高温条件下金矿尾矿与聚羧酸高效减水剂对水泥灌浆料流变性及微裂隙可注性的协同效应

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Synergistic effects of gold tailings and polycarboxylate superplasticizer on rheology and microfracture injectability of cement grouts under high temperatures

　　

# 高地热条件下地下水害注浆堵漏研究：基于金尾砂超细水泥的低碳注浆材料

## 摘要

高地热条件下的水害灾害对深埋地下工程构成重大威胁。注浆是处理水害的关键技术。然而，传统水泥浆液在微裂隙中的可注性较差，且在高温条件下性能明显劣化。针对这一不足，本研究将机械活化金尾砂（MGT）和聚羧酸系高效减水剂（PCE）掺入超细波特兰水泥（SPC）中，制备了一种低碳注浆材料。本研究设计了一套自研测试系统，用于评估浆液在微裂隙中的可注性。在20°C、50°C和80°C条件下，系统测试了浆液的流变性能、可注性、流动性、泌水率、凝结时间、水化热演化及力学强度。结果表明，MGT提高了浆液的黏度和屈服应力，而PCE延长了渗透时间、降低了刚性化速率，并有效调控了高温条件下浆液的结构性构建。掺有0.6%~1.2% PCE的金尾砂基超细水泥（GSC）浆液在所有测试温度下，在0.3~1 mm的粗糙、倾斜及相交裂隙中均表现出优异的可注性。建立了可注性指数与浆液流变参数之间的负线性相关关系，为工程应用提供了定量参考。性能评估表明，在20°C和50°C条件下，0.6% PCE掺量可使GSC获得最佳综合性能，而在80°C条件下，1.2% PCE为优选掺量。得益于MGT与PCE的协同效应，该环保注浆材料实现了高温性能的均衡，为深埋地下工程的堵水工作提供了一种有前景的技术方案。

## 引言

随着地下空间需求的不断增长，全球范围内已建成越来越多的深埋隧道[1]、[2]、[3]。这类深埋隧道的建设伴随着高地应力和密集开挖扰动[4]、[5]。这些条件导致围岩中产生大量微裂隙，从而增加了地下水突涌灾害的风险。注浆被广泛认为是预防突水的最有效技术之一[6]、[7]、[8]，因为它可以封堵地下水通道并加固围岩以抵抗水压[9]。

在注浆过程中，浆液在裂隙岩体中的可注性是成功堵水和加固岩体的基本前提。因此，浆液可注性长期以来一直是全球研究的主要焦点。早期研究主要集中于浆液颗粒尺寸与裂隙开度的几何匹配关系。例如，Bergman等人[10]提出，如果裂隙开度大于水泥颗粒d95（按质量计95%水泥颗粒分布的粒径）的三倍，则裂隙可以有效注浆。相比之下，Eklund和Stille[11]提出了更严格的标准，认为水泥颗粒的d95应为裂隙开度的1/4~1/10，以确保足够的渗透性。随着实验方法的发展，研究人员认识到可注性不仅取决于颗粒尺寸兼容性，还显著依赖于浆液的流变性能。例如，Mozumder等人[12]研究了超细水泥浆液在颗粒土中的渗透行为，指出流变参数需要控制在适当范围内。Lee等人[13]定性分析了生物高分子水凝胶在颗粒土中的渗透特性，发现浆液屈服应力的增加会降低渗透距离。

以往的研究为优化浆液可注性奠定了坚实的理论基础。然而，现有浆液可注性与流变性关系的多数研究仍为定性分析，且主要针对颗粒土。针对裂隙岩体的定量分析仍然有限。此外，目前的研究主要关注常规裂隙，而对微裂隙（开度<1 mm）中浆液扩散的研究不足。值得注意的是，在深埋裂隙岩体中，除开挖面附近的大型张开裂隙外，大多数天然裂隙较为狭窄，开度通常小于1 mm[14]、[15]。因此，从常规裂隙中获得的结论是否适用于微裂隙尚不清楚，这有待进一步研究。

从注浆材料的角度来看，常规普通波特兰水泥（OPC）浆液在微裂隙中的扩散性能较差[16]、[17]。针对这一问题，以往的研究已证实将水泥细化为超细波特兰水泥（SPC）可有效提高水泥浆液的可注性[18]、[19]。然而，单纯减小粒径无法解决水泥生产高碳排放的固有问题。众所周知，OPC生产会产生大量碳排放，占全球工业碳排放的7%~8%[20]、[21]、[22]。在这种情况下，开发低碳和环保的替代胶凝材料迫在眉睫。

