采用泡沫改良护盾泥浆的可持续灌浆材料：多尺度性能与优化研究

《Sustainable Materials and Technologies》：Sustainable grouting materials incorporating foam-conditioned shield muck: Multi-scale performance and optimization

　　

何茹|朱润|张华林|王胜福|齐建峰|齐双星

华东理工大学土木与建筑工程学院，中国江西省南昌市330013

摘要

将挖掘出的盾构泥浆直接作为水泥基灌浆材料的二次原料使用，为开发减少对天然骨料依赖的可持续建筑材料提供了一条有前景的途径。这种利用方式面临的一个关键挑战是挖掘泥浆中存在残余的地面调理泡沫，这会显著影响灌浆材料的新鲜状态和硬化性能。本研究通过多尺度评估框架，实验性地探讨了将未经清洗的、经过泡沫处理的盾构泥浆掺入灌浆材料中的效果，重点研究了泥浆替代率（MRR，20–100%）和泡沫注入率（FIR，0–30%）的耦合效应。系统评估了新鲜状态下的性能（流动性和泌水稳定性）、硬化性能（抗压强度和固结收缩率）以及微观结构特征。利用扫描电子显微镜（SEM）结合图像处理技术定量分析了孔结构的变化。通过统计建模和双目标优化方法阐明了变量之间的相互作用，并确定了最佳配比。结果表明，残余泡沫通过减少28天固结收缩率高达50%来显著提高尺寸稳定性，这与硬化基质中空气孔隙含量的增加有关。然而，增加泡沫含量通常会降低长期抗压强度，尽管特定的MRR–FIR组合可能由于孔结构的优化而表现出异常的增强效果。通过明确解决这一权衡问题，确定了一种最佳配比，即100%的MRR和20.5%的FIR，实现了可操作性、稳定性和机械性能的平衡。这些发现证明了通过直接回收泡沫处理的盾构泥浆生产资源高效灌浆材料的可行性，并为可持续的水泥基应用提供了材料导向的设计策略。

引言

全球城市地铁系统的快速发展推动了土压平衡（EPB）盾构技术的广泛应用，虽然该技术高效，但不可避免地会产生大量挖掘废弃物，通常称为盾构泥浆[1]、[2]、[3]、[4]。传统的处置方法，包括填埋和堆放，不仅带来巨大的经济成本，还会对环境和土地使用造成显著压力，尤其是在人口密集的城市地区[5]、[6]、[7]、[8]。因此，以资源为导向的盾构泥浆再利用在可持续地下建设中受到了越来越多的关注[9]、[10]、[11]。

在可用的回收途径中，将盾构泥浆部分替代细骨料用于节段衬砌后的同步回填灌浆浆液受到了越来越多的关注。这种方法具有多重潜在优势，包括减少处置需求、降低对原始建筑材料的依赖以及改善盾构隧道施工过程中的环形间隙填充控制[12]、[13]、[14]。越来越多的文献证明了这一概念的技术可行性。李等人[15]通过XRD分析和多元回归验证了用泥浆替代砂的可行性，并确定了最佳混合比例。王等人在南京穿江隧道项目中成功使用了风化岩石残渣制备了同步灌浆浆液，提供了现场验证的证据。Abousnina等人和Garboczi等人[17]、[18]证实，含有砂质挖掘废弃物的灌浆浆液可以满足回填灌浆的要求。后续研究将这种方法扩展到了不同的地质环境中，包括粉质粘土和风化泥岩，并系统评估了泥浆含量、粒径分布和矿物组成对灌浆性能的影响[19]、[20]、[21]。最近的创新，如地质聚合物改性和使用源自泥浆的辅助胶凝材料，进一步扩展了大规模回收的技术边界[22]、[23]、[24]。总体而言，这些研究表明，在适当的混合比例下，盾构泥浆可以部分或完全替代天然砂，同时满足可操作性和强度的工程要求。

然而，在实际隧道施工中，泥浆很少是“干净”的。在标准的EPB操作中，通常会使用泡沫进行地面调理以改善土壤的塑性和挖掘效率[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。排放的泥浆不可避免地含有由表面活性剂和夹带空气组成的残余泡沫。这些残余泡沫引入了额外的水-空气-有机相，可能会改变新鲜灌浆浆液的流变性质以及硬化灌浆的水化过程和微观结构。当前的研究大多忽略了这一因素，通常假设使用的是经过清洗或不含泡沫的泥浆。在少数承认使用泡沫处理泥浆的研究中，通过清洗、干燥或其他预处理方法去除这些“污染物”后再将其掺入灌浆混合物中[30]。然而，这样的预处理步骤在工业规模上能耗高、成本大且物流复杂，可能会大大抵消现场回收的环境和经济效益。直接再利用未经清洗的、经过泡沫处理的泥浆的研究仍然不足。

