氧化石墨烯-粉煤灰杂化材料对胶结尾矿充填体性能增强与环境影响的协同机制研究

针对胶结尾矿充填体(CWRB)中水泥用量高导致的成本与CO2排放问题，中国矿业大学团队通过引入0.0078%工业氧化石墨烯(GO)与3.25%粉煤灰(FA)协同优化，实现孔隙率降低24.4%、抗压强度提升53.6%，单位强度CO2减排48%。该研究为绿色矿山建设提供了微观结构调控与宏观性能协同强化的新范式。

　　

在矿山开采过程中，巨大的采空区如同潜伏的地质"定时炸弹"，随时可能引发地层变形甚至灾难性塌陷。与此同时，堆积如山的废石（如煤矸石）不仅侵占宝贵土地资源，其渗滤液还会污染周边环境。传统胶结尾矿充填体(Cemented Waste Rock Backfill, CWRB)虽能部分解决这些问题，但过度依赖水泥作为胶凝材料导致两个致命伤：一是高昂成本制约大规模应用，二是水泥生产过程中每吨释放约0.9吨CO₂，与绿色矿山理念背道而驰。更棘手的是，单纯减少水泥用量会显著削弱充填体的力学性能和抗渗性，形成"环保-性能"的死循环。

中国矿业大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向二维纳米材料氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)与工业固废粉煤灰(Fly Ash, FA)的协同效应。通过仅用0.0078% GO和3.25% FA替代部分水泥，成功制备出含74%废石的强化型CWRB材料。这项发表于《Environmental Research》的研究，首次系统揭示了GO-FA杂化体系从微观结构调控到宏观性能增强的多尺度作用机制。

研究采用金属侵入法结合背散射电子成像(BSE)实现1-100μm孔隙的精准表征，开发MATLAB程序定量解析孔隙形貌；通过数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术捕捉破坏应变场演变；结合生命周期评价(Life Cycle Assessment, LCA)进行"摇篮到大门"环境成本核算。

【微观结构修改特征】章节显示，GO使水泥基体孔隙率降低24.4%，26.7%的孔隙发生细化，孔径分布更集中。BSE图像揭示GO通过两种机制优化结构：一是作为纳米骨架桥接微裂缝，其1.0 TPa的抗拉强度有效分散应力；二是表面丰富含氧官能团促进水化产物异相成核，形成更致密的C-S-H凝胶（水化硅酸钙）。

【宏观性能增强】部分证实，GO-FA体系使抗拉/压强度分别提升25.7%和53.6%。DIC分析的破坏应变场显示，材料破坏模式从脆性断裂转为多裂纹扩展，分形维数最大增加19.6%。抗渗性改善最为显著，气体渗透系数降低1个数量级，这与孔隙连通性下降直接相关。

【环境经济评估】给出震撼数据：每MPa强度对应的成本下降24.3%，CO₂排放和能耗分别减少48%与47%。这主要得益于三方面：①水泥用量减少直接降低环境负荷；②GO增强效应抵消FA替代的强度损失；③材料寿命延长带来全周期效益。

讨论部分强调，该研究突破传统"性能-环保"权衡困局，建立GO-FA协同的四重作用范式：纳米增强（Nano-reinforcement）、孔隙细化（Pore-refinement）、水化调控（Hydration-modulation）和固废增值（Waste-valorization）。研究团队特别指出，采用的工业级GO成本仅为实验室纯品的1/20，通过粉煤灰表面预修饰解决分散难题，具备大规模应用潜力。

这项研究不仅为CWRB材料提供革命性优化方案，更开创了纳米材料协同工业固废在土木工程中应用的新模式。其提出的"单位强度环境成本"评价指标，为绿色建材研发树立了新标杆。随着中国"双碳"战略深入推进，这种"纳米技术+固废利用"的交叉创新思路，或将成为传统基建行业低碳转型的关键突破口。