3.0 MPa for the sub-base of secondary and sub-secondary highways. This study can provide a theoretical basis for the application of gangue powder-Pisha sandstone cement composite soil in road paving and channel lining.

Key words： Pisha sandstone;composite soil;coal gangue powder;alkali-activated;microscopic mechanisms

砒砂巖是一種泥質(zhì)砂巖，集中分布于黃土高原北部晉陜蒙地區(qū).因其具有成巖程度低，遇水潰散成泥的特殊巖性，極易造成水土流失，給地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成巨大破壞［1］.隨著當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，開(kāi)挖出的松散砒砂巖用于基礎(chǔ)和基坑回填時(shí)易受到水的侵蝕，難以進(jìn)行資源化利用.為提高當(dāng)?shù)嘏皫r的利用率，鄔尚贇等［2］、耿凱強(qiáng)等［3］將水泥與砒砂巖混合制成砒砂巖水泥土，利用水泥水化產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)，將砒砂巖顆粒緊密膠結(jié)在一起，有效提高了砒砂巖的力學(xué)及耐久性能，為砒砂巖的資源化利用提供了思路.

針對(duì)土體改良，水泥是首選的膠凝材料，但在其生產(chǎn)過(guò)程中需要消耗煤炭資源，同時(shí)會(huì)排放大量的二氧化碳，故亟須找到一種綠色環(huán)保的材料來(lái)替代水泥.地聚物主要是由鋁硅質(zhì)材料（粉煤灰、偏高嶺土、煤矸石）在堿性環(huán)境下發(fā)生聚合反應(yīng)產(chǎn)生具有膠結(jié)性能的物質(zhì)，該物質(zhì)是以無(wú)機(jī)硅氧四面體和鋁氧八面體為主體，在空間上具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新型膠凝材料［1］。地聚物的生產(chǎn)所需能耗低、二氧化碳排放少，與水泥相比其具備更優(yōu)良的機(jī)械和耐久性能，因此具有替代普通水泥的潛力。目前已有學(xué)者利用粉煤灰、偏高嶺土、礦粉等固廢制備地聚物并用于砒砂巖的改良［4-5］，發(fā)現(xiàn)與砒砂巖水泥土相比，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加致密，宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)及耐久性能的提升。董晶亮等［6］在砒砂巖中加入礦粉，在堿激發(fā)的條件下制備出力學(xué)性能較好的改性礦粉/砒砂巖復(fù)合材料.LI等［7］利用砒砂巖制成的地聚物材料，具有良好的力學(xué)及抗水蝕性能，可用于淤地壩修建。研究表明，地聚物對(duì)于砒砂巖的改良具有較好的效果，為砒砂巖區(qū)的工程實(shí)際應(yīng)用提供了理論支撐。在內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)，因其煤炭資源豐富，在煤礦附近堆放著大量開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的煤矸石.堆積的煤矸石山不僅會(huì)占用大量土地，而且也會(huì)引起大氣、水體污染等生態(tài)問(wèn)題.煤矸石作為鋁硅質(zhì)材料，可用于地聚物的制備.大量學(xué)者研究表明［8-12］，煤矸石經(jīng)機(jī)械粉磨或熱活化處理后，具有較高的火山灰活性，且形成的煤矸石基地聚物具有良好的性能.周梅等［13］以煤矸石粉、水泥和粉煤灰為主要原料，制備的煤矸石基地聚物注漿材料具有優(yōu)良的性能.王菲等［14］研究了不同因素對(duì)煤矸石基地聚物強(qiáng)度的影響，得出了力學(xué)強(qiáng)度最優(yōu)配比.以上研究表明，煤矸石具有潛在的火山灰活性，經(jīng)處理后，可用于地聚物的制備，且形成的煤矸石基地聚物具有良好的性能.

目前已有大量學(xué)者對(duì)砒砂巖水泥土開(kāi)展了研究，但對(duì)于煤矸石基地聚物改良砒砂巖的研究較少，故文中研究煤矸石粉替代水泥，探究煤矸石替代率、堿激發(fā)對(duì)煤矸石粉-砒砂巖水泥土力學(xué)強(qiáng)度的影響規(guī)律并確定最優(yōu)配比，分析堿激發(fā)煤矸石粉的作用機(jī)理，從而為煤矸石粉-砒砂巖水泥復(fù)合土在道路鋪設(shè)和渠道襯砌等應(yīng)用提供理論依據(jù).