残余泡沫对水泥基灌浆性能的影响与其引气性质密切相关。发泡剂中的表面活性剂在新鲜浆液中生成并稳定了空气孔隙网络，这些孔隙随后嵌入硬化基质中。虽然表面活性剂对基于水泥的材料的一般影响（如密度降低、孔隙率增加以及由此导致的机械性能变化）已有充分记录[31]、[32]，但在复杂的高体积泥浆-灌浆系统中的具体行为仍不甚清楚。

残余泡沫引入了额外的水-空气-有机相，这些相可能会同时改变新鲜灌浆浆液的流变性质、水化过程以及硬化灌浆的孔结构演变。然而，大多数关于盾构泥浆回收的研究要么假设使用的是经过清洗的、不含泡沫的泥浆，要么完全忽略了泡沫质量指标的表征[33]。这一知识空白从根本上阻碍了开发可靠且可重复的灌浆材料设计方案，特别是对于含有未经清洗的、经过泡沫处理的盾构泥浆的灌浆材料。因此，定量理解泡沫残余物如何在灌浆浆液混合物中与泥浆相互作用，特别是其对新鲜稳定性、硬化体积变化和强度的影响，对于实现大规模、成本效益高的回收至关重要。改善稳定性和牺牲强度之间的潜在权衡需要系统的、多尺度的研究。

在此背景下，本研究旨在系统地研究将未经清洗的、经过泡沫处理的盾构泥浆完全替代天然细骨料用于同步回填灌浆的直接利用方法。通过结合宏观性能测试、定量SEM图像分析、半定量XRD表征、统计建模、双目标优化和从摇篮到大门的碳足迹评估的综合多尺度框架，全面评估了泥浆替代率（MRR）和泡沫注入率（FIR）的耦合效应。最终目标是解决稳定性-强度之间的权衡问题，确定实现100%泥浆利用的最佳配比设计，并量化相关的环境效益，从而为可持续地下建设中的大规模盾构泥浆回收提供科学依据、实际可行且环境可行的途径。

章节摘录

材料与实验计划

为了实现这些目标，设计并执行了详细的实验计划。

含有泡沫处理泥浆的灌浆性能演变与权衡

不同MRR和FIR下灌浆浆液和硬化灌浆的关键宏观性能数据见表2。

主要性能控制因素的识别

为了定量识别控制含有泡沫处理盾构泥浆的灌浆宏观性能的主要因素，采用了统计建模来评估泥浆替代率（MRR，X₁）和泡沫注入率（FIR，X₂）的相对影响。多元线性回归分析被用作解释工具，以区分哪些工程变量主要控制可操作性、稳定性和体积行为

碳足迹分析

为了定量评估掺入盾构泥浆的环境效益，计算了对照混合物（Mix 0）和优化混合物（100% MRR，20.5% FIR）的简化从摇篮到大门的全球变暖潜力（GWP）。系统边界包括原材料提取、加工和运输到搅拌站，遵循GB/T 51366–2019 [67]和最新文献[68]推荐的碳排放因子。本研究中使用的碳排放因子为

结论

本研究通过结合宏观测试、定量SEM-XRD表征、统计建模、可行性约束的双目标优化和从摇篮到大门的碳足迹分析的综合性多尺度框架，系统研究了将未经清洗的、经过泡沫处理的盾构泥浆直接掺入水泥基灌浆材料中的方法。主要结论如下：

1.

存在明显的稳定性-强度权衡，随着MRR的增加

CRediT作者贡献声明

何茹：撰写——初稿，正式分析。朱润：方法论，概念化。张华林：撰写——审阅与编辑。王胜福：资金获取，数据管理。齐建峰：验证。齐双星：可视化，调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：12562039）、江西省自然科学基金（编号：20252BAC200338）、湖南省教育厅研究基金（编号：25B1080）、精密爆破国家重点实验室开放基金（编号：PBSKL25B12）、赣州市重大研发项目（编号：GZ2024ZDY048）以及江西省地下工程数字风险控制工程研究中心开放基金的支持