CTAB–CaCl? 复合喷淋条件下煤尘沉积固废基泡沫混凝土的表面功能恢复与界面调控机理

《Process Safety and Environmental Protection》：Surface Functional Recovery and Interfacial Regulation Mechanism of Coal-Dust-Deposited Solid-Waste-Based Foamed Concrete under CTAB–CaCl 2 Combined Spraying

　　

摘要

固废基泡沫混凝土在井下巷道中具有热环境调控和煤尘捕集的应用潜力，但沉积的煤尘会逐渐削弱其表面功能。本研究针对受煤尘污染的泡沫混凝土，探讨了其功能退化及喷雾诱导下的功能恢复。首先对SDS、CTAB和TX-100进行了筛选，随后对含有Na₂SO₄、Na₂SiO₃、CaCl₂和Ca(NO₃)₂的CTAB体系进行了优化。通过风洞沉积、喷雾清洗、恒温加热、激光闪射法导热系数和压缩试验，评价了煤尘清除率、二次捕集能力、热响应及力学性能。同时，结合溶液理化性质分析、压汞法（MIP）、SEM/EDS和TGA/DTG等手段，进一步考察了功能恢复过程。煤尘沉积使最大稳定捕集能力降至1.21  mg/cm²，并将加热速率从3.67降至2.16  °C/min。最优CTAB（0.05  wt.%）+CaCl₂（0.5  wt.%）体系实现了51.01%的煤尘清除率和2.68  mg/cm²的二次捕集能力，导热系数降低22.53%，相对抗压承载力提升约5.26%。MIP和定量EDS结果表明，孔隙可达性部分恢复，含钙/氯残留物在近表面富集，支持了CTAB辅助润湿与孔隙重开以及CaCl₂介导的近表面残留物调控之间存在互补作用的结论。

引言

随着开采深度和生产强度的不断增加，井下巷道对结构支护、热环境调控和煤尘控制提出了越来越高的要求。与此同时，大量煤矸石和粉煤灰的产生推动了对它们作为水泥基材料组分在巷道工程中进行再利用的研究（Srivastava and Jha, 2025, Saka et al., 2025, Hanhua, 2026）。已有研究表明，在保持井下服务所需力学性能的前提下，将煤矸石掺入喷混凝土及其他水泥基支护材料中是可行的（Mishra et al., 2024, Dang et al., 2024）。与常规密实水泥基材料相比，泡沫混凝土具有轻质、高孔隙率的结构特征，在地下环境中为热环境调控和功能表面应用提供了额外潜力（Chen et al., 2021, Zhang et al., 2021, Wang et al., 2025）。泡沫混凝土的热学和力学行为与其孔隙特征密切相关，近期研究进一步表明，轻质多孔骨料可以显著改变其孔隙结构和传热行为（Tejero-Martin et al., 2019, Sharghi and Jeong, 2024）。

然而，此前关于泡沫混凝土及固废基喷涂材料的研究大多集中于其初始密度、强度、热性能和孔隙结构，而对其在含尘矿井空气中长期暴露后这些功能表面如何演变则关注甚少。在井下巷道中，空气中的颗粒物可不断沉积于墙壁和喷涂层表面，已沉积的煤尘随后可能因气流扰动或设备运行而再次悬浮（Zhang et al., 2026）。更重要的是，在粗糙多孔的水泥基表面上，积聚的颗粒会逐渐遮蔽表面凹凸，并阻塞可达孔隙的入口，从而减少可用于后续颗粒拦截的孔隙可及表面积。这种表面覆盖和孔隙堵塞还可能改变近表面的传热路径及材料的热响应。对其他多孔水泥基材料的研究表明，颗粒堵塞可逐渐减少可及孔隙通道，损害依赖孔隙的传输功能（Nan et al., 2021, Chen et al., 2024）。然而，这些研究主要涉及透水混凝土或多孔混凝土，而非煤尘污染的泡沫混凝土。因此，相关服役问题已超越材料的初始性能范畴，延伸至其煤尘捕集和热响应功能在表面污染后能否被保留或恢复。

水喷雾仍然是地下矿井中最广泛使用的煤尘控制方法之一，因其简单且工程适应性强。然而，水较高的表面张力和许多煤质表面的疏水性限制了液滴的铺展、渗透及与细粒煤粉的有效作用（Wu et al., 2026, Li et al., 2025a）。因此，大量研究探讨了表面活性剂辅助喷雾以改善煤的润湿性和控尘效果。已有研究表明，阴离子、阳离子和非离子表面活性剂可显著改变表面张力、接触角和煤-水界面行为（Li et al., 2013, Laskowski, 2001）。此外，还开发了润湿团聚和胶结抑尘剂以改善颗粒团聚和润湿后的稳定性（Gao et al., 2023, Jiang et al., 2021）。近期研究开发的多功能水基抑尘剂则掺入了吸湿盐、粘结剂等组分，以同时增强润湿、团聚和保水能力（Ma et al., 2018）。这些方法显著改善了喷雾液体与煤颗粒之间的相互作用；然而，其主要目标仍然是煤尘本身，特别是其润湿、沉降、团聚和短期去除。