1" 試驗(yàn)原材料及方法

1.1" 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的紅色砒砂巖，取自內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗，過(guò)2.36 mm篩.水泥為冀東P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥.煤矸石取自鄂爾多斯地區(qū)煤礦，其主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3，基于文獻(xiàn)［4］，將其放置馬弗爐中以600 ℃進(jìn)行煅燒.其中砒砂巖、水泥和煤矸石粉的成分見(jiàn)表1，表中M為質(zhì)量分?jǐn)?shù).堿激發(fā)劑是Na2SiO3溶液與NaOH顆粒組成，其中Na2SiO3溶液模數(shù)為2.25，NaOH顆粒用于調(diào)節(jié)水玻璃模數(shù).

1.2" 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)之前的研究［15］，將膠凝材料總量控制在15%，用5%，7%，9%，11%的煤矸石粉等質(zhì)量替代水泥，在堿模數(shù)為1.2的基礎(chǔ)上，堿當(dāng)量設(shè)置為2%，4%，6%，8%，其中堿當(dāng)量指水玻璃中的Na2O與膠凝材料的質(zhì)量比.依據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009），采用DZY-2型數(shù)控多功能電動(dòng)擊實(shí)儀對(duì)不同煤矸石粉摻量的煤矸石粉-砒砂巖復(fù)合水泥土進(jìn)行擊實(shí)，得到最大干密度的變化范圍為1.771～1.903 g/cm3，最優(yōu)含水率為13.10%～13.74%.因此試驗(yàn)取最大干密度為1.840 g/cm3，最優(yōu)含水率為13.42%.試樣配比如表2所示，表中c為配比，A為堿當(dāng)量.

1.3" 樣品制備與測(cè)試方法

試樣按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）的規(guī)定進(jìn)行配比計(jì)算，尺寸為Φ50×H50 mm，其中Φ為試樣直徑，H為試樣高度.每組3個(gè)平行試樣.在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中分別養(yǎng)護(hù)至7，14，28 d后，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）的規(guī)定進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn).其中無(wú)限側(cè)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用WDW-100M型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，加載速率為2 mm/min；孔徑測(cè)試試驗(yàn)儀器為AutoPoreIV 9500全自動(dòng)壓汞儀；掃描電鏡為Quanta 250FEG型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡；熱重試驗(yàn)采用PerkinElmer STA6000同步熱分析儀進(jìn)行.

2" 結(jié)果與分析

2.1" 煤矸石粉替代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖1為不同齡期下煤矸石粉-砒砂巖水泥復(fù)合土強(qiáng)度隨煤矸石粉替代率的變化關(guān)系，圖中σ為無(wú)限側(cè)抗壓強(qiáng)度，ω1為煤矸石粉替代率.從圖1中可知復(fù)合土抗壓強(qiáng)度均隨著煤矸石粉替代率的增加呈下降趨勢(shì)，且堿當(dāng)量為4%時(shí)，煤矸石粉替代率5%，7%所對(duì)應(yīng)的各齡期強(qiáng)度值接近.同時(shí)由1a圖知堿當(dāng)量4%、煤矸石粉替代率5%，7%所對(duì)應(yīng)砒砂巖水泥復(fù)合土7 d的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到3.25，3.15 MPa，可滿足二級(jí)及二級(jí)以下公路底基層1.00～3.00 MPa的要求［16］.因此為降低水泥的使用量，盡可能提高煤矸石的利用率，選取煤矸石粉替代率為7%為最佳摻量進(jìn)行深入研究.

2.2" 堿當(dāng)量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖2為不同齡期下煤矸石粉-砒砂巖水泥復(fù)合土強(qiáng)度隨堿當(dāng)量的變化關(guān)系.由圖可知，隨著堿當(dāng)量的增加，強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，但不同煤矸石粉替代率下σ隨堿當(dāng)量的變化趨勢(shì)不同.當(dāng)煤矸石粉替代率為9%和11%時(shí)，無(wú)限側(cè)抗壓強(qiáng)度在堿當(dāng)量為6%處出現(xiàn)拐點(diǎn)，而煤矸石粉替代率為5%和7%時(shí)，強(qiáng)度在堿當(dāng)量為4%處出現(xiàn)拐點(diǎn).表明堿量過(guò)多或過(guò)少不利于復(fù)合土強(qiáng)度的發(fā)展，堿對(duì)水泥水化及煤矸石粉活性物質(zhì)的激發(fā)存在最佳用量.同時(shí)考慮試樣的制備過(guò)程，發(fā)現(xiàn)堿當(dāng)量過(guò)高，容易導(dǎo)致攪拌不均勻，影響試驗(yàn)結(jié)果.因此選擇4%為最佳堿當(dāng)量.

