在潮湿气候条件下，基于铜矿废料的毛细屏障用于控制酸性矿井排水时的水化学性能

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Hydro-chemical performance of copper mine waste-based capillary barriers for acid mine drainage control in humid climates

轻质土壤基发泡混凝土的毛细吸水动力学与长期力学性能研究。通过系统测试发现其吸水过程分为快速渗透（A1）、基质主导吸收（A2）和扩散控制（A3）三阶段，A1与泡沫体积分数、土壤质量分数、飞灰掺量正相关，与水固比负相关。长期吸水导致抗压强度（UCS）和弹性模量（E50）显著下降，降幅达80%以上，但高土壤或飞灰配比可通过孔隙结构优化部分缓解劣化。微观分析揭示水侵入引发三阶段劣化：孔隙连通性改变→基质溶胀→孔隙率增加与裂纹扩展。研究成果为潮湿环境下的LSFC耐久性设计提供了关键参数与机制依据。

　　
本研究针对轻质土壤基发泡混凝土（LSFC）在潮湿环境中的长期性能展开系统性分析，重点探究毛细水吸收行为与力学性能演变的耦合机制。研究通过调整泡沫体积分数、土壤质量分数、粉煤灰掺量及水固比四个关键参数，结合吸水动力学测试、单轴抗压强度评估及微观表征技术，揭示了材料在长期水浸环境下的性能劣化规律与作用机理。

### 一、研究背景与意义
随着城市地下空间开发的加速，工程中产生的建筑垃圾处理成为重要课题。轻质土壤基发泡混凝土因其低密度（800-1200 kg/m3）、抗震性好、可利用废弃物（土壤、水泥、粉煤灰）等特性，被视为环保建材的优选方案。然而，此类材料在反复潮湿环境下的长期稳定性问题尚未得到充分解决。现有研究多聚焦于干态或短期水浸条件下的性能，对毛细水渗透引发的微观结构演变与力学性能衰减的动态关系缺乏深入解析。本研究通过构建多参数变量体系，首次系统揭示了LSFC吸水过程中的三阶段动力学特征及其对力学性能的调控机制，为工程应用提供了理论支撑。

### 二、实验设计与研究方法
研究采用12组不同配比的LSFC试样（表2），通过调整泡沫体积分数（40%-60%）、土壤质量分数（25%-50%）、粉煤灰掺量（10%-40%）及水固比（0.47-0.60），模拟典型工程场景。实验流程包含三个核心环节：
1. **毛细吸水测试**：采用ASTM标准装置（图2b），在恒温（25±2℃）条件下监测84组试样吸水过程，直至达到动态平衡（约8天）。通过质量变化率计算三个吸水阶段系数（A1-A3），并关联扩散系数Dj；
2. **力学性能评估**：测试吸水前后试样的单轴抗压强度（UCS）及变形模量（E50），引入吸水强度衰减指数（ASA）量化性能损失；
3. **微观结构表征**：结合SEM观察孔隙结构演变，XRD分析水化产物成分变化，TG-DSC研究热行为差异。

### 三、关键研究发现
#### （一）毛细吸水动力学特征
1. **三阶段吸水模型**（图3-6）
- **初始渗透阶段（A1）**：由泡沫孔隙与基质孔隙协同作用主导，吸水系数A1随泡沫体积分数提升而显著增加（40%→60%时A1从0.654增至1.034 mm3/mm2·min），土壤质量分数每增加5%使A1提升约2.0倍，粉煤灰掺量达30%时A1达到峰值（3.24 mm3/mm2·min）。水固比降低至0.47时，A1提升87.6%，表明材料孔隙连通性改善。
- **基质主导阶段（A2）**：吸水系数A2受基质孔隙分布影响，土壤质量分数每提升5%使A2增加约8%，但泡沫体积分数变化对A2影响小于3%。粉煤灰掺量超过30%时，A2出现下降趋势，揭示超量掺灰导致的孔隙填充效应。
- **扩散控制阶段（A3）**：吸水速率呈指数衰减，扩散系数Dj与A2呈强正相关（R2=0.92）。水固比降低使Dj提升2.3倍，表明孔隙连通性改善促进水分子扩散。

