基于苏打残渣和粉煤灰的地质聚合物填充浆体的物理和机械性能及其微观机制

《Powder Technology》：Physical and mechanical properties and microscopic mechanisms of soda residue-fly ash-based geopolymer filling paste

钠灰渣与粉煤灰协同制备的地聚物充填材料（SFGFP）通过优化配比、粒度、碱浓度及液固比，显著提升工作性及力学性能，微观分析显示C-S-H和C(N)-A-S-H凝胶共同增强强度，70%钠灰渣+30%粉煤灰配比最优，兼具环保效益与经济效益。

　　在当今社会，随着矿产资源的不断开采，煤矿开采过程中产生的“采空区”（goaf）成为了一个不容忽视的问题。采空区不仅占用了大量土地，还可能引发地质灾害，如塌陷、地表沉降等，严重威胁着矿区的安全和生态环境。同时，随着工业化进程的加快，大量工业固体废弃物的产生也给环境带来了巨大压力。如何有效利用这些固体废弃物，同时解决采空区的地质风险，成为当前研究的重要方向。

为了实现资源的高效利用和矿区的安全发展，研究人员探索了以工业固体废弃物为基础的地质聚合物（geopolymer）作为采空区填充材料的可行性。地质聚合物是一种以硅铝为主要成分的新型材料，其反应机制独特，主要涉及溶解、解聚和聚合三个阶段。与传统水泥材料相比，地质聚合物不仅具有良好的工作性能和高强度，还能在反应过程中显著降低碳排放，符合可持续发展的理念。此外，地质聚合物在生产过程中能够有效替代水泥，从而减少能源消耗和环境污染。

本研究中，采用了两种常见的工业固体废弃物——碳酸钠渣（soda residue, SR）和粉煤灰（fly ash, FA）作为地质聚合物的前驱体，并使用水玻璃（sodium silicate, SS）作为碱性活化剂，制备了一种基于碳酸钠渣和粉煤灰的地质聚合物填充浆体（soda residue-fly ash-based geopolymer filling paste, SFGFP）。通过调整材料的粒径、溶液浓度以及液固比，研究了不同材料配比对SFGFP工作性能和力学性能的影响。同时，结合宏观和微观测试手段，深入探讨了不同配比下材料的综合性能及其反应机制。

研究结果表明，随着碳酸钠渣含量从60%增加到100%，SFGFP的放热量和总放热量显著提高，其较高的反应活性有效促进了早期强度的发展。而粉煤灰含量从0%增加到40%，则有助于改善浆体的流动性并延长凝结时间，同时显著增强了材料的长期强度。微观测试进一步确认了C-S-H和C(N)-A-S-H为主要的胶凝产物，这些产物相互交织，共同作用，使得材料的强度持续提升。在70%碳酸钠渣与30%粉煤灰的配比下，溶液浓度为2.5 mol/L，液固比为1.1时，SFGFP表现出最佳的工作性能和力学强度，满足填充要求。这表明，在合理的材料配比和工艺参数下，SFGFP不仅能够实现高效利用固体废弃物的目标，还能满足采空区填充的工程需求。

研究还指出，碳酸钠渣具有强碱性（pH值为10–12）和高钙含量（CaO含量为60–80%），这些特性使其在碱性活化条件下能够有效促进胶凝产物的形成，从而提升材料的早期强度。粉煤灰则富含硅和铝元素，在碱性环境下能够发生聚合反应，生成复杂的硅铝酸盐胶凝产物，为材料的结构稳定性和长期强度提供保障。因此，碳酸钠渣和粉煤灰在地质聚合物的制备过程中具有良好的协同效应，既能提供碱性环境和钙源，又能生成硅铝酸盐化合物，实现固体废弃物的高附加值利用和性能优化。

为了进一步验证SFGFP的性能优势，研究团队还进行了碳排放和成本分析。分析结果显示，与传统的水泥基填充材料（如SFCP3，由56%碳酸钠渣、14%粉煤灰和30%水泥组成）相比，SFGFP在碳排放和成本方面具有明显优势。这一结论为SFGFP在实际工程中的应用提供了理论和技术支持，同时也为工业固体废弃物的资源化利用提供了新的思路。

本研究的意义在于，它不仅探索了碳酸钠渣和粉煤灰作为前驱体的可行性，还通过系统的实验设计和分析，明确了影响SFGFP性能的关键因素。这些因素包括材料的粒径、溶液浓度和液固比，它们对浆体的流动性、凝结时间和抗压强度均产生重要影响。通过优化这些参数，研究人员能够获得性能更优的填充材料，从而更好地满足采空区填充的实际需求。

此外，本研究还强调了SFGFP在可持续发展中的重要性。传统水泥基填充材料在生产过程中需要消耗大量的水泥，这不仅增加了成本，还导致了显著的碳排放和资源浪费。而SFGFP则能够有效替代水泥，实现资源的循环利用，减少对天然资源的依赖。同时，由于其低能耗和低排放的特性，SFGFP为实现绿色矿山建设和低碳环保提供了有力的技术支撑。

从应用角度来看，SFGFP不仅能够用于采空区的填充，还可以拓展至其他工程领域，如道路建设、建筑加固等。这种材料的推广和应用有助于减少工业固体废弃物的堆积，降低环境污染风险，同时推动资源的高效利用。因此，SFGFP作为一种新型的填充材料，具有广阔的应用前景和重要的社会经济价值。

在研究方法上，本研究采用了一种系统化、多角度的分析方式。首先，通过宏观测试，评估了不同材料配比对SFGFP工作性能和力学性能的影响。随后，结合微观测试手段，如扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等，深入分析了材料的微观结构演变及其反应机制。这种综合性的研究方法不仅有助于全面了解SFGFP的性能表现，还能为后续的材料优化和工程应用提供科学依据。

总体而言，本研究为工业固体废弃物的资源化利用提供了新的途径，同时也为采空区的治理和安全开发提供了可行的解决方案。通过合理选择材料配比和工艺参数，研究人员能够制备出性能优异、环境友好的填充材料，从而实现经济效益与环境效益的双赢。未来，随着相关技术的进一步完善和推广，SFGFP有望成为一种广泛应用的新型填充材料，为矿山工程和环境保护做出更大贡献。