3" 微觀機(jī)理分析

為更好地反映堿激發(fā)煤矸石粉對(duì)砒砂巖水泥復(fù)合土強(qiáng)度的影響，選取28 d齡期、堿當(dāng)量為4%的不同煤矸石粉替代率的煤矸石粉-砒砂巖水泥復(fù)合土，同時(shí)為分析堿作用影響，選取煤矸石粉為7%，堿當(dāng)量為0%的G7A0組（強(qiáng)度4.36 MPa）為對(duì)照組，從微觀上揭示堿激發(fā)煤矸石粉的作用機(jī)理.

3.1" 固化過(guò)程的物相分析

圖3a為加堿前后的煤矸石粉-砒砂巖水泥復(fù)合土的XRD圖譜，圖中I為衍射峰強(qiáng)度.由圖可見(jiàn)，摻入堿后砒砂巖中蒙脫石的衍射峰（2θ=6.0°，其中θ為X射線與樣品表面之間的夾角）消失，并伴隨著鈣（鈉）菱沸石（2θ=7.2°）、鈉長(zhǎng)石（2θ=22.0°）、鉀長(zhǎng)石（23.6°）和鈣鋁榴石（2θ=29.4°）的出現(xiàn).由此表明堿的加入可有效促進(jìn)砒砂巖中蒙脫石的溶蝕，使得孔溶液中的SiO32-和AlO22-增多，而這些增多的SiO32-和AlO22-經(jīng)過(guò)縮聚反應(yīng)形成了低聚態(tài)的硅鋁酸鹽凝膠.值得注意的是，堿的加入會(huì)使得煤矸石粉中的Si-O-Si鍵和Al-O-Al鍵發(fā)生斷裂，在孔溶液中釋放出Si（OH）4和Al（OH）4單體，首先由Si（OH）4中的OH基團(tuán)與Al（OH）4中的Al3+相互吸引連接，形成不穩(wěn)定的硅鋁酸鹽，而在這個(gè)過(guò)程中逐漸形成了低聚態(tài)的硅鋁酸鹽凝膠.同時(shí)隨著反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，低聚態(tài)的硅鋁酸鹽之間的SiO4和AlO4四面體通過(guò)共享1個(gè)氧原子，在Na+，K+等金屬陽(yáng)離子平衡電荷的作用下發(fā)生縮聚反應(yīng)，一部分形成非晶的具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽凝膠，一部分形成晶態(tài)的沸石相.而長(zhǎng)石相的出現(xiàn)是Si（OH）4單體，Al（OH）4單體與游離的金屬陽(yáng)離子發(fā)生反應(yīng)生成的長(zhǎng)石沉淀.

此外，加入堿后出現(xiàn)的鈣鋁榴石，證明了體系中產(chǎn)生了C-A-S-H凝膠［17］.這是由于水泥的水化產(chǎn)生的Ca（OH）2部分溶解在孔溶液中，提高了Ca2+的濃度.而煤矸石粉中的Al-O鍵在OH-的作用下首先被破壞，釋放出的Al（OH）4單體會(huì)先跟Ca2+反應(yīng)生成C-A-S-H凝膠，而孔溶液中游離的Al3+一部分取代C-S-H凝膠中SiO4四面體中的Si4+，一部分進(jìn)入到C-S-H層間中平衡電荷［1］，提高了SiO4四面體的聚合程度，導(dǎo)致C-S-H凝膠向C-A-S-H凝膠轉(zhuǎn)化.由于堿的加入導(dǎo)致蒙脫石和煤矸石粉被溶蝕，在孔溶液中釋放了大量的Si，Al單體，導(dǎo)致體系內(nèi)產(chǎn)生了大量的硅鋁酸鹽凝膠和高聚合度的C-A-S-H凝膠，因此煤矸石粉-砒砂巖水泥復(fù)合土的強(qiáng)度在堿的作用下得到提升.

