邱继生，肖智杰，冯泽平，张如意，关 婋，栾 溪，杨敏敏

（1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065）

0 引 言

煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的工业固体废物，不仅占用土地，而且会对环境造成严重污染［1-3］。混凝土作为目前使用最广泛的建筑材料，需消耗大量的砂石骨料［4］。将煤矸石作为骨料制备混凝土，不仅可以实现固体废物的资源化利用，而且还可以有效缓解中国部分地区砂石骨料短缺问题，具有良好的经济、社会和环境效益［5-7］。

目前，国内外学者对循环荷载作用下混凝土损伤特性的研究主要集中在不同影响因素下混凝土力学性能的变化规律、损伤演化模型的建立，以及利用数值计算方法模拟得到混凝土的力学性能等方面［8-12］，对循环荷载作用下混凝土微观机理方面的研究相对较少。对煤矸石混凝土的研究主要集中在力学性能［13-17］和耐久性能［18-22］方面，但是采用宏观与微观相结合的方法探究循环荷载作用下煤矸石混凝土的损伤特性方面还鲜有研究。

通过循环加载试验研究循环荷载作用下煤矸石混凝土力学性能劣化规律，利用扫描电镜与压汞试验分析其力学性能的劣化机理及微观本质。根据分形理论建立孔体积分形维数和各孔结构参数、抗压强度损伤量与分形维数、各孔结构参数之间的关系，从宏观和微观的角度探究循环荷载作用下煤矸石混凝土的损伤规律及机理，为煤矸石混凝土的应用提供参考。

1 试验设计

1.1 原材料和配合比设计

海螺牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥，初凝时间为65 min，终凝时间为5 h，密度为3.08 g／cm3，28 d抗折强度为7.7 MPa，28 d抗压强度为15.0 MPa；外加剂：Q8011标准型液体高性能减水剂，减水率为25%，陕西秦奋建材有限公司；粗集料：普通碎石，5～25 mm连续级配，表观密度为2 880 kg／m3，压碎指标为6%；煤矸石：颜色为黑色，最大粒径为25 mm，吸水率为4.9%，压碎指标为17.7%，表观密度为2 291 kg／m3，采用X射线衍射仪分析得到的矿物成分如图1所示；细集料：河砂，细度模数为2.7，堆积密度为1 460 kg／m3，含泥量小于0.5%。

图1 煤矸石的XRD衍射Fig.1 XRD diffraction pattern of coal gangue

试验水灰比为0.4，使用煤矸石取代普通碎石，煤矸石体积取代率为0，40%，配合比见表1。

表1 煤矸石混凝土的配合比Table 1 Mix proportion of coal gangue concrete kg·m－3

1.2 试验方法

1.2.1 试验概况

考虑因素有煤矸石体积取代率（0，40%）、不同循环荷载次数（0，2 500，5 000，7 500）、不同应力水平（0.5fc，0.6fc和0.7fc），设计24组，其中未施加循环荷载的4个分组重复，实际需制作20组，每组3个，共60个试件，分组见表2。

表2 循环加载试验分组Table 2 Group of cyclic loading tests

1.2.2 循环加载试验

用DTAW—8000型动力试验系统，测试立方体抗压强度和施加动态循环荷载。测定各组混凝土的抗压强度为fc。循环加载应力水平取0.5fc，0.6fc和0.7fc，循环荷载次数为0，2 500，5 000，7 500次，循环加载过程如下。

以荷载控制方式从零加载到设定的循环荷载均值，均值F0分别为0.3fc，0.35fc和0.4fc，加载速率为0.5 kN／s。按照正弦波加载波形进行循环加载，加载频率f为8 Hz。循环加载的最小应力水平Smin为0.1，最大应力水平Smax分别为0.5，0.6和0.7，达到设定的循环加载次数后停止试验。

