基于赤泥的地质聚合物灌浆材料的开发与性能研究——助力固体废弃物的资源化利用

《Environmental Research》：Development and Performance of Red Mud-Based Geopolymer Grout Enabling Utilization of Solid Wastes

盾构隧道尾部注浆用地聚物材料开发及性能优化研究，基于红泥与煤系烧制高岭土的复合原料，通过正交实验考察配比、碱激发剂配比、Na2O含量及水灰比对材料流动性、力学强度及微观结构的影响，结合电化学阻抗谱与XRD分析证实多因素协同效应下N-A-S-H凝胶形成机制，提出兼顾性能与成本的最优配比方案。

　　

赵晨浩|董晓强|梁佳欣|刘伟|郝浩杰

太原理工大学土木工程学院，中国山西省太原市迎泽西路79号，030024

摘要

为响应低碳战略，本研究开发了一种用于盾构隧道尾注浆的地质聚合物灌浆材料，以红泥（RM）和煤系偏高岭土（CMK）为主要原料。采用三级四因素正交实验设计，研究了RM/CMK质量比（RM/CMK）、SiO₂与Na₂O的摩尔比（SiO₂/Na₂O）、Na₂O含量（Na₂O%）以及水胶比（w/b）对多性能特性的影响。二次多项式回归模型揭示了影响新鲜状态性能、力学强度和微观结构致密性的主要因素。通过电阻率和电化学阻抗谱（EIS）评估了电性能，而X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）则用于表征矿物组成和微观结构。通过多目标优化确定了性能最优和成本最优的混合设计。结果表明，w/b和Na₂O%是影响灌浆流动性、稠度、稳定性和凝固时间的主要因素；Na₂O%与SiO₂/Na₂O之间的协同作用促进了N-A-S-H凝胶的形成和强度发展。电性能和微观结构分析显示，该材料具有致密的微观结构和受限的离子传输特性，表现出优异的电化学稳定性和耐腐蚀性。性能最优的混合比（RM/CMK = 1.32，SiO₂/Na₂O = 1.56，Na₂O% = 3.97%，w/b = 0.52）28天时的抗压强度为9.12 MPa；成本最优的混合比（RM/CMK = 1.25，SiO₂/Na₂O = 1.27，Na₂O% = 2.11%，w/b = 0.45）的成本为20.76美元/吨。该材料满足盾构隧道灌浆的要求，在性能、经济性和环境效益方面取得了平衡，具有很强的工程应用潜力。

引言

随着气候变化的加剧和环境污染的加重，建设资源高效和环保的社会已成为可持续发展的全球共同目标（Mikhno等人，2021；Saxena，2025；Sun和Zhang，2022；Xu和Tang，2024）。在中国，“双碳”战略下，政府积极推广节能和固体废物的资源化利用，并将碳达峰和中性目标纳入生态发展议程（Chen等人，2025；Du，2023；Jiang等人，2024）。作为碳排放的主要来源，建筑行业面临着巨大的绿色转型压力（Manifold等人，2024），尤其是考虑到传统水泥基材料的高能耗和排放问题（Chen等人，2023；Naqi和Jang，2019；Terán-Cuadrado等人，2024）。在此背景下，工业固体废物的资源化利用被认为是发展可持续建筑材料的重要途径。红泥（RM）和煤矸石分别是氧化铝生产和煤炭开采的典型大规模工业废弃物。中国每年产生的红泥超过7000万吨，长期堆放会导致土地占用和碱性污染及重金属渗漏等潜在风险（Al-Fakih等人，2023）。同时，煤矸石年产量超过8亿吨，不当处理会引发严重的环境问题，包括土地退化和渗滤液污染（Guo等人，2024）。促进这些废弃物在建筑中的高值利用不仅减轻了环境压力，还为绿色和低碳材料的发展创造了新的机会。

近年来，红泥和煤矸石的资源化利用潜力引起了研究人员的广泛关注（Ahmadi等人，2022；Bo?kovi?等人，2019；Mendes等人，2021）。红泥富含SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等活性矿物成分，通过适当的改性和碱活化可转化为具有优异力学性能和环境耐久性的无机建筑材料，从而提供了一种安全处置的技术途径，同时减少水泥生产相关的碳排放（Mounika等人，2023；Hai等人，2024）。通过高温煅烧，煤矸石可转化为具有高火山灰活性、高Si/Al比和稳定结构的煤系偏高岭土（CMK），使其成为有前景的铝硅酸盐资源（Arnoult等人，2019；Jindal等人，2023）。尽管已探索将其部分用作水泥添加剂，但其整体利用率仍有限。在这种情况下，从富含SiO₂和Al₂O₃的固体废物在碱性条件下通过聚缩反应合成的地质聚合物-铝硅酸盐粘合剂，因其基于N-A-S-H凝胶形成的独特反应机制，被认为是传统水泥的理想替代品（Alanazi等人，2019；Amin等人，2022；Rakhimova，2022）。这些材料具有早期强度高、体积稳定性好、化学抗性强和低碳足迹低的综合优势（Ikotun等人，2024；Mohmmad等人，2023；Shamsol等人，2024；Shehata等人，2022）。研究表明，红泥和CMK均具有良好的反应性，它们的联合使用可以显著提高地质聚合物系统的反应性和结构完整性（Feng等人，2022；Wei Song等人，2023）。地质聚合物已在土壤稳定、路面加固和建筑材料等领域取得初步成功，显示出良好的工程适应性和环境效益（Lu等人，2023；Yao等人，2021）。然而，关于地质聚合物灌浆在盾构隧道尾注浆应用中的性能演变和工程可行性的系统研究仍不足。

