复合超细水泥基注浆加固体在侵蚀性离子环境中的抗侵蚀性能研究及其微观机理分析

为解决富水软弱岩层注浆难和注浆结构在离子侵蚀下性能退化问题，研究人员开展了超细矿渣粉和硅酸钠改性超细水泥复合注浆材料的配方实验。研究开发出兼具优异可注性和抗化学侵蚀性的新型复合超细水泥注浆材料，通过宏观性能测试与微观结构表征相结合的方法，揭示了注浆固结体离子侵蚀劣化机理。该研究为开发适用于富水软弱岩层的注浆材料及高矿化度地下水环境下工程耐久性设计提供了理论依据和技术支持。

　　

在我国西部矿区广泛分布的富水软弱岩层中，隧道开挖后内部裂隙扩展贯通，岩体稳定性急剧下降，遇水易泥化砂化，采用传统水泥浆液加固效果往往不尽如人意。更严峻的是，注浆材料通常应用于含侵蚀性酸盐的高矿化度地下水环境中，长期离子侵蚀会显著削弱硬化浆体的力学性能。虽然水泥-水玻璃(C-S)浆液以其速凝和可控胶凝特性在快速封堵加固工程中扮演重要角色，超细水泥凭借其更小粒径在可注性和渗透性方面优于普通水泥，能有效解决开挖扰动下富水软弱岩层微裂隙渗透难题，但现有研究多基于单一性能指标，未能综合考虑浆液流动性与抗侵蚀性之间的协同效应，对水泥-水玻璃注浆材料差异化侵蚀路径及其对注浆加固体微孔结构影响的定量表征尚显不足。

针对富水软弱岩注浆加固难和抗离子侵蚀性能差的 core 问题，山东科技大学土木工程与建筑学院的田茂林团队在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了最新研究成果。他们通过超细矿渣粉与水泥-水玻璃协同增效，开发出复合超细水泥基注浆体系，建立了兼顾浆液稳定性、流动性和力学强度的综合配比设计方法，设计出适用于富水软弱岩注浆作业且同时具备优异抗离子侵蚀性能的新型复合超细水泥注浆材料，揭示了硫酸盐和氯离子侵蚀对新型复合超细水泥注浆加固体宏观力学性能的影响规律，结合SEM-XRD等细观分析技术阐明了两种离子诱导注浆加固体劣化机理，建立了细观结构损伤与宏观性能衰变之间的联系。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：通过正交实验设计(L₁₆(4³))优化复合浆液配比，以粘度、流动度和单轴抗压强度(UCS)为优化目标；制备注浆加固体试件并分别浸泡在不同质量分数(1%、5%、10%)的NaCl和Na₂SO₄溶液中进行侵蚀试验；采用XTDIC全场应变测量系统分析裂纹扩展行为和应变演化特征；利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)进行微观结构表征和晶体鉴定。

3.1. 正交实验结果分析

通过正交实验获得了16种不同浆液配比下的初始粘度、流动度和3天、7天、28天养护期的固化浆体单轴抗压强度。研究发现水灰比(W/C)是影响浆液性能的主导因素，浆液初始粘度随水灰比增加而逐渐降低，流动度则随水灰比增加而增加。超细矿渣粉的掺入略微增加初始粘度，但变化有限；硅酸钠用量增加会导致初始粘度逐渐上升。超细矿渣粉的掺入使石体强度呈现先缓慢后加速增长的趋势，在所有养护龄期下，20%矿渣含量时的平均强度最大。硅酸钠添加量对强度的影响呈现"先增加后减少"的趋势，2%硅酸钠用量时各龄期平均UCS最大。最终确定最优配比为水灰比0.6、20%超细矿渣粉、2%硅酸钠和1%聚羧酸减水剂。

3.2. 注浆加固体抗侵蚀试验结果分析

3.2.1. 侵蚀溶液对注浆加固体质量的影响

注浆加固体试件在两种溶液中的质量变化率均不超过0.6%。所有试件在低浓度溶液中呈现快速增加后趋于稳定的趋势，而在高浓度溶液中，质量变化率先快速增加后急剧下降。当溶液质量分数为1%时，质量变化率曲线与0%(水)组接近，此时侵蚀离子浓度较低，水泥-矿渣粉的水解反应主导于离子侵蚀反应。

3.2.2. 侵蚀溶液对注浆加固体强度的影响

侵蚀溶液中注浆加固的单轴抗压强度变化规律基本一致，强度演化通常经历三个阶段：快速增长阶段、快速下降阶段和稳定阶段。在侵蚀龄期小于28天时，注浆加固体的强度演化主要由水泥-矿渣粉的水化反应和硅酸钠的胶结反应主导，侵蚀离子在此阶段起到增强强度的作用。在28-60天侵蚀龄期期间，随着侵蚀作用加剧，注浆加固体的强度显著下降。在90天侵蚀龄期时，氯盐溶液中的注浆加固体相比侵蚀前状态保留了较高强度，而硫酸盐溶液中的强度退化更为严重。对比分析表明，硫酸盐环境中的强度劣化程度超过氯盐环境。

