纤维素纳米纤维与单宁酸协同实现深部地热环境高性能注浆材料

本研究发现纤维素纳米纤维（CNFs）与单宁酸（TA）通过构建氢键网络，在深部地热环境（40-80°C）下显著提升注浆材料性能。该协同作用使初始流动性提高50%（达252 mm），7天抗压强度提升19.24%（达31.5 MPa），并通过调控水化产物定向分布形成梯度致密化结构，为高温高压地下工程提供了创新材料解决方案。

　　

Highlight

纤维素纳米纤维与单宁酸协同作用，通过构建氢键网络显著抑制高温引起的性能劣化。这种网络结构将水化产物定向调控至1微米孔隙中，形成梯度致密化结构，使注浆材料在深部地热环境下实现高性能表现。

Section snippets

Material

采用普通波特兰水泥（P.O 42.5）、低钙粉煤灰（CaO <8%）和高纯度硅灰（SiO₂ >96%）作为复合粘结体系制备注浆材料。通过X射线荧光光谱分析其化学成分（详见表1）。纤维素纳米纤维和单宁酸作为改性剂加入体系，其中纤维素纳米纤维展现出显著的表面和界面特性。

Fluidity

养护温度和掺量对注浆材料性能的影响如图2(a)(b)所示。结果表明，虽然单独使用纤维素纳米纤维能显著改善流动性保持能力，但其初始流动性低于工程应用标准，因此需要辅助添加剂来改善早期流动性。通过官能团性能和成本效益的综合评估，最终选择单宁酸作为优化添加剂。

Zeta potential test

图11显示了不同单宁酸和纤维素纳米纤维掺量下溶液Zeta电位的变化。与参照组（-24.6 mV）相比，0.10%纤维素纳米纤维组的Zeta电位达到-31.4 mV，提升了27.64%。这表明单宁酸的加入增强了颗粒间的静电排斥作用，促进纤维素纳米纤维分散，提高溶液稳定性。

Conclusion

本研究探讨了单宁酸和纤维素纳米纤维对地质聚合物-水泥复合浆液的改性效果。我们通过流动性测试、凝结时间测定等综合分析，系统研究了不同掺量的单宁酸和纤维素纳米纤维在不同养护温度（20°C、40°C、60°C、80°C）和养护龄期（3、7、14天）下对水泥注浆材料工作性、抗压强度等性能的影响。