2. **关键参数影响规律**
- **泡沫体积分数**：每增加10%泡沫体积分数，吸水总量下降约5.2%，但初始吸水速率提升17%，表明泡沫孔隙在快速渗透阶段起关键作用。
- **土壤质量分数**：25%→50%范围内，总吸水量增加79.2%，但高土壤比例（>40%）使吸水速率下降，揭示土壤颗粒对孔隙结构的双重影响。
- **粉煤灰掺量**：10%→40%阶段，A1呈现先升后降趋势，最优掺量（30%）时A1达最大值（3.24 mm3/mm2·min），总吸水量较基准提升42.6%。
- **水固比**：0.47→0.60范围内，A1线性提升（相关系数0.93），但总吸水量下降28.3%，表明高水固比虽加速初期吸水，却抑制后续渗透。

#### （二）力学性能演变机制
1. **抗压强度衰减规律**（图7）
- 干态条件下，UCS与泡沫体积分数呈负相关（R2=0.967），土壤质量分数每增加5%使UCS下降8.7%。粉煤灰掺量达30%时，UCS提升峰值（较基准增加17.4%），但过量掺灰（>30%）导致UCS下降。
- 吸水后UCS普遍下降，降幅最大达89.5%（泡沫60%→40%），但高土壤比例（50%）试样UCS仅下降21.3%，揭示孔隙结构对耐久性的关键作用。

2. **变形模量动态变化**（图12）
- 干态条件下，E50与UCS呈线性关系（E50=115UCS，R2=0.945），但高泡沫含量（60%）时E50下降至32.7 MPa，仅为基准值的17.3%。
- 吸水后E50与UCS关系变为E50=81UCS（R2=0.893），其中泡沫含量40%试样吸水后E50提升至45.7 MPa，较干态增加40.2%，表明吸水诱导的延迟排水效应可部分补偿强度损失。

3. **应力-应变行为转变**（图13-14）
- 泡沫含量40%试样呈现典型脆性破坏特征（应变软化），而60%泡沫试样在吸水后仍保持韧性（应变硬化），强度损失率降低至12.3%。
- 粉煤灰掺量30%试样吸水后应力-应变曲线由应变软化转向硬化，强度衰减率从28.3%降至9.7%，归因于粉煤灰激发的C-S-H凝胶微结构对吸水的缓冲作用。

#### （三）微观结构演变规律
1. **孔隙结构动态变化**（图8）
- 吸水后等效孔径均值从151.1μm降至146.2μm，孔隙圆度系数从0.78增至0.82，表明水分子渗透导致孔隙形态重构，但总体孔隙率变化小于5%。
- XRD分析显示水化产物中Ca(OH)?含量减少18.3%，C-S-H凝胶比例提升至76.4%，表明吸水促进水泥水化产物转化，形成更致密的微观结构。

2. **水-孔隙耦合作用机制**
- **阶段1（0-8天）**：水通过毛细力在泡沫孔隙（>50μm）与基质孔隙（<10μm）间形成双重渗透路径，导致初始吸水速率达峰值（A1=1.034 mm3/mm2·min）。
- **阶段2（8-120天）**：基质孔隙中黏土矿物吸水膨胀（体积增加12-15%），导致孔隙连通性优化，A2值稳定在0.46-0.59 mm3/mm2·min。
- **阶段3（>120天）**：孔隙溶液离子强度降低引发水化产物溶解（Ca(OH)?损失率达24.3%），同时未闭合泡沫孔隙（>80μm）形成贯通通道，使A3值以日均为基准下降18.7%。

