工业固废与玄武岩纤维协同改良盾构片麻岩渣土路基材料的力学性能与耐久性研究

《Scientific Reports》：Roadbase performance and modification mechanisms of TBM-excavated gneiss muck utilizing a fiber–geopolymer synergistic stabilization system

　　

摘要

盾构渣土的处置已成为隧道建设中的紧迫问题。本研究针对中国西部DXL隧道开挖产生的29.5万立方米片麻岩渣土，采用低钙粉煤灰（FA）、钢渣微粉（GGBS）、碳化钙渣（CCS）和玄武岩纤维（BF）对其进行改良，制备路基材料。通过响应面法确定了最优配比，命名为X-FGC（FA∶GGBS∶CCS = 9∶4∶1，掺加0.3%的12 mm玄武岩纤维）。通过无侧限抗压强度（UCS）、劈裂抗拉强度（STS）、干湿循环和硫酸盐侵蚀试验评估其力学与耐久性指标，并利用FTIR、XRD和SEM分析其改良机理。结果表明，养护7天后，改良渣土的抗压强度达到7.22 MPa，劈裂抗拉强度达到0.764 MPa；经20次干湿循环和40天硫酸盐浸蚀后，抗压强度损失率分别为11.3%和4.53%。性能提升归因于多凝胶体系的形成（N-A-S-H、C-A-S-H和C-S-H），该体系起到胶凝颗粒、填充孔隙和促进纤维桥接的作用。然而，虽然增加X-FGC的掺量能够生成更多凝胶、提高力学强度和抗干湿循环能力，但同时会延缓水化反应、降低凝胶化程度并削弱抗硫酸盐侵蚀能力。总体而言，X-FGC作为路基材料具有良好的力学性能和耐久性，且在最优配比中掺入的盾构开挖片麻岩渣土约占湿-干总质量的79%。