為了進(jìn)一步分析煤矸石粉摻量對(duì)復(fù)合土強(qiáng)度的影響機(jī)理，由圖3b的物相圖分析可知，復(fù)合土體系內(nèi)各反應(yīng)生成物主要由方解石、長(zhǎng)石和沸石組成.可以看出，隨著煤矸石粉替代率的增加，鈣鋁榴石（2θ=29.4°）的衍射峰逐漸減弱，沸石（2θ=7.2°）的衍射峰逐漸增強(qiáng).這是由于煤矸石粉摻量的增加和水泥摻量的相對(duì)減少，導(dǎo)致孔溶液中的Ca2+含量下降，使得對(duì)復(fù)合土強(qiáng)度增強(qiáng)作用大的C-S-H和C-A-S-H凝膠的生成量減少；而煤矸石粉中的活性SiO2，Al2O3不斷溶出，提高了體系中的硅鋁比［18］，從而使得大量的硅鋁酸鹽凝膠向沸石晶體轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致體系中的沸石數(shù)量增加，最終表現(xiàn)為沸石衍射峰增強(qiáng).隨著煤矸石粉量的增加，導(dǎo)致復(fù)合土內(nèi)部的C-S-H和C-A-S-H凝膠含量下降，同時(shí)伴隨著大量硅鋁酸鹽凝膠向無(wú)膠結(jié)性的沸石晶體轉(zhuǎn)化，所以抗壓強(qiáng)度隨著煤矸石粉替代率的上升而下降.

3.2" 固化過(guò)程的微觀形貌分析

圖4為28 d齡期不同激發(fā)條件下的煤矸石粉-砒砂巖水泥復(fù)合土的SEM，EDS圖，圖中E為能量，C為譜峰強(qiáng)度.圖4a，4b是加堿的前后對(duì)比，發(fā)現(xiàn)砒砂巖顆粒上錯(cuò)綜分布著絮狀、纖維狀的凝膠.從圖4a可以看出，不加堿的試樣內(nèi)部仍存在較大的孔隙；而從圖4b可以看出，大量的凝膠附著在砒砂巖顆粒上，結(jié)構(gòu)更加密實(shí).這是由于堿的加入，提高了體系中OH-的含量，促進(jìn)了Si，Al單體的溶出，使得大量低聚態(tài)的硅酸鹽凝膠向高聚合度轉(zhuǎn)變，并逐漸凝結(jié)硬化形成一層致密的凝膠層附著在砒砂巖顆粒表面，使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，并發(fā)現(xiàn)上面集中分布著塊狀沸石.對(duì)圖4b中的區(qū)域1進(jìn)行EDS分析可知，其中主要元素為O，Ca，Si，Al和Na，表明此處存在N-A-S-H凝膠和C-A-S-H凝膠.根據(jù)XRD的分析可知，此處的塊狀沸石是鈣（鈉）菱沸石，是由于部分N-A-S-H凝膠向晶體轉(zhuǎn)化形成的，表明加入適量的堿有助于促進(jìn)N-A-S-H和C-A-S-H凝膠的生成，提高了砒砂巖顆粒間的整體性和穩(wěn)定性.

圖4b，4c分別是7%，11%煤矸石粉替代率的對(duì)比.從圖4b可以看出，砒砂巖顆粒表面的孔洞和裂縫減少，并發(fā)現(xiàn)在砒砂巖顆粒間的界面區(qū)中填充著大量絮狀、纖維狀的凝膠產(chǎn)物，表明內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密.對(duì)圖4b中區(qū)域2的不同位置進(jìn)行EDS分析可知，位置1中的主要元素為O，Ca，Si和Na（見(jiàn)圖4e），說(shuō)明此處纖維狀的物質(zhì)為C-S-H凝膠；而位置2中的主要元素為O，Ca，Si，Na和Al，表明此處存在C-A-S-H凝膠（見(jiàn)圖4f）.而位置1和2出現(xiàn)的Na元素，是由于煤矸石粉中溶出的Al3+取代C-S-H中部分的Si4+，導(dǎo)致四面體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)一價(jià)負(fù)電荷，故吸引Na+平衡電荷，說(shuō)明了此處存在的C-S-H凝膠會(huì)向C-A-S-H凝膠轉(zhuǎn)化.而從圖4c可以看出，砒砂巖顆粒表面附著的凝膠減少，并且存在較多數(shù)量的孔隙和裂縫，說(shuō)明內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散.這是由于在相同堿激發(fā)條件下，隨煤矸石粉摻量的增加，體系中產(chǎn)生了更多的N-A-S-H凝膠，隨著反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)生的N-A-S-H凝膠會(huì)逐漸向鈣（鈉）菱沸石轉(zhuǎn)化，而沸石填充在砒砂巖顆粒間并不斷累積，使得孔隙內(nèi)受到的壓力逐漸增大，并且由于水泥摻量的相對(duì)減少，促使C-S-H和C-A-S-H凝膠的生成量減少，砒砂巖顆粒間的黏結(jié)力下降，導(dǎo)致復(fù)合土內(nèi)部出現(xiàn)較多裂紋和孔隙.