1.2.3 微观试验

扫描电镜采用日本JSM-7610F型场发射环境扫描电子显微镜，发射电流为8 400μA，加速电压为3 000 V，工作距离为8 400 lm。本试验的试样为3～5 mm的片状样品，将样品放在乙醇中，进行清洗，然后在烘箱中干燥12 h，用双面导电胶将样品粘在铜质样品台上，进行真空喷金镀膜处理，加装样品，待SEM真空度达到要求，对其微观形貌进行观察和分析。

压汞试验采用AutoPoreIV 9510型全自动压汞仪，大压力为414 MPa，孔径测量范围为30Å～1 000μm。从煤矸石混凝土中随机选取尺寸为3～5 mm的试样，立即浸泡在无水乙醇中，终止水化反应，24 h后取出，在105℃下烘至恒重取出，留做压汞试样。

2 力学性能损伤

2.1 动弹性模量损伤

从图2可以看出，随着循环荷载次数的增加，各组试件的相对动弹性模量逐渐递减，递减过程分为2个阶段，加载前期试件的相对动弹性模量下降较快，后期下降较慢。在初始的2 500次之前下降的最多，这是因为加载前期混凝土内部初始裂缝及孔隙得到较快发展，并产生新的孔隙和裂缝，促进了混凝土的劣化，而加载后期，孔隙和裂缝的扩展能力减弱，致使2 500次之后的相对动弹模下降的较慢。

图2 相对动弹性模量Fig.2 Relative dynamic elastic modulus

在相同的循环荷载次数作用下，无论是C0还是C4，随着荷载应力水平的增大，相对动弹性模量均逐渐减小，原因是较高的应力可以使内部的裂缝快速发展；且C4的相对动弹性模量下降的比C0的多，是因为煤矸石骨料的强度小于普通碎石的强度，在同样的应力水平下，煤矸石骨料表面会更容易产生裂缝，促进了C4组混凝土内部的劣化。

试件在不同的应力水平及加载次数下的相对动弹性模量损伤量如图3所示。从图3可以看出，随着循环加载应力水平的增加，动弹性模量损失值逐渐增加。在循环加载7 500次时，随着应力水平的增加，C0的相对动弹性模量分别下降了13.56%，14.05%，15.70%；C4的相对动弹性模量分别下降了15.67%，17.79%，20.73%。在0.7应力水平下，循环加载2 500次和7 500次时，C4组较C0组的相对动弹性模量的损伤量分别增加了28.83%，32.04%。可见煤矸石取代率为40%的混凝土损失量更多，这是因为煤矸石自身在破碎后表面会有一些微裂纹，在循环荷载的作用下，煤矸石骨料上的微裂纹会进一步扩展，并导致煤矸石骨料与砂浆之间的界面区的孔隙裂缝增多。

图3 动弹性模量损伤量Fig.3 Dynamic-elastic modulus damage amount

2.2 抗压强度损伤

从图4可以看出，相同应力水平下，C4组的抗压强度小于C0组。随着应力水平的增加，各组的抗压强度逐渐减小。

图4 抗压强度Fig.4 Compressive strength

从图5可以看出，应力水平为0.5时，经历2 500次、5 000次、7 500次循环后，C0组的抗压强度分别下降了2.66%，4.92%，5.49%；C4组的抗压强度分别下降了3.07%，5.07%，7.84%，可见C4组的抗压强度损伤大于C0组。应力水平为0.7时，经历2 500次、5 000次、7 500次循环后，C0组的抗压强度分别下降了11.27%，13.19%，13.53%；C4组的抗压强度分别下降了15.49%，17.95%，20.75%。可见，C4组随着应力水平和循环荷载次数的增加，抗压强度下降的均比C0组多，这是因为煤矸石混凝土在较大的荷载作用下，经破碎的煤矸石微裂缝处易造成应力集中的现象，促使内部结构缺陷增大，因此掺有煤矸石骨料的混凝土损伤程度较普通混凝土严重。且当循环荷载次数较少时，试件内部产生新增孔隙和微裂缝，随着循环荷载次数的增加，微裂缝得到进一步的扩展。

