多元复合固废胶凝体系的力学性能与收缩特性

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1217

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (6): 2041-2051.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1217

多元复合固废胶凝体系的力学性能与收缩特性

程坤阳¹(), 刘晓林², 冯元³, 王彦鹏⁴, 张蕊¹, 于本田¹()

^1.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070
^2.凉山州公路建设服务中心，西昌，615000
^3.兰州新区融合发展建设工程有限公司，兰州 730207
^4.甘肃建投绿色建材产业发展集团有限公司，兰州 730000

收稿日期:2025-12-04 修订日期:2026-01-26 出版日期:2026-06-15 发布日期:2026-07-14
通信作者: 于本田，博士，教授。E-mail：yubentian@mail.lzjtu.cn
作者简介:程坤阳（2002—），男，硕士研究生。主要从事土木工程材料的研究。E-mail：1964332131@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金(52468034);甘肃省自然科学基金(24JRRA233);甘肃省高校青年博士支持项目(2025QB-037);甘肃省科技计划资助项目(25JRRA1161)

Mechanical Properties and Shrinkage Properties of Multi-Component Composite Solid Waste Cementitious Materials

CHENG Kunyang¹(), LIU Xiaolin², FENG Yuan³, WANG Yanpeng⁴, ZHANG Rui¹, YU Bentian¹()

^1.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China
^2.Liangshan Prefecture Highway Construction Service Center，Xichang，615000，China
^3.Lanzhou New Area Integrated Development Construction Engineering，Lanzhou 730207，China
^4.Gansu Construction Investment Green Building Materials Industry Development Group Co.，Ltd.，Lanzhou 730000，China

Received:2025-12-04 Revised:2026-01-26 Published:2026-06-15 Online:2026-07-14

摘要/Abstract

摘要：

为推进工业固废的高效再生利用并降低水泥基材料的碳排放，本文利用凝灰岩石粉、粉煤灰、矿渣粉和硅灰协同替代部分水泥，制备了多元复合固废胶凝体系。通过火山灰活性和强度指数测试筛选出4组具有高活性特征的配合比，并对其流动度、早后期强度（抗压/抗折强度）、自收缩及干燥收缩性能进行了系统测试。结合核磁共振、X射线衍射及扫描电镜，分析了材料的微观演变机制。试验表明，多元固废的引入虽导致早期强度略有降低，但显著改善了早期自收缩（降低了18.3%~29.7%）。然而，受早期水化进程延缓导致自由水蒸发增加的影响，体系的干燥收缩率有所增大（提高了44.0%~58.3%）。微观分析揭示：固废的掺入在早期稀释了熟料浓度，降低了反应速率，有利于减小自收缩；但在干燥环境中，较慢的水化导致自由水散失增加，从而增大了干燥收缩。随着龄期延长，多元固废参与二次水化，生成的凝胶产物填充了内部缺陷，显著提高了无害孔与少害孔比例，从而优化了整体孔隙结构。

关键词: 凝灰岩石粉, 工业固废, 干燥收缩, 自收缩, 力学性能, 固废利用

Abstract:

To promote the efficient recycling of industrial solid waste and reduce carbon emissions of cement-based materials， this paper utilized tuff powder， fly ash， slag powder， and silica fume to synergistically replace part of cement， preparing a novel multi-component composite solid-waste cementitious material. Four groups of high-activity mix proportion were optimized through pozzolanic activity and strength index tests. Their fluidity， early and late strength （compressive/flexural strength）， autogenous shrinkage， and drying shrinkage performance were systematically tested. Combined with nuclear magnetic resonance （NMR）， X-ray diffraction （XRD）， and scanning electron microscopy （SEM） techniques， the micro-evolution mechanisms of the materials were deeply analyzed.Tests indicate that the introduction of multi-component solid wastes， while causing a slight reduction in early strength， significantly improves early autogenous shrinkage （reduced by 18.3% to 29.7%）. However， due to the increase of free water evaporation caused by the delay of early hydration process， the drying shrinkage of the system increases （increased by 44.0% to 58.3%）.Microscopic analysis reveals that the incorporation of solid waste dilutes clinker concentration in the early stage and retards reaction rates， which is conducive to reducing autogenous shrinkage. However， in drying environments， slower hydration leads to increased free water loss， thereby increasing drying shrinkage. With the extension of curing age， multi-component solid wastes participate in secondary hydration. The generated gel products fill internal defects and significantly increase the proportion of harmless and less harmful pores， thereby optimizing the overall pore structure.

Key words: tuff powder, drying shrinkage, industrial solid waste, autogenous shrinkage, mechanical property, solid waste utilization

中图分类号:

TU526

程坤阳, 刘晓林, 冯元, 王彦鹏, 张蕊, 于本田. 多元复合固废胶凝体系的力学性能与收缩特性[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(6): 2041-2051.

