基于活化煤矸石的灌浆材料的孔结构演变及其力学性能研究

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Study on the pore structure evolution and mechanical properties of activated coal gangue-based grouting

煤矸石高温活化制备的灌浆材料孔隙结构与力学性能协同机制研究。通过200-1000°C活化及5-30%掺量浆体制备，发现600°C活化、15%掺量的样品抗压强度最优，形成致密C-A-S-H凝胶并优化孔隙结构。多尺度表征揭示孔隙连通性、比表面积与活性成分对力学性能的协同影响，为固废资源化应用提供理论依据。

　　研究团队Yuhang Li、Qiang Sun、Jishi Geng、Xinchao Zheng和Pei Li来自西安科技大学地质与环境学院，研究重点在于探讨使用活化煤矸石制备的注浆石体的孔隙结构和力学响应特性。这项研究对于实现资源的高效利用以及环境保护具有重要意义。研究中采用了不同温度（200–1000 °C）对煤矸石粉末进行活化和煅烧处理，并配制了不同掺量（5–30%）的注浆浆液。通过机械性能测试、声发射响应分析、氮吸附分析、扫描电子显微镜和低场核磁共振等手段，系统地研究了注浆石体的力学性能、声发射响应以及孔隙结构的变化情况。

研究发现，随着煅烧温度的升高，煤矸石中的高岭石逐渐分解为活性的二氧化硅和氧化铝，这为提升注浆石体的比表面积和力学性能提供了关键基础。同时，研究还发现浆液的流动性与煤矸石的掺量呈负相关，即随着煤矸石含量的增加，浆液的流动性会下降。相比之下，未活化的煤矸石由于其较低的活性，会抑制水泥的水化反应，从而导致注浆石体的抗压强度低于纯水泥浆液。当煤矸石在600°C煅烧后，掺量为15%的样品表现出最高的强度，这是由于活性成分形成了致密的C-A-S-H凝胶，并优化了孔隙结构。

通过多尺度表征技术，研究揭示了煅烧、孔隙结构和力学性能之间的协同机制。这不仅有助于理解注浆材料内部的结构演变，还为实现煤矸石的高效利用和固体废弃物的循环利用提供了科学依据。同时，这些成果也为注浆材料的性能优化提供了实验基础，有助于推动绿色采矿技术的发展。

煤矸石作为煤炭开采过程中的常见副产品，长期以来一直是采矿废弃物的主要组成部分。在煤炭资源丰富的地区，煤矸石的堆积不仅占用大量土地，还可能引发一系列地质和环境问题，如地质灾害、土地退化以及地下水污染。这些问题主要源于煤矸石中重金属的释放。因此，如何有效处理和利用煤矸石成为当前研究的重点。注浆技术作为一种重要的工程手段，广泛应用于煤矿开采中，主要用于封水、补给渗流和结构加固。然而，传统的注浆材料如水泥和化学注浆剂虽然效果显著，但存在成本高、环境污染等问题。因此，寻找一种既环保又经济的注浆材料成为研究的方向。

在此背景下，研究团队提出将活化煤矸石作为注浆材料的一部分，以期在提升材料性能的同时，减少对环境的影响。研究发现，煤矸石在常温下的反应性较低，导致其水化反应缓慢，胶凝效果不明显。因此，需要通过不同的活化方法，如热活化、机械活化、微波活化和复合活化等，提高其活性。活化后的煤矸石作为注浆材料，主要影响注浆石体的物理性能，特别是其抗压强度。例如，一些研究已经表明，活化后的煤矸石粉末可以显著增强水泥基材料的抗压强度和氯离子渗透阻力。此外，扫描电子显微镜的分析结果也显示，活化后的煤矸石能够改善水泥基材料的耐久性和力学性能。

然而，目前的研究多集中于煤矸石活化效率和基础物理性能的分析，而对于注浆石体在活化过程中孔隙结构的变化机制及其对材料性能的影响仍缺乏深入探讨。因此，本研究采用多尺度表征技术，包括氮吸附、扫描电子显微镜和低场核磁共振等，对注浆材料的微观结构和宏观力学响应进行综合分析。通过这些手段，研究实现了从纳米尺度的相变到宏观力学响应的全面表征，从而解决了之前研究中提到的孔隙结构变化对注浆材料性能影响的问题。

研究还发现，在不同的煅烧温度和掺量条件下，注浆石体的孔隙结构和力学性能呈现出不同的变化趋势。例如，在较低温度（25–400°C）下，氮吸附和脱附曲线完全重叠，没有明显的滞后环，表明孔隙结构主要由微孔构成，孔隙连通性较差，导致吸附-脱附滞后现象不显著。而在较高温度（600–1000°C）下，氮吸附和脱附曲线出现了明显的滞后环，这表明孔隙结构发生了显著变化，微孔逐渐减少，而中孔和大孔的比例增加。这种孔隙结构的变化不仅影响了注浆石体的物理性能，还可能对其力学性能产生重要影响。

此外，研究还发现，当煤矸石的掺量达到一定比例时，其对注浆石体的性能提升效果最为显著。例如，在掺量为15%的情况下，经过600°C煅烧的样品表现出最佳的力学性能。这可能是由于在这一掺量和煅烧条件下，活性成分能够更有效地形成致密的C-A-S-H凝胶，从而改善注浆石体的结构。同时，研究还发现，随着煅烧温度的升高，注浆石体的抗压强度先增加后减少，这表明存在一个最佳的煅烧温度范围，以实现材料性能的最大化。