图5 抗压强度损伤量Fig.5 Compressive strength damage amount

抗压强度损伤量随应力水平和循环荷载次数的增加而增加，目前强度损伤的定性分析大多是与循环荷载次数的关系，而较少考虑双因素的共同影响。文中考虑应力水平、循环荷载次数两因素共同对损伤变量的影响。从图6可以看出，抗压强度损伤量随着应力水平与荷载次数的增加而增加，沿应力水平方向的变化幅度要大于加载次数方向的变化幅度，说明在文中设置的增量条件下，应力水平对强度损伤量的影响要高于荷载次数。

图6 抗压强度损伤量与应力水平和循环荷载次数的关系Fig.6 Relationship between compressive strength damage amount and stress level and number of cyclic loads

3 微观形貌与孔结构劣化分析

3.1 微观形貌分析

在0.5应力水平、不同循环荷载次数作用下，煤矸石混凝土试件内部的微观形貌变化规律如图7所示。从图7可以看出，未加载时外观较为密实，只有少数微孔洞，煤矸石骨料界面区较为密实。当循环荷载次数为5 000次时，界面过渡区存在明显的裂纹，水泥石部分也产生少许微裂缝，较加载前裂缝宽度扩展。随着循环次数增加到7 500次，水泥石中的裂缝继续扩展，宽度增加，且孔隙数量增多，孔径增大，部分区域产生相互贯通的微裂缝。可见，循环荷载作用下，试件内部在孔隙的边缘、煤矸石骨料界面区容易产生裂缝，随着循环荷载次数的增多，内部孔隙和裂缝增多，导致试件损伤加重，动弹性模量和抗压强度下降。

图7 循环荷载作用下煤矸石混凝土的SEM图像Fig.7 SEM images of coal gangue concrete under cyclic loading

3.2 孔结构分析

3.2.1 孔结构参数

煤矸石混凝土在经历不同次数的循环加载后，内部会新增孔隙和裂缝，导致混凝土宏观性能劣化，而压汞仪可以测出混凝土微观孔结构的几个重要参数。文中对宏观力学性能的损伤机理研究，主要是从微观孔结构劣化角度进行分析。本部分对煤矸石混凝土试件C4，C4P2F5，C4P3F5在循环加载0次、5 000次、7 500次后（2 500次时损伤较小未选取）进行孔结构分析，孔结构详细参数见表3，累计孔体积和孔径分布微分曲线如图8，9所示。

表3 煤矸石混凝土的孔结构参数Table 3 Pore structure parameters of coal gangue concrete

由表3可知，循环加载5 000次、7 500次较未循环加载的孔隙率分别增加9.92%，16.24%，说明在循环加载过程中，煤矸石混凝土内部会产生新的损伤导致孔隙数量增多。随着荷载次数的增加，平均孔径分别增加3.60%，7.19%，但变化幅度较小，说明孔结构的分析不能单从平均孔径来看，应该对各孔结构参数进行综合分析。总孔体积随着循环荷载次数的增加而增大，5 000次和7 500次循环加载的孔体积分别增加9.35%，15.18%，这是因为试件内部有初始的裂缝和孔隙，随着循环加载的进行，初始的裂缝和孔隙会扩展变大，在同样压力下，压入汞的体积在增加。

中值孔径是50%的孔容对应的孔径，即有一半的孔径大于此值［23］。中值孔径随着循环荷载次数的增加而增大，循环加载5 000次时增加6.87%，循环加载7 500次时增加18.21%，可以看出循环加载后期中值孔径增加明显，是由于在加载过程中内部孔隙逐渐变大，大孔的数量逐渐增多导致大孔对应的体积增加，从而中值孔径增大。

从图8可以看出，循环荷载次数最多的曲线在最上方，未加载的曲线在最下方，说明荷载次数的增加，会导致相同孔径的孔隙量增多，进而导致进汞量增加。最可几孔径与孔径分布联系密切，其表征了孔隙最为集中的孔径范围，从图9可以看出，图中峰值对应的孔径即为最可几孔径。随着荷载次数的增加，最可几孔径朝大孔方向偏移，说明循环加载作用促进孔结构的劣化，小孔减少，大孔增多，小孔径转变成大孔径。

