工业废渣制备的可持续注浆材料：基于熵权田口方法的多性能优化及其环境意义

《Coatings》：Sustainable Grouting Material from Industrial Waste: Multi-Performance Optimization via the Entropy-Weighted Taguchi Method and Its Environmental Implications

　　

本研究开发了一种可持续的低粘度注浆材料，通过掺入工业副产品（稻壳灰，RIA和粉煤灰，FLA）来解决岩石稳定工程中的关键挑战：易堵塞、高成本、较差的环保性能以及不平衡的工程性能。通过单因素实验和熵权-灰色关联分析（Taguchi–GRA），确定最佳配合比为10%的RIA、10%的FLA、0.45%的聚羧酸减水剂（POS）以及1.05的液固比。工作性能改善：浆液的粘度显著降低，使其能够被注入微小至微米级的岩石裂缝中。浆液的凝结时间和强度满足了工程岩体紧急修复的要求。经济效益：利用废料使每吨生产成本降低17.9%。环境效益：CO₂排放量减少36.3%（150.62 g/kg，而传统注浆为237 g/kg），而浸出试验证实重金属浓度（As < 0.1 ppm，Pb < 0.5 ppm）符合环保标准。微观结构分析揭示，RIA通过孔隙填充效应和火山灰活性来增强基质密实度。本研究为快速岩体稳定工程提供了一种实用的环保解决方案，符合循环经济原则，并支持可持续基础设施的发展。

在岩土工程加固与微裂隙岩体注浆稳定领域，传统注浆材料的应用面临着多重技术瓶颈。研究发现，常规高粘度水泥浆液存在易导致颗粒团聚的倾向，难以有效渗透至宽度小于0.5 mm的微细裂隙中，极易引发工程堵塞；此外，大规模应用传统水泥及纳米级添加剂的成本极其高昂，且水泥生产伴随着不可观的CO₂排放，纳米材料也可能引发潜在的毒性风险。加之单参数优化方法往往导致注浆各项性能指标出现此消彼长的失衡现象。基于上述现有挑战，为开展多目标、低环境负荷的高效注浆材料研发工作，研究人员尝试将工业废渣循环利用，旨在开发一种具备防堵塞、低成本且环境友好的生态型注浆材料。该研究成果已发表于《Coatings》期刊。

为开展此项研究，研究人员主要采用以下关键技术方法：首先通过单因素实验分别评估液固比及RIA、FLA、POS掺量对浆液性能的影响，以确定多水平正交实验的参数范围；随后引入融合信噪比、质量损失函数与熵权法的改进Taguchi–灰色关联分析法，基于L₉(3⁴)正交实验设计，进行多性能协同优化以获取最佳混合比例。在数据评估与机理探讨阶段，结合了一系列微观测试手段：包括使用扫描电子显微镜（SEM）观测微观形貌，运用X射线衍射仪（XRD）分析物相组成，采用压汞法（MIP）定量量化基质孔隙率，配合能谱分析（EDS）测定微区元素原子比，并配合声发射技术（AE）开展单轴压缩能量演化监测，最后依照ISO 14040与ISO 14044规范标准，运用OpenLCA软件执行生命周期评估以量化碳排放足迹。

在单因素影响分析研究中，结果表明，液固比对浆液粘度和凝结时间具有极强的控制作用，综合考虑各项性能参数，将其范围控制在0.65~1.05；POS的静电斥力和空间位阻作用虽会使泌水率微增，却能显著降低粘度，确定其后续正交用量范围为0.35%~0.55%；RIA的微填充与火山灰效应能大幅提升硬化结石体单轴抗压强度并延缓凝固，结合28天与91天长期强度表现，筛选其最佳掺量区间为8%~10%；FLA则借助球形玻璃微珠的润滑作用大幅改善浆液流变性，但高掺量会引发强度急剧下降，最终剔除极值，取用量范围为20%~40%。

在多目标优化与最优配比确定研究中，应用熵权-taguchi灰色关联分析法对正交测试数据进行剖析，得出浆液结石体强度的信息熵较小且权重最高。通过方差分析验证，液固比是对各项性能指标具有最具统计学显著影响的核心控制因素，FLA次之。最终算法计算得出最优配合比为10% RIA、10% FLA、0.45% POS和1.05的液固比。对最优浆液进行流变测试研究得出，其本构方程拟合度R²高达0.94273，优于宾汉姆模型，精确描述了低粘度浆液微弱的剪切稀变特性；其实测塑性粘度仅为45.5 mPa·s，较常规纯水泥浆液下降了42%，实现了微米级裂隙的有效渗透。

在微观结构与能量演化分析研究中，SEM与EDS等定量数据揭示，掺入的废渣使得水化基质相致密区域比例增至83.6%，基质的平均Ca/Si原子比降低至1.52，生成了结构更致密的低钙C–S–H凝胶。MIP数据表明有害大孔比例显著压缩仅占5.8%。此外，声发射能量特征分析证实，由于火山灰反应使基质更为致密，RIA改性注浆在破坏前耗散的能量增加了25%，大幅提高了抗裂性能，且强化了材料在长期地下水环境中的耐腐蚀耐久性。

在生命周期评估与经济效益分析研究中，系统量化数据指出，最优混合配方的CO₂排放量降至150.62 g/kg，较传统注浆降幅达36.3%。同时，避免每吨浆液消耗820 kg石灰石并节省0.25 m³填埋空间。重金属浸出测试结果（As < 0.1 ppm，Pb < 0.5 ppm等）均远低于毒性阈值。在经济效益方面，即使计入短距离运输与预处理成本，最优混合配方的综合成本相较常规材料下降了17.9%，并在产业化规模下展现出可观的间接设备维护节约效应。

最后讨论总结指出，系统能量演化分析与多维耐久性测试均表明，废渣改性材料即使在复杂地下腐蚀工况下仍保有高度的结构完整性与长期承载稳定性。这证实了该注浆材料能够在抗堵塞、降本减碳、力学性能增强等多个维度实现多目标协同最优，且环境与经济效益显著。

本研究开发了一种低粘度、环保的注浆材料，通过掺入工业废渣（RIA和FLA），并运用基于熵权的Taguchi–GRA方法对混合配比进行多目标优化。关键发现结论分别应对了先前提出的四大挑战：首先，注浆防堵方面，最优混合配比将粘度显著降低，使浆液能够顺利渗透至亚毫米级（<0.5 mm）细微岩体裂隙中，从根本上解决了因流变性差和颗粒团聚导致的工程堵塞问题；其次，成本控制方面，高达20%的废渣再利用比例使每吨原料生产成本降低17.9%，若在规模应用层面替代全国10%的注浆需求，每年可减排CO₂ 2.1兆吨并直接节省5800万美元的工业废渣处置资金；再次，环境效益方面，最优配方使碳排放量降低36.3%，每吨浆液可节省填埋占地0.25 m³，有效保护了1.3 m³的原始岩层；最后综合性能方面，微观结构特征证实了RIA在提升密实度方面的双重作用：通过微集料填充效应显著降低孔隙率，以及持续发挥火山灰活性促进C–S–H凝胶的大量生成。本研究的成功验证了废渣基注浆材料的可靠性与实用性，为岩土工程贯彻循环经济发展模式、契合“无废城市”环保倡议提供了一条切实可行的低碳固废资源化技术路径。研究人员倡议，未来的进一步研究应着重分析可持续注浆材料在动态载荷作用下的力学响应机理，并推进真实微裂隙岩体场地的现场注浆施工验证，以持续优化大规模工程应用的施工配比工艺。