在材料和测试设备方面，研究采用的是普通硅酸盐水泥（P·O 42.5），煤矸石则来源于东义市大峪沟煤矿。研究中使用的测试设备包括DS5-8B声发射测试系统，该系统具有8个通道，输入信号范围为100 dB（±10 V），电源电压为交流380/220 V，探头为RS-2A，频率响应范围为60–400 kHz。这些设备为研究提供了准确的数据支持，有助于分析注浆材料的性能变化。

在讨论部分，研究团队进一步分析了不同煅烧温度和掺量对注浆石体孔隙结构和力学性能的影响。根据IUPAC提出的孔隙划分标准，孔隙结构可以分为三类：微孔（< 2 nm）、中孔（2–50 nm）和大孔（> 50 nm）。研究发现，在较低温度下，注浆石体的孔隙结构主要由微孔构成，孔隙连通性较差，导致吸附-脱附滞后现象不显著。而在较高温度下，孔隙结构发生了显著变化，微孔减少，中孔和大孔的比例增加，这表明材料的微观结构发生了改变。这种改变可能影响了注浆石体的物理性能，如密度、强度和流动性。

此外，研究还发现，当煤矸石的掺量增加时，注浆石体的抗压强度先增加后减少，这表明存在一个最佳掺量范围。在这一范围内，煤矸石的活性成分能够更有效地形成致密的C-A-S-H凝胶，从而改善注浆石体的结构。同时，研究还发现，随着煅烧温度的升高，注浆石体的抗压强度先增加后减少，这表明存在一个最佳煅烧温度范围。在这一温度范围内，煤矸石的活性成分能够更有效地形成致密的C-A-S-H凝胶，从而提升注浆石体的力学性能。

研究还提到，活化后的煤矸石可以作为水泥基材料的替代品，以减少水泥的使用量，同时提高注浆石体的性能。例如，有研究显示，机械活化后的煤矸石粉末可以作为硅藻土的替代品，用于改善水泥基材料的性能。此外，研究还发现，随着煤矸石掺量的增加，其对注浆石体的性能提升效果逐渐增强，但在一定剂量后，其对注浆石体的性能影响趋于平衡。这表明，煤矸石的掺量和煅烧温度需要在一定范围内进行优化，以实现最佳的注浆性能。

通过多尺度表征技术，研究团队不仅揭示了注浆材料内部的结构演变，还分析了其与力学性能之间的内在关联机制。研究结果表明，煤矸石的活化过程对注浆材料的性能提升具有重要影响，而这一影响可以通过孔隙结构的变化来体现。因此，理解注浆材料在活化过程中的孔隙结构变化机制，有助于进一步优化注浆材料的性能，提高其在实际工程中的应用价值。

研究还指出，当前关于煤矸石基注浆材料的研究多集中于其活化效率和基础物理性能，而对注浆材料内部孔隙结构变化的动态机制及其对材料性能的影响仍缺乏系统研究。因此，本研究采用多尺度表征技术，对注浆材料的微观结构和宏观力学响应进行了综合分析，从而解决了之前研究中提到的孔隙结构变化对注浆材料性能影响的问题。研究还分析了孔隙结构特性与力学性能之间的内在关联机制，并探讨了在最佳活化条件下如何改善材料性能的微观机制。

此外，研究还提到，未来的研究应进一步发展多尺度原位表征技术，以更清晰地揭示注浆材料内部孔隙结构的演变机制。同时，研究还建议推动多手段复合活化工艺，以优化浆液性能，从而实现煤矸石的高效利用和绿色采矿实践。这些研究措施不仅有助于提高注浆材料的性能，还能够推动其在实际工程中的大规模应用。

研究的结论部分指出，本研究通过分析不同煅烧温度和掺量对注浆材料的物理性能和微观结构的影响，揭示了煤矸石活化对注浆性能的提升机制。研究发现，煅烧温度和掺量对注浆材料的性能具有重要影响，而最佳的煅烧温度和掺量能够显著提高注浆材料的强度和性能。同时，研究还发现，随着煅烧温度的升高，注浆材料的孔隙结构发生了显著变化，微孔减少，中孔和大孔的比例增加，这表明材料的微观结构发生了改变。这种改变可能影响了注浆材料的物理性能，如密度、强度和流动性。

此外，研究还指出，注浆材料的性能提升不仅依赖于煅烧温度和掺量的优化，还与活化方法的选择密切相关。例如，机械活化、热活化和微波活化等不同方法对煤矸石的活性影响不同，进而影响注浆材料的性能。因此，选择合适的活化方法对于提高注浆材料的性能具有重要意义。

综上所述，本研究通过多尺度表征技术，对注浆材料的性能进行了系统分析，揭示了煤矸石活化对注浆材料性能的提升机制。研究结果不仅为注浆材料的性能优化提供了科学依据，还为实现煤矸石的高效利用和固体废弃物的循环利用提供了实验基础。同时，研究还强调了未来研究应进一步发展多尺度原位表征技术，以更清晰地揭示注浆材料内部孔隙结构的演变机制，并推动多手段复合活化工艺的应用，以优化浆液性能，提高注浆材料在实际工程中的应用价值。