低碳LC3-纳米二氧化硅盾构隧道同步注浆材料开发：流变学、水化特性及多维度评估

《Sustainable Materials and Technologies》：Developing low-carbon LC3-Nanosilica synchronous grouts for shield tunnels: Rheology, hydration, and multi-dimensional assessment

　　

## 摘要

盾构隧道掘进机（TBM）采用同步注浆技术填充管片衬砌后的环形间隙，从而最大限度地减少地面沉降并在水层环境中提供支撑。由于黏土基材料的内聚性，保持含有黏土基材料的浆体的泵送性能极具挑战性，特别是在必须同时维持其力学性能的情况下。本研究通过用石灰石煅烧黏土水泥（LC3）（10–90%）替代普通波特兰水泥（OPC），并掺入纳米二氧化硅（0–2%）作为性能增强剂，开发了低碳TBM同步浆。研究评估了浆体的新鲜状态行为、流变性、恒定剪切下的时变结构建立、水养和空气养护条件下28天的力学性能以及微观结构特征。研究结果通过六个归一化指数和加权综合性能（OP）分数进行综合评估，并以参考混合物为基准进行归一化。在整个系列混合物中，mini-slump扩展度降低了最多40%（从309.75 mm降至186.5 mm），流动度筒流下时间从14 s增加至58 s，所有LC3混合物均表现出零泌水。表观屈服应力和塑性黏度分别为0.94至2.89 Pa和0.0111至0.0284 Pa·s，而响应时间t??从6.91 min降至0.96 min（降幅86%）。力学性能最佳的LC3-纳米二氧化硅混合物在28天抗压强度上比OPC参考值高出20%，抗折强度高出104%，而70%和90%的LC3替代率导致强度分别降低67–92%。水养强度保留率保持满意水平（WLSR = 0.89–1.11）。与OPC相比，LC-30-NS0的摇篮到大门隐含碳排放降低了23.0%，LC-70-NS0降低了53.6%。LC-70-NS0排名第最高（OP = 1.158），而力学性能最强的LC-30-NS2的OP为1.027，凸显了强度与可持续性之间的权衡关系。

## 引言

隧道已成为当代交通运输和地下基础设施系统中不可或缺的组成部分，为城市化的日益增长需求提供了高效且可持续的解决方案。目前全球约55%的人口居住在城市地区，预计到2050年这一比例将增至68%，因此建设地下交通和公用事业廊道变得日益必要[1]。机械化隧道掘进，特别是通过使用盾构隧道掘进机（TBM），通过在人口密集地区复杂的软土地层中进行安全可控的开挖，极大地推进了城市隧道建设能力[2]、[3]。

盾构隧道施工中的关键工序是同步（盾尾空腔）注浆，即在已开挖的土体和预制衬砌管片之间的环形间隙中填充浆体，以确保荷载传递、地面稳定及沉降控制[4]、[5]。同步注浆材料的性能受其从液态到固态这一复杂转变过程中的行为所支配。在新鲜（液态）状态下，需要足够的流动性、泵送性和填充能力，以促进浆体的制备、运输和注入。相反，在凝固和硬化后，则需要足够的刚度、强度和体积稳定性，以限制注浆后的变形并确保长期结构完整性[6]、[7]。因此，同步注浆材料必须满足严格且常常相互竞争的新鲜状态和硬化状态性能要求，使其配方和优化极具挑战性。

传统同步浆以水泥基为主。然而，由于其广泛使用带来的高碳影响，引发了重大的环境担忧，因为波特兰熟料生产伴随着大量的二氧化碳排放。水泥行业约占全球CO?排放量的8%，凸显了对更可持续胶凝材料系统的迫切需求，这些系统应能在保持或提高技术性能的同时减少环境影响[8]、[9]。在可用的辅助胶凝材料中，煅烧黏土和石灰石因其全球丰富的储量和巨大的未开发潜力而脱颖而出，与日益供应受限的粉煤灰和矿渣相比，它们尤其适合大规模基础设施应用。石灰石煅烧黏土水泥（LC3）已成为普通波特兰水泥的一种有前景的低碳替代品，具有较低的熟料含量、改善的资源效率[10]、[11]、[12]，以及改善的材料和结构尺度的力学和耐久性性能[13]。在LC3体系中，黏土在约700–850°C的温度下煅烧，这远低于熟料生产所需的温度（1450°C）。这使得能耗降低、CO?排放减少，且无需高度复杂的设备[14]、[15]、[16]。尽管LC3在混凝土应用中已展现出强大潜力并得到越来越多的采用，但其在盾构隧道同步注浆中的适用性在很大程度上仍未被探索。