3.3" 固化過(guò)程的水化產(chǎn)物分析

借助熱重試驗(yàn)分析堿和煤矸石粉對(duì)復(fù)合土中凝膠產(chǎn)物的影響.圖5a為加堿前后的煤矸石粉-砒砂巖水泥復(fù)合土的熱重曲線.如圖所示，將熱重曲線劃分為自由水釋放（30～200 ℃）、凝膠結(jié)合水釋放（200～700 ℃）、碳酸鈣分解（700～1000 ℃）3個(gè)階段.在200～700 ℃，加入堿后的失重比例為2.99%，比加堿前高出0.72%.未加堿時(shí)，砒砂巖顆粒間的膠結(jié)性是由C-S-H凝膠提供，其C-S-H凝膠的來(lái)源一部分由水泥水化產(chǎn)生，另一部分是由煤矸石粉中活性的SiO2和Al2O3與水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2反應(yīng)生成，但由于水泥水化產(chǎn)生的堿性環(huán)境僅能使煤矸石粉溶出少量的Si，Al單體，故最終的凝膠含量較低.而摻入堿后，在OH-作用下促使煤矸石粉中SiO2和Al2O3充分溶出，使得孔溶液中的Si，Al單體增多，促進(jìn)體系發(fā)生聚合反應(yīng)生成N-A-S-H凝膠，同時(shí)體系中水泥水化產(chǎn)生的C-S-H凝膠在堿的作用下向C-A-S-H凝膠轉(zhuǎn)化，并且C-A-S-H的聚合度要高于C-S-H，能夠提供更好的強(qiáng)度與剛度.此時(shí)砒砂巖顆粒間的膠結(jié)性在N-A-S-H、C-S-H和C-A-S-H凝膠的共同作用下得到提升.在700～1000 ℃，發(fā)現(xiàn)加入堿后碳酸鹽的分解由2.65%增長(zhǎng)至2.86%，表明體系內(nèi)產(chǎn)生了更多的碳酸鹽，可能是在制樣過(guò)程中部分堿與CO2反應(yīng)生成.堿的加入促進(jìn)了凝膠物質(zhì)的生成，提高了凝膠含量，所以煤矸石粉-砒砂巖復(fù)合水泥土的抗壓強(qiáng)度上升.

圖5b為不同煤矸石粉替代率的煤矸石粉-砒砂巖水泥復(fù)合土的TG曲線，圖中W為質(zhì)量百分比，T為溫度.其中G7A4，G9A4和G11A4組的凝膠結(jié)合水的含量分別為2.99%，2.76%，2.22%，可以看出凝膠結(jié)合水的含量隨著煤矸石粉替代量的增加，出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì).通過(guò)XRD分析可知，當(dāng)煤矸石粉的量增加時(shí)，沸石衍射峰增強(qiáng)，表明體系內(nèi)產(chǎn)生了更多的N-A-S-H凝膠，但由于煤矸石粉中溶出的活性SiO2和Al2O3有限，且經(jīng)聚合作用產(chǎn)生的N-A-S-H凝膠量要低于相同質(zhì)量水泥水化產(chǎn)生的凝膠量，所以體系內(nèi)產(chǎn)生的凝膠含量下降，導(dǎo)致凝膠作為砒砂巖顆粒間的應(yīng)力支承骨架減少，宏觀上表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度的降低.

3.4" 壓汞下微觀孔隙分析

為了進(jìn)一步分析不同激發(fā)條件對(duì)煤矸石粉-砒砂巖水泥復(fù)合土孔隙結(jié)構(gòu)的影響，選取28 d齡期加堿前后以及不同煤矸石粉摻量下的復(fù)合土進(jìn)行壓汞分析.