通过XTDIC全场应变测量系统分析发现，与水浸试件相比，硫酸盐和氯化物溶液中的注浆加固体在压实阶段应变显著增加。氯化物溶液中的应变增加主要源于Cl^-侵入溶解Ca(OH)₂，增加了结构孔隙率；硫酸盐溶液中的应变增加则归因于SO₄^2-与Ca(OH)₂反应生成膨胀性石膏，产生内部膨胀应力诱发微裂纹，松弛结构，降低材料刚度，放大应变。

3.3. 注浆加固体的细观损伤分析

3.3.1. 注浆加固体试样的SEM分析

SEM分析表明，经过28天高浓度离子侵蚀后，注浆加固体表面Ca(OH)₂可见度低，溶解显著，主要水化产物为水泥-矿渣衍生的絮状C-S-H(水化硅酸钙)。而注浆加固体内部因保护性氯铝酸钙层形成致密结构，表面则呈现明显的孔隙和裂纹发育，相互连通的孔隙形成连续通道。到90天侵蚀时，注浆加固体表面孔隙率增加，细小孔隙合并为较大孔洞和裂纹，这些裂纹和孔隙密集扩展，伴随Ca(OH)₂持续溶解和弗里德尔盐可见度增加，致密性显著下降，力学性能降低。

在硫酸盐离子侵蚀下，注浆加固体表面遭受严重侵蚀，观察到大量钙矾石(AFt)和石膏。钙矾石(AFt)和石膏的形成引起结构膨胀，导致新微裂纹和孔隙的发展。而注浆加固体内部未显示明显钙矾石(AFt)或石膏晶体，表明硫酸根离子渗透有限。到90天侵蚀时，表面呈现大量钙矾石(AFt)和石膏形成，裂纹和孔隙突出发育，相互连通的孔隙形成更大空隙和裂缝，持续产生的微裂纹和孔隙导致结构松弛，表面致密性显著降低。

3.3.2. 注浆加固体样品的XRD分析

XRD分析显示，与水组(0%质量分数)相比，28天和90天侵蚀的注浆加固体试样的XRD图谱中均出现NaCl衍射峰，表明溶液中的钠离子(Na⁺)和氯离子(Cl^-)在28天时已开始渗入注浆加固体。90天时，Cl^-渗透较28天更深，NaCl在核心部位显著积累。28天和90天样品均显示弗里德尔盐(3CaO·Al₂O₃·CaCl₂·10H₂O)，这归因于Cl^-与水泥-矿渣基质的水化产物(如C₃A和C-S-H)发生化学盐侵蚀。

在硫酸盐侵蚀下，28天和90天侵蚀的注浆加固体试样的XRD图谱中出现硫酸钠(Na₂SO₄)衍射峰，这主要归因于硫酸根离子(SO₄^2-)渗入注浆加固体，其中一部分硫酸根离子结晶为硫酸钠而非与钙离子反应形成石膏(CaSO₄·2H₂O)。28天和90天试件均显示石膏和钙矾石(AFt，3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O)的衍射峰。这是由于硫酸根离子与钙离子反应形成石膏，并与水化铝酸钙(如C₃A)反应生成AFt。虽然这些相最初填充孔隙和裂纹以增强致密性，但其过量形成会产生膨胀应力，促进注浆加固体内新微裂纹的发展。

该研究得出以下主要结论：超细矿渣粉的掺入通过促进早期氢氧化钙(Ca(OH)₂)形成增强水化活性，进一步促进水泥水化生成水化硅酸钙(C-S-H)凝胶。采用水灰比0.6、20%超细矿渣粉、2%硅酸钠和1%高效减水剂的浆液配比，浆液表现出优异的稳定性、高强度、理想的流动性和良好的工程性能，满足富水软弱岩层注浆要求。此配比下的注浆加固体对硫酸盐和氯离子侵蚀表现出强抵抗能力，90天侵蚀后强度保持率仍在初始值的70%以上。硫酸根离子和氯离子均能通过产生侵蚀产物填充孔隙在侵蚀早期致密化注浆加固体，但侵蚀机制不同：硫酸根离子主要通过形成膨胀性钙矾石(AFt)和石膏引起内部膨胀，导致注浆加固体内产生新裂纹和孔隙，从而削弱其结构完整性；而氯离子主要与水化产物反应形成可溶性化合物，加速基质溶解，从而降低注浆加固体的力学强度。

这项研究不仅为富水软弱岩层注浆加固提供了性能优异的材料配方，更重要的是通过多尺度研究方法系统揭示了离子侵蚀下水泥基注浆材料的性能演化规律和劣化机理，为类似地质条件下的工程耐久性设计和寿命预测提供了重要理论依据和实践指导。研究的创新之处在于将宏观力学性能与微观结构特征相关联，明确了硫酸盐和氯离子不同的侵蚀机制，对今后开发高性能抗侵蚀注浆材料具有重要的指导意义。