图8 不同循环加载次数下试样的累计孔体积Fig.8 Cumulative pore volume of specimens under different cyclic loading times

图9 不同循环加载次数下试样的孔径分布微分曲线Fig.9 Differential curves of pore diameter distribution of specimens under different cyclic loading times

3.2.2 孔径分类

混凝土的力学和耐久性能与孔径分布有关，吴中伟院士把混凝土孔分为无害孔（＜20 nm）、少害孔（20～50 nm）、有害孔（50～200 nm）、多害孔（＞200 nm），提出增加50 nm以下的孔，可以改善混凝土的性能［24］。循环加载作用下煤矸石混凝土的孔径分布如图10所示。

图10 不同循环加载次数下试样的孔径分布Fig.10 Pore diameter distribution of specimens under different cyclic loading times

从图10可以看出，每组无害孔和多害孔比例较多，50～200 nm的孔占比最少。对于孔径分布中小于20 nm的无害孔，未循环加载组占比为41.15%，循环加载7 500次后占比为37.78%，说明循环加载使无害孔的数量减少，无害孔向少害孔和有害孔转变。未加载时试件的有害孔占比为6.11%，当循环加载5 000次和7 500次时，有害孔的占比分别为9.12%，12.55%，说明随着加载次数的增多，试件内部孔结构逐渐劣化，有害孔的数量增多。对于小于50 nm的孔径占比，未循环加载组为63.88%，循环加载5 000次的占比为57.52%，循环加载7 500次占比为55.50%，小于50 nm的有利孔随着循环荷载次数的增加呈现减小趋势，这是因为循环加载促使煤矸石混凝土内部小孔孔径增大，使孔结构逐渐劣化，有利孔的数量减少。

3.2.3 分形维数与孔结构参数关系

分形理论可以定量描述不规则和复杂的现象，将分形理论引入混凝土孔结构中，为研究混凝土孔结构的复杂性以及孔结构与宏观性能之间的定量关系开辟了一条新的途径［25-26］。构造体积分形维数可以采用Menger海绵体构造，并结合压汞数据求出孔体积分形维数［27］。

经计算可知，C4，C4P2F5，C4P3F5的孔体积分形维数分别为3.235，3.232，3.228。说明随着循环荷载次数的增加，分形维数逐渐减小。分形维数越大表明孔结构复杂程度越高，未加载时，小孔较多，孔隙分布不规则，所以未加载时孔体积分形维数较大；随着循环荷载次数的增加，试件内部的孔隙会逐渐扩大，孔隙逐渐单一化，所以分形维数逐渐减小。

为进一步分析循环加载后孔体积分形维数与孔隙率、平均孔径、中值孔径、总孔体积的关系，对孔体积分形维数与各孔结构参数建立回归方程，如图11所示。从图11可以看出，孔体积分形维数与孔结构参数基本上呈线性关系，孔隙率、平均孔径、中值孔径、总孔体积和孔体积分形维数的相关系数分别为0.914，0.986，0.993，0.908，表明4个孔结构参数与孔体积分形维数均具有很好的负相关性。随着材料孔体积分形维数的减小，各孔结构参数增大，说明循环荷载作用使煤矸石混凝土内的小孔向大孔转变，大孔数量增加造成孔径单一化，孔隙分布趋向均匀，孔结构空间分布的复杂程度相对减小，或者说微孔占有空间的能力减弱。

图11 分形维数与孔结构参数的关系Fig.11 Relationship between fractal dimension and pore structure parameters

