筛分钻孔岩粉（DRP）在水泥基灌浆材料中的等质量资源化利用：面向绿色山区输电塔基础建设

《Materials Today Sustainability》：Valorization of drilling rock powder in cementitious grout towards greener mountainous transmission construction

　　

电力需求快速增长正加速山区输电基础设施建设。输电塔基础施工产生的钻孔岩粉（DRP）处置不当会扰动脆弱山地生态系统并增加处理成本。本研究考察筛分DRP作为波特兰水泥（PC）的等质量替代材料用于水泥基灌浆材料。DRP含量相对于PC、DRP、粉煤灰（FA）和硅灰（SF）的固定总质量表示。测定流动性和抗压强度，并采用压汞法（MIP）、X射线计算机断层扫描（XCT）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）考察孔结构和微观结构。28 d时，DRP含量至8%的混合料抗压强度保持在约50–54 MPa；然而8%和10% DRP导致30 min后流动性显著损失。因此，在试验条件下推荐6%作为可工作性、强度和粉体再利用之间的平衡，而非基于强度的最大值。更高含量增加粗毛细孔分数和宏观气孔体积，在显示的XRD区间内未检测到新结晶相。在原始现场规划情景中，利用440 kg生成DRP中的216 kg对应49.1%粉体利用率及每塔有条件毛干灌浆材料采购抵消324元人民币。该利用率不同于水泥替代率，且现场配合比因剂量基准与实验室混合料不同而需单独确认。研究结果支持针对来源特定的DRP再利用评估用于输电塔基础。

研究背景方面，电力需求增长推动山区输电基础设施建设，塔基锚孔钻进取样会产生大量钻孔岩粉（DRP）。DRP若堆存或排放不当，可能造成扬尘、泥沙沉积、阻碍植被生长并增加进入水体风险；从偏远山区外运集中处置成本高且操作困难。已有矿物粉体被用于水泥基材料，但多集中于采石粉、机制砂石粉、隧道弃渣粉等，针对输电塔锚孔钻孔粉并在同一基础灌浆中回用的研究较少。DRP对水泥基材料的影响具有剂量和材料依赖性，适量细颗粒可能改善堆积、填充颗粒间隙并提供成核位点，过量则可能提高需水、削弱减水剂效果、增加气孔截留并形成缺陷。为此，研究人员将现场DRP筛分后作为波特兰水泥（PC，硅酸盐水泥）的等质量替代材料，考察流动性、抗压强度、孔结构、气孔和微观结构，推荐在试验条件下以6%作为工作性、强度和粉体回用的平衡剂量，并评估现场回用与采购抵消情景。该研究为来源特定DRP回用提供实验室依据，支持减少DRP处置和促进绿色输电建设。

关键技术方法（不超过250字）：DRP采集自中国浙江省金华市山区输电塔基础施工现场，筛除>100 μm颗粒后使用；以PC、粉煤灰（FA）、硅灰（SF）及石英砂/石英粉为基体，DRP按等质量替代PC，DRP掺量以PC+DRP+FA+SF固定总质量B=600 kg/m³计，设0%–10%。采用迷你锥试验测0 min和30 min流动性；40 mm立方体测7 d和28 d抗压强度；28 d试样用MIP、XRD、SEM和XCT表征孔结构、物相、微观形貌及气孔，XCT以15 μm体素重建并统计等效直径0.02–1 mm与>1 mm气孔。