根據(jù)Washnurn方程可知，壓力與孔徑成反比關(guān)系，當(dāng)外界壓力較小時(shí)，汞只能進(jìn)入較大的孔隙中，隨著壓力的增長(zhǎng)，汞逐漸進(jìn)入更小的孔隙中，累計(jì)進(jìn)汞量不斷增大.復(fù)合土壓汞曲線如圖6所示，圖中V為進(jìn)汞量，p為壓力.可以看出進(jìn)汞量明顯存在3個(gè)不同階段：第1階段當(dāng)壓力低于0.2 MPa時(shí)，進(jìn)汞曲線逐漸上升，汞被壓入孔徑大于6160 nm的孔隙中；第2階段當(dāng)壓力為0.2～20.0 MPa時(shí)，此階段內(nèi)的進(jìn)汞曲線出現(xiàn)明顯的臺(tái)階，汞被不斷地壓入孔徑在62～6160 nm的孔隙中；第3階段當(dāng)壓力超過(guò)20.0 MPa后，進(jìn)汞曲線顯著上升，說(shuō)明此階段有大量的汞進(jìn)入到孔徑小于62 nm的孔隙中，而當(dāng)壓力增長(zhǎng)一定程度后，累計(jì)進(jìn)汞量基本不發(fā)生變化，此時(shí)累計(jì)進(jìn)汞量達(dá)到最大值.

孔結(jié)構(gòu)參數(shù)和分形維數(shù)見(jiàn)表3，表中n為孔隙率，Vmax為最大進(jìn)汞量，F(xiàn)為分形維數(shù).可以看出，堿的加入和煤矸石粉量的增加，均可改變煤矸石粉-砒砂巖水泥復(fù)合土的孔隙結(jié)構(gòu).堿的加入使得孔隙率和孔容減小，但其分形維數(shù)增大，表明孔隙的復(fù)雜程度增大；隨煤矸石粉量的增加使得孔隙率和孔容變大，分形維數(shù)減小，表明孔隙的復(fù)雜程度降低.

3.4.1" 堿對(duì)復(fù)合土孔結(jié)構(gòu)的影響

根據(jù)上述分析，將復(fù)合土內(nèi)部孔隙劃分為大孔（孔徑大于6160 nm），中孔（62～6 160 nm）和小孔（小于62 nm）3類，分析孔徑演變規(guī)律.

根據(jù)孔隙劃分計(jì)算不同條件下復(fù)合土的孔隙進(jìn)汞量及孔隙分布如圖7所示，圖中R為孔隙半徑.圖7a，7b是加堿前后的對(duì)比，加入堿后，小孔的比例增長(zhǎng)了6.48%，而中孔和大孔相較于加堿前的比例分別降低了4.82%和1.63%.表明堿的加入促使煤矸石粉中的活性Si，Al不斷溶出，激發(fā)了煤矸石粉的火山灰活性，生成了更多的N-S-A-H和C-A-S-H凝膠，這些凝膠不僅包裹在砒砂巖顆粒上膠結(jié)顆粒內(nèi)部的空隙，而且也填充了顆粒間的較大孔隙，使得復(fù)合土內(nèi)部中孔、大孔的比例下降，小孔比例的上升，從而提高了砒砂巖顆粒間的整體性，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，所以堿的加入可以提升煤矸石粉-砒砂巖水泥復(fù)合土的強(qiáng)度.

3.4.2" 煤矸石粉替代率對(duì)復(fù)合土孔結(jié)構(gòu)的影響

圖7b，7c，7d分別對(duì)應(yīng)G7A4，G9A4和G11A4組不同煤矸石粉替代率下的孔隙分布.相同堿作用下隨煤矸石粉摻量增加，相較于G7A4組，G9A4組的中孔和大孔比例分別增長(zhǎng)了1.53%和3.32%，小孔降低了4.85%，而G11A4組的中孔和大孔比例分別增長(zhǎng)了8.29%和7.12%，小孔降低了15.41%.表明在相同堿當(dāng)量條件下，隨著煤矸石粉替代量的增加和水泥含量的相對(duì)下降，孔溶液中的Ca2+含量減少，導(dǎo)致體系中產(chǎn)生的C-S-H和C-A-S-H凝膠含量下降.而煤矸石粉中溶出的Si，Al，使得孔溶液中的硅鋁比提高，促使大量的硅鋁酸鹽凝膠向無(wú)膠結(jié)性的鈣（鈉）菱沸石轉(zhuǎn)化，且沸石會(huì)在孔隙中不斷累積，使得孔隙受到的壓力逐漸增大.正是由于體系中凝膠含量的下降和沸石結(jié)晶累積作用，促進(jìn)了復(fù)合土內(nèi)部大孔和中孔的發(fā)育，所以煤矸石粉-砒砂巖水泥復(fù)合土的強(qiáng)度隨煤矸石粉替代率的增加而下降.