孔体积分形维数能够在一定条件下综合反映孔结构的优劣，可以被认为是孔形及孔结构空间分布的综合参量［28］。

3.3 抗压强度损伤量与孔结构的关系

3.3.1 分形维数与抗压强度损伤量的关系

孔体积分形维数越大，其在材料中的空间分布越复杂，其空间填充能力就越强，从而其抗压强度就越高。

从图12可以看出，分形维数与抗压强度损伤量呈线性负相关，相关系数为0.878，说明有较好的相关性。随着分形维数的增加，混凝土内部孔结构复杂性和曲折性增加，即内部密实度增加，进而抗压强度损伤量减小。因此，当试件受压时，内部应力传递路径被平均分布，避免应力集中现象过早出现，进而混凝土强度损伤量减小。而分形维数受到循环加载次数的影响，循环加载次数越多，内部小孔孔径增大，孔径单一化，分形维数减小，因此抗压强度损伤量增加。

3.3.2 各孔结构参数与抗压强度损伤量的关系

煤矸石混凝土在循环荷载作用下，抗压强度的劣化主要与孔结构参数有关，建立循环加载作用后的抗压强度损伤量与孔结构参数的关系，可以更直观揭示煤矸石混凝土循环加载作用下的劣化机理。煤矸石混凝土抗压强度损伤量与孔结构参数中的孔隙率、平均孔径、中值孔径、总孔体积的关系如图13所示。从图13可以看出，4个孔结构参数与抗压强度损伤量基本上呈线性关系，且相关性良好，说明煤矸石混凝土在循环荷载作用下，抗压强度损伤量随孔结构参数的变化呈线性增加趋势，同时说明孔结构劣化越严重，抗压强度损伤量越大。

小于50 nm的孔为有利孔，50 nm以下的孔越多密实性越好。为了进一步分析孔径分布对循环加载损伤的影响，建立小于50 nm孔径占比与抗压强度损伤变量间的关系。从图14可以看出，循环加载作用后煤矸石混凝土抗压强度损伤变量与小于50 nm的孔径占比呈线性负相关，相关系数为0.970，相关性较好。图中的线性关系说明，小于50 nm的孔占比越多，抗压强度损伤量越小，也说明循环加载后抗压强度的损伤主要是因为在荷载的作用下内部的孔隙发生扩展，导致50 nm以下的小孔向大孔转变，大孔的数量增多，煤矸石混凝土的密实性下降，抗压强度降低。

图14 小于50 nm孔径占比与抗压强度损伤量的关系Fig.14 Relationship between proportion of pore diameter less than 50 nm and loss of compressive strength

从孔隙率、平均孔径、中值孔径、总孔体积以及小于50 nm的孔径占比与抗压强度的损伤量间的关系可以看出，孔结构的劣化是影响循环加载损伤的重要因素。通过孔结构劣化程度的不同，直观地解释了循环加载作用下煤矸石混凝土抗压强度的损失原因。

4 结 论

1）随着循环荷载次数和应力水平的增加，试件的相对动弹性模量、抗压强度逐渐减小。应力水平为0.7，循环荷载次数为7 500次时试件的力学性能下降最多。在文中设置的增量条件下，应力水平对抗压强度损伤量的影响高于循环荷载次数。

2）未加载试件微观表面较为密实，煤矸石骨料界面区较为密实，只有微裂纹。在循环荷载作用下，试件内部在孔隙的边缘、煤矸石骨料界面区容易产生裂缝；随着循环荷载次数的增加，试件内部孔结构参数均逐渐增大；各组无害孔和多害孔比例较多，50～200 nm的孔占比最少；无害孔向少害孔和有害孔转变。

3）在循环荷载作用下，孔体积分形维数与各孔结构参数、抗压强度损伤量均呈现较好的负相关性，加载次数越多，分形维数越小，孔结构劣化越严重，随着分形维数的增加，混凝土内部孔结构复杂性和曲折性增加，抗压强度损伤量减小；孔隙率、平均孔径、中值孔径、总孔体积、小于50 nm孔径占比等与抗压强度损伤量基本上呈线性关系，且相关性良好，孔结构劣化越严重，抗压强度损伤量越大。