在胶凝复合材料中研究过的纳米材料包括纳米二氧化硅、纳米Al?O?、纳米Fe?O?、纳米TiO?、纳米黏土、碳纳米管和氧化石墨烯，尽管它们的主要局限性各不相同。碳基纳米材料如氧化石墨烯可以改善界面粘结、细化反应产物并提供特殊的耐久性优势；然而，其效果强烈依赖于胶凝体系。例如，Tran等人[17]发现0.1%的氧化石墨烯增强了碱激发反应并提高了碱激发的强度，但降低了相应水泥基体系的流动性和抗压强度。纳米Al?O?、纳米Fe?O?、纳米黏土和碳纳米管主要被研究用于填充、成核、增强和裂缝控制作用[18]。

在这些纳米材料中，纳米二氧化硅（NS）被广泛研究，以确定其掺量如何影响胶凝体系的新鲜状态和硬化状态性能。Cai等人[18]报告称，低NS掺量增加了喷混砂浆的黏度和屈服应力并细化了孔隙结构，尽管流动性随掺量的增加而逐渐降低。Su等人[19]同样发现2%的NS提供了最强的力学和抗冻融性能，而更高的掺量由于团聚风险而提供的益处较少。这些特性与同步浆的竞争性要求密切相关：在运输和注入过程中需要足够的泵送性，随后需要结构发展、稳定性和力学强度增长。因此，NS被选为目标低掺量改性剂，并明确评估了其工作性、分散性、成本和隐含影响的权衡关系。在纳米二氧化硅操作过程中的职业暴露仍然是重要的安全考虑因素，这与世界卫生组织关于制造纳米材料的风险评估和暴露控制指南一致[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。

先前的浆液研究提供了有用的对比：Güllü等人报告了在碱激发浆中1.5%纳米二氧化硅时获得最高强度，在波特兰水泥浆中确定2%纳米二氧化硅为峰值强度掺量，并发现纳米二氧化硅是控制粉煤灰基压密浆流变性和新鲜状态性能的主要因素[25]、[26]、[27]。然而，这些研究侧重于注浆柱或压密注浆，并未研究LC3基盾构TBM盾尾空腔浆、剪切历史依赖性、恒定剪切下的时变应力发展、养护条件敏感性，或综合隐含影响和成本评估。

近期研究还通过大规模利用工业固体废物探索了低碳注浆材料。Li等人[28]开发了一种碱激发固废胶凝材料，并评估了其新鲜状态、力学、微观结构、经济和环境性能。后续研究考察了浆液浓度对煤矸石骨料注浆混凝土性能和可持续性的影响[29]。最近，由类似工业副产品生产的无熟料碱激发注浆混凝土在高温地下环境下的收缩、损伤演化、微观结构和重金属固化得到了研究[30]。这些研究展示了固废基浆在采矿和地下回填方面的潜力。然而，其主要研究目标涉及固废活化、骨料离析、地温暴露或浸出安全性。

关于替代岩土材料稳定性的研究也为混合物开发和性能评估提供了有用的方法学视角。Güllü和Fedakar通过无侧限抗压强度、养护龄期和抗冻融性能试验评估了污泥灰和聚丙烯纤维改性砂[31]。析因实验设计和效应量分析也被用于考察含废水污泥灰粗粒材料中的组分掺量、变量交互作用和实际性能范围[32]。这些方法突出了整合系统性实验设计、养护条件、耐久性暴露、交互作用和基于性能的掺量选择的价值。

在基础设施尺度上，地下系统的性能受地震需求、局部地层条件、动态土-结构相互作用以及周围天然或人工空洞的稳定性的影响。对备选地震动预测方程的逻辑树加权以及区域地震危险性分析已被用于量化模型不确定性和局部场地效应[33]、[34]。嵌入式基础的动态研究进一步证明了土密度、激励水平和共振条件在地-结构响应中的重要性[35]。类似地，近地表石灰岩洞穴的危险评估模型结合了空洞几何形状、顶板稳定性、岩体条件和数值分析来评估地下坍塌敏感性[36]。总体而言，这些研究为未来整合时变浆体性能与隧道-土体相互作用、衬砌响应、地震韧性和长期地下稳定性提供了更广阔的系统视角。