在实际的城市隧道建设项目中，由于盾构法具有较高的挖掘效率和施工安全性，已被广泛采用（Li等人，2022；Huang等人，2021；Liang等人，2022；Zhou等人，2021；Liang等人，2025a）。在盾构推进项目中，尾注浆是一项关键技术，用于控制地面变形、减小盾构尾部与衬砌之间的间隙并提高隧道衬砌的结构稳定性。这一过程对确保隧道施工的安全性和质量至关重要（W. Liu等人，2023；Cui等人，2022；Liang等人，2025b；Zhu等人，2024；Chen等人，2024）。目前，大多数灌浆材料基于水泥基单液或双液灌浆。然而，这些材料存在一些固有局限性。一方面，水泥基材料在水化过程中会发生体积收缩，导致硬化后的灌浆体产生微裂纹，从而降低其整体致密性和耐久性，进而影响盾构隧道衬砌的长期使用性能（Song等人，2024；Weilong Song等人，2023；Yao等人，2023；Zhang等人，2024）；另一方面，水泥的生产与高能耗和大量碳排放相关，这与绿色和低碳发展的战略目标相悖（Suarez-Riera等人，2024；Supriya等人，2023）。这些传统灌浆材料的典型成分和局限性，以及盾构尾注浆的应用场景，在图1中进行了示意性总结。因此，迫切需要开发低碳排放、高稳定性和可持续性的绿色灌浆材料，以满足盾构隧道施工对质量和效率日益增长的需求。

本研究提出了一种新型的地质聚合物灌浆材料，以拜耳红泥（Bayer RM）和煤系偏高岭土（CMK）为主要原料，并通过硅酸钠和氢氧化钠的组合进行活化。采用三级四因素正交实验设计，系统研究了关键混合参数（包括RM/CMK质量比、碱活化剂中的SiO₂/Na₂O摩尔比、灌浆中的Na₂O质量分数（Na₂O%）以及水胶比（w/b）对灌浆基本性能的影响。通过多元回归建模、性能因素分析、电性能测试和微观结构表征，阐明了性能演变和材料优化的机制。此外，建立了多目标优化模型，以确定既实现最佳性能又最小化成本的混合设计。这些发现有助于推动地质聚合物材料在隧道灌浆工程中的绿色应用，并为红泥、煤矸石和其他工业固体废物的资源化利用提供理论和技术支持。

材料

本研究使用拜耳红泥（Bayer RM）和煤系偏高岭土（CMK）作为主要原料。RM来自中国山西省一家氧化铝厂生产过程中的固体废弃物，经过自然堆放。为确保材料一致性，RM在105°C下烘干后进行研磨和筛分，得到均匀细粉。CMK来自中国山西省的一家煅烧高岭土制造商，通过高温煅烧从煤矸石中提取。

测试结果

研究基于实验设计对新鲜状态性能和无约束抗压强度进行了测试。部分样本由于流动性过高，未能获得有效的流动性数据。后续分析将重点关注多元回归建模和交互效应评估，以明确关键混合参数对灌浆性能的影响模式。

多元回归分析

为了量化混合设计的影响

灌浆比例优化分析

为了实现对盾构隧道尾注浆材料多性能指标的全面优化，本研究基于先前的实验和回归建模建立了性能预测函数。使用MATLAB实现的非支配排序遗传算法II（NSGA-II）进行了混合设计优化分析。优化目标有两个方面：首先，从力学强度和可操作性方面最大化灌浆性能

结论

本研究开发了一种适用于盾构隧道尾注浆的地质聚合物灌浆材料，以拜耳红泥和煤系偏高岭土为主要原料。采用三级四因素正交实验设计，通过回归建模、交互作用分析、电性能测试和微观结构表征，系统研究了RM/CMK、SiO₂/Na₂O、Na₂O%和w/b对多性能特性的影响。

CRediT作者贡献声明

赵晨浩：撰写——原始草稿、方法论、概念化。董晓强：监督。梁佳欣：撰写——审阅与编辑、监督。刘伟：监督。郝浩杰：数据整理

未引用参考文献

ASTM C109/C109M-24, 2024; ASTM C1329/C1329M-25, 2025; ASTM C1437-20, 2020; ASTM C1586-20, 2020; Li等人，2025; Liu等人，2023; Liu等人，2023; Song等人，2023; Song等人，2023.

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了多个来源的资助：国家自然科学基金（项目编号：52508399、52378360和51978438）、山西省基础研究计划（项目编号：202403021212155）、山西省高等学校科技创新计划（项目编号：2024L044）以及山西省研究生研究与创新项目（2025XS084）。此外，还得到了山西省土木工程灾害重点实验室的支持