硅灰改性全固废注浆材料的流变优化与强度发展

《Materials》：Rheological Optimization and Strength Development of Silica Fume-Modified All-Solid-Waste Grouting Material

　　

随着注浆材料应用的不断扩展，利用固体废弃物制备注浆材料可有效缓解废弃物堆积造成的环境问题。本研究以硅灰、煤矸石、脱硫石膏、粉煤灰、钢渣和电石渣为原料制备了一种全固废注浆材料（All-Solid-Waste Grouting Material, ASWGM）。系统分析了水灰比（Water-Cement Ratio, W/C）、环境温度、硅灰掺量及水化时间对注浆材料流动性的影响。通过X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）和傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）测试研究了该ASWGM的化学物质组成，同时通过表观粘度、屈服应力、流动性和触变性测试对其流动性进行了综合评价。基于分析结果，确定最佳硅灰掺量为5%，最佳环境温度为20 °C。在测试范围内的优选组合下，材料的屈服应力为126.4 Pa。硅灰的掺入会降低材料的早期强度，随着水化持续，后期强度显著增加，12 h强度超过50 MPa，28 d强度超过80 MPa。全固废的使用不仅能有效解决固废堆积造成的环境污染，促进绿色发展，而且通过设计优化可获得具有满意流动性和力学性能的注浆材料。研究成果可为工程实践提供参考。

**论文解读：硅灰改性全固废注浆材料的流变优化与强度发展研究**

**1. 研究背景与问题**

传统注浆材料以水泥基为主，其生产依赖不可再生资源，且能耗高、碳排放量大，与环境可持续发展目标相悖。工业固废如煤矸石、电石渣、脱硫石膏、粉煤灰、硅灰和钢渣的大量堆积已造成严重的环境污染和资源浪费。现有固废基注浆材料研究多依赖部分水泥熟料作为激发剂，或仅关注单一力学性能，缺乏对无水泥熟料体系动态流变行为、触变性及结构演化的系统认知。此外，硅灰在多组分胶凝体系中的微填充和火山灰效应虽已被关注，但其在无水泥基质中、不同温度和不同水化时间下的协同作用机制尚不明确。因此，开发一种完全基于固废的注浆材料，并系统优化其流变性能和强度发展，是推动绿色建筑和固废资源化利用的关键技术方向。

**2. 研究内容与结论**

研究人员以硅灰、煤矸石、脱硫石膏、粉煤灰、钢渣和电石渣为原料制备了全固废注浆材料（All-Solid-Waste Grouting Material, ASWGM），系统考察了水灰比（W/C）、环境温度、硅灰掺量和水化时间对浆体流动性的影响。通过X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析水化产物，结合表观粘度、屈服应力、流动性和触变性测试综合评价流变性能。结果表明，最佳硅灰掺量为5%，最佳环境温度为20 °C，此时屈服应力为126.4 Pa。硅灰掺入会降低早期强度，但后期强度显著增长，12 h强度超过50 MPa，28 d强度超过80 MPa。全固废材料不仅解决了固废堆积的环境问题，还通过设计优化获得了满足工程需求的流动性和力学性能，为工程实践提供了参考。

**3. 关键技术方法**

研究采用多种关键技术方法：使用HAAKE? Viscotester? iQ流变仪进行流变测试，采用Herschel–Bulkley模型拟合流变曲线；通过XRD（Ultima IV, Rigaku）和FTIR（IRTracer-100, Shimadzu）分析物相和官能团；使用激光粒度分析仪（LS-POP9）测定粒度分布；采用万能伺服试验机（WDW-100E）测试抗压强度。原材料来源包括煤矸石（中国鄂尔多斯）、电石渣（中国乌兰察布）、脱硫石膏（中国石家庄）、粉煤灰（中国鄂尔多斯）、硅灰（中国郑州）和钢渣砂（中国包头）。所有流变测试在20 ± 2 °C恒温条件下进行，每组重复至少两次以确保重现性（RSD < 5%），抗压强度测试每组三个试件（N=3）。

**4. 研究结果**

**4.1 硅灰掺量对流变性能的影响**
通过触变性、剪切应力和粒度分布测试发现，随着硅灰掺量增加，触变恢复率从20.54%（S0）增至30.28%（S7），但绝对触变变化在S5时最小（1418 Pa·s），表明S5具有最佳流动性。剪切应力随硅灰增加而降低，但高剪切速率下S7高于S5，体现S5最优流变性能。粒度分析显示，硅灰优化了颗粒级配，S5接近最佳S形曲线，增强浆体流动性。

**4.2 环境温度对流变性能的影响**
在10~25 °C范围内，20 °C时剪切应力最低，表观粘度在低剪切速率下降低至原值的53.25%，屈服应力最小（约250~300 Pa区间内最低），表明20 °C为最佳环境温度。温度升高至25 °C时，水化加速导致粘度上升。

**4.3 水灰比（W/C）对流变性能的影响**
W/C从0.24增至0.28时，低剪切速率下粘度显著降低，屈服应力平均每增加0.01下降84.725 Pa，流动性提高46.5%，触变恢复率从16.28%增至51.25%，表明高W/C改善浆体流动性和触变性。

**4.4 水化时间对流变性能的影响**
水化时间延长导致粘度上升，24 min时表观粘度较6 min时增加80.76%，屈服应力在18 min后显著增大，归因于水化产物积累和自由水转化。因此，18 min为测试操作窗口。

**4.5 抗压强度分析**
硅灰掺量增加降低12 h早期强度（S0为60.2 MPa至S7为54.5 MPa），但28 d强度与硅灰掺量正相关（S5为81.7 MPa，S7为82.0 MPa）。低W/C（0.25）在3 d内强度最优，但高W/C（0.28）流动性最好且28 d强度仍超过80 MPa。所有配比12 h强度均超过50 MPa，满足快速施工需求。

**4.6 化学物质分析**
XRD和FTIR分析表明，水化产物主要为钙矾石（AFt）、C-S-H凝胶和Ca(OH)2。硅灰掺入不改变产物类型，但消耗Ca(OH)2，其衍射峰强度在掺量3%和5%时分别降低91.92%和80.67%，促进C-S-H凝胶生成。低W/C（0.26）时AFt峰最强，形成致密结构，对应高抗压强度（76.37 MPa）；高W/C（0.28）时C-H和CO32?峰增强，表明碳化倾向和结构疏松。

**4.7 应用场景与性能对比**
优化后的ASWGM具有低初始屈服应力、快速流动性和高早期强度，适用于光伏基础锚固、矿山回填和地下快速修复等场景。与传统水泥基无收缩注浆料相比，ASWGM利用100%工业固废，降低碳排放超70%，材料成本减少30-40%，且早期和长期强度均优于商业产品。

**5. 讨论与结论**
讨论部分总结了硅灰的物理-化学协同机制：超细颗粒填充作用释放自由水，提高流动性；作为晶核加速水化；火山灰反应消耗Ca(OH)2形成致密C-S-H网络，提升后期强度。尽管未采用TG-DTG和MIP等微观量化工具，但前期研究支持硅灰的致密化作用。研究结论为：在测试范围内，5%硅灰掺量、0.28水灰比和20 °C环境温度提供了最佳工作性，初始流动性31 cm，屈服应力126.4 Pa；结构-性能关联表明超细硅灰优化颗粒级配并促进水化，实现早期强度>50 MPa和后期强度>80 MPa；XRD和FTIR证实火山灰反应消耗游离Ca(OH)2，加速凝胶沉淀，解释浆体从流体到快速强度增长的转变。该研究为全固废注浆材料的工程应用提供了理论依据和设计参考。