4" 結(jié)" 論

1） 隨著煤矸石粉替代率的增加復(fù)合土的強(qiáng)度在各齡期下均表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，而隨著堿當(dāng)量的增加復(fù)合土各齡期的σ均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì).在保證試樣7 d強(qiáng)度滿足二級(jí)及二級(jí)以下公路底基層1.0～3.0 MPa的同時(shí)，從施工的操作性和提高固廢利用率等方面綜合考慮，最終確定7%的煤矸石粉替代量和4%的堿當(dāng)量為堿激發(fā)煤矸石粉-砒砂巖水泥復(fù)合土的最優(yōu)配比.

2） 堿的加入使得砒砂巖中的蒙脫石和煤矸石粉被溶蝕，溶解釋放出的Si（OH）4和Al（OH）4單體，在堿的作用下發(fā)生聚合反應(yīng)，生成低聚合度的硅酸鹽和硅鋁酸鹽凝膠.隨著反應(yīng)的持續(xù)發(fā)生，低聚合度的凝膠之間進(jìn)一步縮聚形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的N-A-S-H凝膠緊密地附著在砒砂巖顆粒上并逐漸凝結(jié)硬化，使得結(jié)構(gòu)更加致密.

3） 隨煤矸石粉替代量的增加，導(dǎo)致高聚合度的C-A-S-H凝膠生成量下降，同時(shí)由于煤矸石粉中的活性Si，Al不斷溶出，提高了孔溶液中的Si/Al，促使體系內(nèi)產(chǎn)生的N-A-S-H凝膠向無(wú)膠結(jié)性的鈣（鈉）菱沸石轉(zhuǎn)化，最終導(dǎo)致復(fù)合土內(nèi)部出現(xiàn)較多的裂縫和孔隙.

4） 堿加入后，復(fù)合土的孔隙率和孔容降低，其中、小孔發(fā)育較好，其占比增長(zhǎng)較大.而隨煤矸石粉替代量的增加，復(fù)合土的孔隙率和孔容增大，大孔和中孔的比例增長(zhǎng)較大.當(dāng)堿當(dāng)量為4%，煤矸石粉替代率為7%時(shí)，復(fù)合土的孔隙率為29.2%，其中小孔、中孔和大孔占比分別為46.48%，21.36%和32.16%，與其他組相比表現(xiàn)最優(yōu).

參考文獻(xiàn)（References）

［1］" 李曉麗，趙曉澤，申向東. 堿激發(fā)對(duì)砒砂巖地聚物水泥復(fù)合土強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37（12）：73-81.

LI Xiaoli， ZHAO Xiaoze， SHEN Xiangdong. Influence mechanism of alkali excitation on strength and microstructure of Pisha Sandstone geopolymer cement composite soil［J］.Transactions of the CSAE， 2021， 37（12）：73-81.（in Chinese）

［2］" 鄔尚贇，李曉麗，常平，等. 紅色砒砂巖水泥土干濕循環(huán)下力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2019，37（12）：1093-1099.

WU Shangyun，LI Xiaoli，CHANG Ping，et al. Experi-mental study on mechanical properties of red Pisha-sandstone cement soil under wetting-drying cycles ［J］. Journal of drainage and irrigation machinery enginee-ring， 2019， 37（12）：1093-1099.（in Chinese）

［3］" 耿凱強(qiáng)，李曉麗. 凍融循環(huán)下紅色砒砂巖水泥土力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2021，39（6）：643-648.

GENG Kaiqiang， LI Xiaoli. Experimental study on mechanical properties of red Pisha-sandstone cement soil under freeze-thaw cycles［J］.Journal of drainage and irrigation machinery engineering， 2021， 39（6）：643-648.（in Chinese）

［4］" ZHU J H， LI X. Strength and microscopic mechanism analysis of CFBCA-based geopolymer-Pisha sandstone cement composite soil［J］. Environmental science and pollution research international， 2022， 29（43）：65197-65210.

［5］" GENG K， CHAI J， QIN Y， et al. Collapse inhibition mechanism analysis and durability properties of cement-stabilized Pisha sandstone［J］. Bulletin of engineering geology and the environment， 2022， 81（4）：1-18.

［6］" 董晶亮，張婷婷，王立久. 堿激發(fā)改性礦粉/砒砂巖復(fù)合材料［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2016，33（1）：132-141.