#### （四）耐久性调控机制
1. **孔隙结构优化策略**
- 控制泡沫体积分数在50%-60%，配合土壤质量分数≥40%，可使毛细吸水总量降低至基准值的68%，同时保持E50≥45 MPa。
- 粉煤灰掺量建议控制在20%-35%，该区间内UCS衰减率可控制在15%以内，且E50提升幅度达12%-18%。

2. **水固比平衡技术**
- 当水固比从0.60降至0.50时，A1值提升32.7%，但总吸水量减少19.4%。建议采用真空振动工艺，在保持材料工作性的前提下将水固比降低至0.48以下。

3. **微观结构协同效应**
- 泡沫孔隙（50-200μm）与基质孔隙（<10μm）形成级配结构，可使扩散系数Dj降低至0.023 mm2/min（粉煤灰30%时），较基准下降41.2%。
- XRD与TG-DSC联用显示，吸水后C-S-H凝胶含量增加23.6%，其三维网络结构可提升抗渗能力达2.8倍。

### 四、工程应用建议
1. **配比优化方案**
- 推荐基础配比：泡沫体积分数55%±5%、土壤质量分数40%±3%、粉煤灰掺量30%±2%、水固比0.52±0.03。
- 该配比下UCS可达1.12 MPa，吸水后强度保持率≥85%，E50≥48 MPa。

2. **施工控制要点**
- 泡沫发泡时间应控制在90±10秒内，确保泡沫均匀分散（图9b显示发泡时间与孔隙分布相关性R2=0.91）。
- 浇筑后应立即覆盖塑料薄膜，控制环境湿度≤85%，并避免温度波动超过±5℃/h。

3. **长期监测体系**
- 建议每6个月进行毛细吸水速率检测，当A3值连续三次超过0.15 mm3/mm2·min时，需启动表面涂层处理（渗透系数<10?? m/s）。
- 推荐采用阻抗式传感器（检测精度±1%），在吸水速率峰值期（0-30天）进行每周监测。

### 五、理论创新点
1. **建立吸水动力学三阶段模型**：首次将毛细吸水过程解构为初始渗透（A1）、基质主导（A2）和扩散控制（A3）三阶段，揭示各阶段系数与材料参数的定量关系。
2. **揭示水-孔隙协同演化规律**：发现吸水后孔隙结构呈现"动态稳定"特征，即总孔隙率变化<5%但孔隙连通性提升23.6%，为耐久性设计提供新理论依据。
3. **提出力学性能双调控机制**：干态条件下，C-S-H凝胶强度主导（应变软化）；吸水后，孔隙结构优化使空气-水三相界面张力提升42.7%，促进应变硬化行为。

### 六、研究局限与展望
当前研究存在以下局限：
1. 未考虑冻融循环（-15℃→15℃）对性能的影响；
2. 微观结构表征局限于28天周期，需延长至10年以上；
3. 未开展多场耦合（湿度+温度+荷载）协同作用研究。

未来研究方向建议：
1. 开发基于机器学习的材料性能预测模型，整合泡沫孔隙率（φf）、土壤比表面积（Ssa）、粉煤灰活性指数（AFA）等参数；
2. 研究碳化作用（CO?分压0.1-1.0 MPa）与毛细吸水的协同效应；
3. 探索纳米二氧化硅（5-10wt%）掺入对孔隙结构的优化作用。

本研究为轻质土壤基发泡混凝土在潮湿环境（如地下工程、海岸防护）的应用提供了关键理论支撑，建议工程实践中采用"三阶段控水技术"：初期（0-30天）重点控制A1值（<0.8 mm3/mm2·min），中期（30-90天）维持A2值稳定（0.45-0.55 mm3/mm2·min），后期（>90天）通过表面疏水涂层将A3值控制在0.12 mm3/mm2·min以下。该研究成果已应用于上海地铁14号线盾构渣土再生填筑工程，经两年监测，关键指标（UCS保持率≥92%，E50≥85%）均优于ACI 530标准要求。