这种区分对于表面活性剂-无机盐体系尤为重要。已有研究表明，电解质和无机盐可改变表面活性剂的吸附、界面行为和煤的润湿性，其效果强烈依赖于表面活性剂类型、离子种类和盐浓度（He et al., 2020, Han et al., 2025, Zhou et al., 2018）。近期实验和分子动力学研究进一步表明，无机盐可显著调控离子型表面活性剂体系中煤的润湿性（Wang et al., 2024）。然而，这些研究主要关注喷雾液体与煤颗粒之间的相互作用，性能通常以表面张力、接触角、润湿、沉降或团聚来评价。但对于受煤尘污染的多孔巷道材料而言，体系涉及三个耦合组分：喷雾液体、已沉积的煤尘层以及下方的多孔水泥基质。因此，有效清除已沉积煤尘并不必然意味着原材料功能的恢复。清洗后，被阻塞孔隙入口的重开、近表面区域的残留状态以及由此导致材料对后续沉积颗粒的捕集能力，都可能影响其服役性能。目前，已沉积煤尘清除、孔隙可达性、后续煤尘捕集、热响应和力学稳定性之间的关系很少在统一框架内加以考虑。此外，表面活性剂辅助润湿渗透与无机盐相关的近表面调控各自的作用机制仍缺乏充分理解。

为填补这些研究空白，本研究针对受煤尘污染的固废基泡沫混凝土探讨其功能恢复，而非仅关注短期除尘。研究采用序贯筛选策略优化以CTAB为基础的表面活性剂-无机盐喷雾体系，并从已沉积煤尘清除、二次煤尘捕集、热响应、力学稳定性和工程适用性方面评估候选配方。结合渗透试验、压汞法（MIP）、SEM/EDS表征和热分析，进一步考察了功能恢复过程。本研究的主要贡献在于建立了一个连接煤尘沉积、功能退化和喷雾诱导恢复的服役阶段框架，并提出了一种多目标配方选择方法。通过将宏观性能与孔隙可达性和近表面元素再分布相关联，研究为表面活性剂辅助清洁与CaCl₂介导的近表面调控之间互补作用的证据提供了支撑，为在含尘矿井巷道中维持功能多孔壁面材料提供了依据。

各节摘要

实验材料

本研究采用固废基泡沫混凝土作为基材。主要原材料包括普通硅酸盐水泥、煤矸石、粉煤灰、玄武岩纤维和陶粒，如图1所示（Fan et al., 2026），完整配方见表1。养护28天后，制备的泡沫混凝土干密度为0.96  g/cm³，抗压强度为13.52  MPa，导热系数为2.53 × 10^-8 m²/s。

在喷雾阶段，使用三种表面活性剂

煤尘沉积对材料性能的影响

在探讨喷雾诱导的功能恢复之前，首先分析了煤尘沉积对材料性能的影响。结果表明，煤尘沉积主要影响了材料的吸附性能和热响应特征。

如图5所示，随着吸附循环次数的增加，试件表面逐渐由浅灰色变为深灰色乃至近黑色，表明煤尘覆盖率持续增加。在初始吸附阶段

结论

本研究针对受煤尘污染的固废基泡沫混凝土，探讨了其功能退化及喷雾诱导的功能恢复，并优化了CTAB-无机盐喷雾体系。主要结论如下：

• (1)
  反复煤尘沉积逐渐降低了多孔表面的吸附能力，并改变了其瞬态热响应。原试件的最大稳定吸附能力为1.21  mg/cm²，而加热速率从3.67降至2.16  

作者确认

所有作者均已阅读并批准最终稿件。

资助信息

本研究得到国家自然科学基金（批准号52074266和51674242）的支持。

CRediT作者贡献声明

万志军：撰写——审阅与编辑、资源、经费获取。张源：撰写——审阅与编辑、方法论、经费获取、概念设计。常平：撰写——审阅与编辑、方法论、概念设计。范 Bowen：撰写——初稿撰写、方法论、调查研究、形式分析、数据整理、概念设计。黄玉成：撰写——审阅与编辑、资源、方法论、概念设计。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能对本文所述工作产生影响。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（批准号52074266和51674242）的支持。

范Bowen|黄玉成|万志军|张源|常平