尽管在固废基浆和纳米改性胶凝材料方面取得了进展，但在盾构TBM同步盾尾空腔注浆中联合使用石灰石煅烧黏土水泥（LC3）和纳米二氧化硅仍然不够完善。特别是，以往的研究尚未系统地建立LC3替代率和纳米二氧化硅掺量与可注入性相关流动行为、稳定性、表观流变响应、剪切历史依赖性、恒定剪切下的时变应力发展、力学性能和隐含影响之间的联系。因此，检验了两个假设：首先，低纳米二氧化硅掺量可以增强早期结构发展并部分补偿LC3浆中熟料稀释导致的强度损失；其次，中等LC3含量配合有限纳米二氧化硅掺量的混合物将在泵送性、稳定性、早期应力发展和力学性能之间提供比含有很高LC3或纳米二氧化硅含量的混合物更为有利的平衡。

为检验这些假设，以全OPC浆为参考，研究了18种含0–90% LC3替代和0–2%纳米二氧化硅的混合物。新鲜状态性能通过流动度筒流下时间、mini-slump扩展度、泌水和视觉稳定性进行评价。表观流变行为通过使用流动曲线、滞后参数和恒定剪切下的时变应力发展进行表征。评估还辅以抗压和抗折强度测试、养护条件敏感性分析、SEM-EDS观察以及摇篮到大门的碳、能量、成本和多指数性能评估。

相对于以往主要关注碱激发采矿浆、地下回填材料或胶凝体系中孤立纳米二氧化硅效应的研究，本研究的创新之处在于对LC3-纳米二氧化硅同步浆进行了整合的且专门针对盾构TBM的评价。本研究的重大意义在于提供了一个实验和决策框架，用于确定平衡可运输性、早期结构发展、力学充分性、减少熟料消耗、隐含碳、能源需求和材料成本的实用浆体组成。因此，研究结果为盾构隧道施工中选择影响更小的同步盾尾空腔浆提供了基于证据的基础。

## 原始材料

普通波特兰水泥OPC（42.5等级）用作主要胶凝材料。煅烧黏土是商用的反应活性高的偏高岭土（MK），由焦作玉康矿业有限公司（中国）提供，石灰石粉来源于美石博（中国河南省）。纳米二氧化硅（Nano-SiO?）由上海百生悦生物科技有限公司提供，平均粒径为15 nm。本研究选择纳米二氧化硅是因为其高反应活性的非晶态SiO?能够提供……

## 新鲜性能

表4总结了所研究浆体的新鲜状态和早期性能指标，包括凝结时间、新鲜/硬化密度、pH值、2小时静置温度、泌水（B???）和视觉稳定性指数（VSI）。总体而言，增加LC3替代率会降低浆体的新鲜和硬化密度，这与从熟料丰富的OPC向较低比重和不同堆积/含气特性的辅助组分的过渡是一致的。

## 结论

本研究调查了18种含0–90% LC3替代和0–2%纳米二氧化硅的盾构TBM同步浆混合物，并评估了其新鲜状态、表观流变、力学、微观结构以及摇篮到大门的性能。主要发现如下：

（1）LC3和纳米二氧化硅改善了浆体的稳定性，但逐渐降低了流动性。所有含LC3的混合物均表现出零泌水，VSI值不超过1，而mini-slump扩展度从309.75 mm降至186.5 mm，并且CRediT作者贡献声明——

Mujeeb ur Rehman：撰写——初稿，可视化，软件，方法论，正式分析，数据整理。

Hai Liu：撰写——审阅与编辑，资源，调查，获取资金。

Zhihong Fan：验证，资源，正式分析。

Junzuo He：软件，方法论，概念化。

Chao Liu：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，获取资金，概念化。

## 利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本研究中呈现的工作。

## 致谢

本研究由广东省自然科学基金（编号2026B1515020022和2024B1515040017）和中国国家自然科学基金（资助号52178385）资助。

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