研究结果如下。3.1 流动性：通过迷你锥试验发现，DRP不超过4%时初始扩展直径变化有限；6%、8%、10%时初始扩展直径分别降至304、267、245 mm，较DRP-0降低16.7%、26.8%、32.9%；30 min后DRP-8和DRP-10较各自初始值降低约33.33%和34.48%，高掺量时间依赖性流动损失显著。原文将原因与粘土矿物吸附聚羧酸减水剂（PCE-SP）、超细颗粒提高需水与絮凝、以及不规则颗粒摩擦增加相联系。3.2 抗压强度：7 d强度约35–38 MPa；28 d时DRP-0至DRP-8保持约50–54 MPa，DRP-10降至43.5 MPa；7 d至28 d抗压强度增长率（IRCS）在DRP-0约54%，DRP-10约16%。研究人员认为适量DRP的填充和成核效应可部分补偿水泥稀释，过量则稀释和缺陷效应占主导；6%是强度与流动性保持的平衡推荐，并非基于强度的最大值，也不表示满足特定工程强度要求。3.3 MIP孔结构：通过MIP发现总孔隙率由DRP-0的19.7%增至DRP-6的24.9%，DRP-8和DRP-10降至24.2%和22.0%；但DRP-8和DRP-10的50–1000 nm粗毛细孔分数分别达9.8%和9.7%，高于低掺量的2.6%–5.9%；10–50 nm细毛细孔分数在DRP-6达最大71.5%；<10 nm凝胶孔相对分数下降，但微分进汞曲线差异有限，总孔隙率降低不代表孔结构细化。3.4 SEM微观结构：通过SEM观察到DRP-6和DRP-10基质中气孔较DRP-0多；DRP-0骨料与基质界面较紧密，DRP-6界面仍有梯度但较密实，DRP-10界面更疏松且局部不连续；DRP-6可见板状水化产物，DRP-10可见不规则颗粒碎片，原文暂归为DRP富集区并指出需SEM–EDS确认。3.5 XRD分析：通过XRD发现所有混合料特征峰总体相似，在显示区间未产生可识别新结晶相；石英峰最强，粘土矿物峰随DRP增加而增强，AFt在2θ约9°处峰强随DRP增加而减弱，但峰高变化不能确定抑制AFt生成；CH在2θ约18°处峰强先增后减，DRP-6和DRP-8最高，提示适量DRP可能促进水化，但XRD结果应视为定性证据。3.6 XCT分析：通过XCT三维重建发现可检测气孔空间密度随DRP增加而增加，DRP-10中检出5个体积>4 mm³的大孔；DRP-10中约3–8 mm等效直径气孔贡献约120 mm³，约占检测总气孔体积30%；平均单孔体积由0.038增至0.063 mm³；球形度均值0.57–0.59，差异有限；等效直径>1 mm气孔体积分数由36.7%增至56.5%，0.02–1 mm小孔分数由63.3%降至43.5%，与流动性下降相一致。3.7 试验结果讨论：通过迷你锥估算屈服应力（τ_0,est）并与等效直径>1 mm大孔总体积（V_L）关联，发现较高估算屈服应力与较多大孔保留相关；抗压强度与XCT大孔孔隙率呈负相关，与MIP可及孔隙率相关性较弱；XCT反映宏观气孔，MIP反映孔喉连通的可及孔网络，适量DRP的填充和成核可部分补偿水泥稀释，过量替代破坏颗粒堆积、胶凝结合与孔结构平衡。3.8 对可持续电网建设的启示：提出现场收集、筛分、适用性检查、等质量替代部分PC并按合格配合比施工的回用路线；区分现场DRP利用率（η_DRP）与实验室配合比剂量。原始现场规划情景为16个直径150 mm、深6 m锚孔，钻渣约3980 kg粗碎屑和440 kg细DRP，灌浆供应约4 t/塔（3.6 t商品干灌浆+0.4 t水）；若回用216 kg，η_DRP=216/440×100%=49.1%，余224 kg；但216 kg由6%乘3.6 t干灌浆得到，与实验室B基准不同，需现场配合比确认；按实验室DRP-6直接应用为36 kg/m³，对1.70 m³为61.2 kg，利用率13.9%。成本上，商品干灌浆约1500 CNY/t，若216 kg等质量替代且性能保持，毛采购抵消为0.216×1500=324 CNY/塔，1000塔为324000 CNY；该值为有条件毛估算，非净节省，需计入收集、筛分、处理、人工、质控、内部搬运及可避免运输处置成本和固定成本。

讨论部分将流动性、XCT大孔与强度联系起来，认为新鲜浆体流动阻力增大可能阻碍气泡迁移逸出和颗粒沉降，XCT大孔作为应力集中和缺陷会降低有效承载面积，而MIP可及孔网络与强度相关性较弱；XRD和SEM为定性证据，经济评估为有条件毛估算。研究结论部分翻译如下：1. DRP对灌浆材料流动性呈剂量依赖性影响，至4%时初始扩展直径变化有限，更高含量显著降低流动性及其保持性，30 min后DRP-8和DRP-10扩展直径分别降低约33%和34%。2. 7 d强度约35–38 MPa；28 d时DRP-0至DRP-8保持约50–54 MPa，DRP-10降至43.5 MPa；在本混合料和养护条件下推荐DRP-6为平衡剂量，因其保持强度且流动性损失较DRP-8和DRP-10轻；其DRP含量为固定600 kg/m³粉体-胶凝材料质量的6%，相当于参考水泥质量的8.57%替代。3. MIP显示总孔隙率由DRP-0的19.7%增至DRP-6的24.9%，更高含量后下降，但DRP-8和DRP-10的50–1000 nm孔分数显著更高，说明总孔隙率降低不一定代表孔结构细化。4. XRD未显示新结晶相，SEM显示10% DRP时界面更疏松，XCT显示等效直径>1 mm气孔体积分数由36.7%增至56.5%，平均气孔体积由0.038增至0.063 mm³，这些结构变化与抗压强度降低相关。5. 原始现场规划情景每塔利用440 kg生成DRP中的216 kg，利用率为49.1%，有条件毛干灌浆材料采购抵消为324 CNY；该利用率不是水泥替代率；直接应用实验室DRP-6时每1.70 m³利用61.2 kg，现场情景需单独配合比确认和净成本评估。研究建立了单一DRP来源和单一灌浆设计的实验室可行性，强度评价至7 d和28 d，微观结构评价至28 d；其他岩石矿物学、粉体细度、水和外加剂剂量及现场条件可能改变响应，耐久性、长期强度、灌浆–岩石与灌浆–锚杆粘结、体积稳定性和现场施工未评价，SEM为定性，XRD峰高不量化水化程度，XCT分割和基于扩展度的屈服应力计算需进一步验证。