CHENG Kunyang, LIU Xiaolin, FENG Yuan, WANG Yanpeng, ZHANG Rui, YU Bentian. Mechanical Properties and Shrinkage Properties of Multi-Component Composite Solid Waste Cementitious Materials[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(6): 2041-2051.

图/表 17

表1 水泥和固废的主要化学组成

Table 1 Main chemical composition of cement and solid wastes

Material	Mass fraction/%
Material	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	Na₂O	K₂O	SO₃	LOI
Cement	26.03	8.22	3.73	54.42	1.63	0.57	1.03	3.61	1.32
Tuff powder	47.40	18.60	12.30	12.20	4.88	1.47	1.19	0.02	5.71
Slag powder	35.47	15.34	0.45	35.38	8.34	0.67	0.34	2.31	0.70
Fly ash	51.45	29.51	5.54	5.34	1.37	1.59	2.01	0.69	4.30
Silica fume	94.25	0.93	1.06	0.77	0.74	0.44	1.24	0.26	2.98

图1 水泥与固废的粒径分布特征

Fig.1 Particle size distribution characteristics of cement and solid wastes

图2 水泥和固废的累积粒径分布曲线

Fig.2 Cumulative particle size distribution curves of cement and solid wastes

表2 火山灰活性试验配合比

Table 2 Mix proportion for pozzolanic activity test

No.	Mass fraction/%					Distilled water volume/mL
No.	Cement	Tuff powder	Slag powder	Fly ash	Silica fume	Distilled water volume/mL
C70T15G10F5	70	15	10	5	—	100
C70T15G10S5	70	15	10	—	5	100
C70T15F10S5	70	15	—	10	5	100
C70T20F5S5	70	20	—	5	5	100
C70T20G5S5	70	20	5	—	5	100
C70T5G5F10S10	70	5	5	10	10	100
C70T5G10F10S5	70	5	10	10	5	100
C70T10G5F5S10	70	10	5	5	10	100

表3 水泥砂浆的配合比及其28 d强度活性指数

Table 3 Cement mortar mix proportion and 28 d strength activity index

No.	Mass fraction/%					Activity index/%
No.	Cement	Tuff powder	Slag powder	Fly ash	Silica fume	Activity index/%
C100	100	—	—	—	—	100
C70T15G10F5	70	15	10	5	—	83
C70T15G10S5	70	15	10	—	5	94
C70T15F10S5	70	15	—	10	5	89
C70T20F5S5	70	20	—	5	5	82
C70T20G5S5	70	20	5	—	5	93
C70T5G5F10S10	70	5	5	10	10	106
C70T5G10F10S5	70	5	10	10	5	108
C70T10G5F5S10	70	10	5	5	10	100

图3 多元复合固废胶凝体系的火山灰活性

Fig.3 Pozzolanic activity of multi-component composite solid waste cementitious materials

图4 多元复合固废胶凝体系的流动性

Fig.4 Fluidity of multi-component composite solid waste cementitious materials

图5 多元复合固废胶凝体系的力学强度

Fig.5 Mechanical strength of multi-component composite solid waste cementitious materials

图6 多元复合固废胶凝体系的早期自收缩

Fig.6 Early autogenous shrinkage of multi-component composite solid waste cementitious materials

图7 多元复合固废胶凝体系的干燥收缩

Fig.7 Drying shrinkage of multi-component composite solid waste cementitious materials

图8 基于NMR技术的多元复合固废胶凝体系早期（3 d）孔隙结构特征

Fig.8 Pore structure characteristics of multi-component composite solid waste cementitious materials at early-age （3 d） via NMR technology

图9 基于NMR技术的多元复合固废胶凝体系28 d龄期的孔隙结构特征

Fig.9 Pore structure characteristics of multi-component composite solid waste cementitious materials at age of 28 d via NMR technology

图10 多元复合固废胶凝体系（3 d）的孔径分布

Fig.10 Pore size distribution of multi-component composite solid waste cementitious materials （3 d）

图11 多元复合固废胶凝体系材料（28 d）的孔径分布

Fig.11 Pore size distribution of multi-component composite solid waste cementitious materials （28 d）

图12 多元复合固废胶凝体系（3 d）的XRD谱

Fig.12 XRD patterns of multi-component composite solid waste cementitious materials （3 d）

图13 多元复合固废胶凝体系（28 d）的XRD谱

Fig.13 XRD patterns of multi-component composite solid waste cementitious materials （28 d）

图14 多元复合固废胶凝体系的SEM照片

Fig.14 SEM images of multi-component composite solid waste cementitious materials

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多元复合固废胶凝体系的力学性能与收缩特性

Mechanical Properties and Shrinkage Properties of Multi-Component Composite Solid Waste Cementitious Materials

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