摘要
碱渣、电石渣、铁尾矿等固废是亟需处理的大宗工业固废。目前，根据各种固废的理化特性研发制备新型碱激发胶凝材料、混凝土是建材行业绿色、低碳和可持续的重要发展方向。固废基新型胶凝材料的力学特性与强度形成机理、固废混凝土的力学性能发展规律与本构关系是固废建材进一步工程应用亟需解决的关键科学问题。本研究通过组分优化设计使碱性固废碱渣、电石渣形成协同激发效应，替代强碱激发矿渣-粉煤灰制备了新型胶凝材料，并从养护方式优化上主动调控微结构，实现了早期力学性能的大幅提升；进一步结合普通骨料和铁尾矿固废骨料制备了两类低碳混凝土，系统研究了其力学性能发展规律和本构关系。 开发了碱渣-电石渣协同激发矿渣-粉煤灰新型胶凝体系，结合宏观物理力学性能测试与微观结构分析，构建了微观水化模型，揭示了强度形成机理。结果表明：新型胶凝体系28天强度为17.5~43.2MPa。碱渣、电石渣协同营造的碱性环境促进了前躯体中钙、硅、铝等活性组分的分解，并与碱渣、电石渣额外提供的Cl-、CO32-、Ca2+结合，协同促进了水化产物C-(A)-S-H凝胶、水化氯铝酸钙、Hydrotalcite晶体的生成。凝胶与晶体产物互相夹杂，共同形成硬化结构骨架，构成强度来源。 研究了制备工艺与养护方式对新型胶凝体系力学性能的影响，结合微观分析揭示了影响机理。结果表明：碱渣、电石渣的湿基利用方式可以显著促进水化反应，提高力学性能，而粉末利用方式在烘干、粉磨过程中，会引起OH-碳化，导致激发作用减弱。最优养护方式为60~75℃@12h，可加速早期水化反应，形成致密微结构，大幅提升早期力学性能。养护温度过高或热养护时间过长会引起微结构劣化，使基体大孔及气孔数量增多，引起后期强度下降。 结合普通砂石与铁尾矿两类骨料，制备了两类混凝土，系统研究了多因素影响下的单轴抗压、抗拉、抗折等基本力学性能与单轴受压本构关系。结果表明：新型混凝土具有比同等级水泥混凝土（PCC）更大的拉压比和折压比，即抗拉、抗折性能更优异。基于统计分析方法，分别建立了标准抗压、轴心抗压、抗拉和抗折强度的预测模型。单轴压缩下，新型混凝土具有比PCC更低的弹性模量、更长的塑性段和更大的峰值应变。峰值应力后下降段相比PCC更陡峭，脆性更强。基于过镇海经典本构模型，通过统计分析建立了两类混凝土的单轴受压本构关系。 考虑多级围压，研究了两类混凝土在三轴压缩下的破坏特征与本构关系。结果表明：围压能显著提高力学性能，但提高幅度低于同等级的PCC。同时，围压能显著提高塑性变形能力并改善峰值后的脆性。基于统计分析分别建立了峰值应力、峰值应变、弹性模量等关键参数与围压的定性定量关系。基于双参数Mohr-Coulomb破坏准则和多参数破坏准则，分别提出了改进的幂函数形式的Mohr-Coulomb破坏准则表达式和抛物线形式的压子午线破坏准则方程。基于过镇海经典本构模型，通过统计回归分别建立了上升段参数、下降段参数与相对围压的定性定量关系，进而建立了三轴受压本构关系。
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