在这方面，研究表明机械活化尾砂粉末具有更高的细度和火山灰反应活性，可作为辅助胶凝材料部分替代水泥[23]、[24]。这种方法不仅减轻了尾矿堆存造成的环境风险，还可减少20%~30%的碳排放[25]、[26]。值得注意的是，机械研磨尾砂可达到与商用超细波特兰水泥相当的细度[27]、[28]，在微裂隙注浆方面具有巨大潜力。然而，现有尾砂基水泥材料的研究主要关注硬化试件的力学性能[24]、[25]、[26]、[27]、[28]，而对其流变行为、新浆灌注性能和微裂隙可注性的研究仍然有限。合格的注浆材料不仅需要优异的长期力学强度，还需要良好的可注性、可靠的注浆性能和稳定的水化特性。因此，对尾砂基浆液综合性能进行全面评估十分必要。更重要的是，大多数现有实验均在室温条件下进行，这与深埋隧道的高温地质环境不一致。地热温度随埋深增加而急剧升高。例如，尼日隧道最大埋深640 m，岩石最高温度达88.8°C，平均岩温超过70°C[9]、[29]。类似地，大理至瑞丽铁路的高黎贡山隧道最大埋深1155 m，岩石最高温度接近45°C[2]。在这种高温条件下，浆液流变性会发生剧烈变化。然而，相应的演化机制及其对微裂隙可注性和注浆性能的影响仍不清楚。因此，有必要进行高温条件下的深入调查。

为填补这些研究空白，本研究将机械活化金尾砂（MGT）与超细波特兰水泥（SPC）混合，制备了金尾砂基超细水泥浆液（GSC）。鉴于超细颗粒容易产生严重团聚现象[30]、[31]，掺入0%、0.6%和1.2%的聚羧酸系高效减水剂（PCE）以优化流变性能。参照Güllü等人[32]、[33]、[34]针对纳米二氧化硅改性浆液提出的多指标评价框架，本研究从流变行为、微裂隙可注性、流动性、泌水率、凝结时间、水化热演化和强度发展等方面评估了浆液的综合性能。设计了一套自研测试系统，用于表征微裂隙可注性并量化裂隙开度、表面粗糙度和形态特征的影响。采用逻辑树方法评估综合注浆性能，并提出了不同温度下浆液的最优配合比。本研究旨在解决尾砂基水泥浆液在高温流变、微裂隙可注性和综合注浆性能方面存在的现有研究空白，并为深埋地下工程渗流控制开发低碳注浆材料。

## 材料

### (1) 金尾砂

金尾砂取自中国烟台三山岛金矿。这些尾砂是通过浮选法提取黄金产生的无氰残渣。采用PANalytical Axios Max X射线荧光光谱仪（60 kV，160 mA，4 kW，Omnian方法）测定了其化学成分，结果汇总于表1。尾砂主要由SiO?（69.29%）和Al?O?（15.52%）组成，属于典型的高硅高铝材料。

### 新浆的屈服应力和塑性黏度

图8给出了20°C、50°C和80°C条件下新浆的流动曲线及其宾汉模型拟合结果。

可以看出，不同温度下的所有新浆均可通过宾汉模型进行良好拟合，如公式(1)所示。所得相关系数（R2）均大于0.92，表明拟合效果令人满意。这说明温度变化以及MGT或PCE的加入并未改变浆液的流动模式。

为进一步……

## 讨论

本研究将浆液可注性的评估从传统的平滑直通裂隙扩展到了0.3~1 mm的粗糙、倾斜和相交微裂隙，这能更好地反映深埋地层中的真实裂隙特征。在20°C至80°C的宽温度范围内系统研究了性能演化规律。

如Yetim等人[63]报道，珍珠岩粉改性水泥基浆液在可注性和力学性能之间实现了平衡……

## 结论

本研究解决了深埋地下工程中高温条件下微裂隙岩体注浆堵水的关键难题。将机械活化金尾砂（MGT）与超细波特兰水泥（SPC）混合，制备了金尾砂基超细水泥浆液（GSC）。随后掺入聚羧酸系高效减水剂（PCE），形成了协同优化的GSC-PCE体系。研究评估了浆液的流变行为、微裂隙可注性、流动性、泌水率……

## CRediT作者贡献声明

邹亮超：写作—审阅与编辑。宋宇豪：调查研究。牛天齐：验证。张书田：验证。黄昌新：写作—审阅与编辑、写作—初稿撰写、经费获取、概念构思。张青松：监督指导、经费获取。张连振：研究方法、调查研究、经费获取。李志鹏：写作—审阅与编辑、项目管理、研究方法、经费获取。

## 利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

## 数据可用性

数据可根据请求提供。

## 利益冲突声明

? 作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

## 致谢

本研究得到以下资助支持：国家留学基金管理委员会；国家自然科学基金（52478398，52578493，52678533）；山东省泰山学者基金；山东省高校青年科技创新支持计划（2023KJ058）。

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