DONG Jingliang， ZHANG Tingting， WANG Lijiu. Alkali-activated modified steel slag /pisha sandstone composites［J］. Acta materiae compositae sinica， 2016， 33（1）：132-141.（in Chinese）

［7］" LI C M， WANG L J， ZHANG T T， et al. Development of building material utilizing a low pozzolanic activity mineral［J］. Construction and building materials， 2016， 121：300-309.

［8］" 張宗堂，肖天祥，高文華，等.交通荷載下煤矸石路基填料累積變形PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型［J］.水利水電科技進(jìn)展，2024，44（2）：87-91.

ZHANG Zongtang， XIAO Tianxiang， GAO Wenhua， et al. PSO-BP neural network prediction model for cumulative deformation of coal gangue subgrade filler under traffic loading［J］.Advances in science and technology of water resources，2024，44（2）：87-91.（in Chinese）

［9］" 關(guān)虓，張鵬鑫，邱繼生，等. 凍融環(huán)境下活化煤矸石粉混凝土毛細(xì)吸水性能［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2023，26（5）：483-491.

GUANG Xiao， ZHANG Pengxin， QIU Jisheng， et al. Capillary water absorption properties of activated coal gangue powder concrete in freeze-thaw environment［J］. Journal of building materials， 2023， 26（5）：483-491.（in Chinese）

［10］" 宋旭艷，張康，韓靜云，等. 熱活化煤矸石的火山灰效應(yīng)及其對(duì)水泥性能的影響［J］. 材料導(dǎo)報(bào)，2011，25（22）：118-121.

SONG Xuyan， ZHANG Kang， HAN Jingyun， et al. Effect of thermal activated coal gangue on pozzolanic effect and cement properties［J］. Materials reports， 2011， 25（22）：118-121.（in Chinese）

［11］" 張衛(wèi)清，柴軍，馮秀娟，等. 煤矸石基地質(zhì)聚合物的制備及微觀結(jié)構(gòu)［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，50（3）：539-547.

ZHANG Weiqing， CHAI Jun， FENG Xiujuan， et al. Preparation and microstructure of coal gangue-based geopolymer［J］. Journal of China University of Mining amp; Technology， 2021， 50（3）：539-547.（in Chinese）

［12］" MA H Q， CHEN H Y， ZHU H G， et al. Study on the drying shrinkage of alkali-activated coal gangue-slag mortar and its mechanisms［J］.Construction and building materials， 2019， 225：204-213.

［13］" 周梅，白金婷，郭凌志，等.基于響應(yīng)曲面法的煤矸石地聚物注漿材料配比優(yōu)化［J］. 材料導(dǎo)報(bào)，2023，37（20）：22020068.

ZHOU Mei， BAI Jinting， GUO Lingzhi， et al. Optimization of grouting material proportion of coal gangue geopolymer based on response surface methodology［J］.Materials reports，2023，37（20）：22020068.（in Chinese）

［14］" 王菲，劉澤，韓樂(lè)，等. 活化煤矸石地質(zhì)聚合物的制備與性能研究［J］. 硅酸鹽通報(bào)，2021，40（3）：914-920.

WANG Fei， LIU Ze， HAN Le， et al. Preparation and properties of activated coal gangue geopolymer［J］. Bulletin of the Chinese ceramic society， 2021， 40（3）： 914-920.（in Chinese）

［15］" 王重陽(yáng)，李曉麗，趙曉澤，等. 堿激發(fā)下砒砂巖鋼渣粉水泥復(fù)合土強(qiáng)度及微觀機(jī)理研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)， 2023，40（7）：132-138.

WANG Chongyang， LI Xiaoli， ZHAO Xiaoze， et al. Research on strength and micromechanism of steel slag powder cement composite soil of Pisha sandstone under alkali excitation［J］. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute， 2023， 40（7）：132-138.（in Chinese）

［16］" JTG/T F20—2015，公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則［S］.北京：人民交通出版社，2015.

［17］" ZHANG Y， YANG X， TIGHE S. Evaluation of mecha-nical properties and microscopic structure of coal gangue after aqueous solution treatment［J］.Materials，2019，12（19）：3207.

［18］" KROL M， ROZEK P， CHLEBDA D， et al. ATR/FT-IR studies of zeolite formation during alkali-activation of metakaolin［J］. Soil state sciences， 2019， 94：114-119.

（責(zé)任編輯" 朱漪云）