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海底隧道盾构机衬砌与围岩间环形间隙的回填工艺需依赖机制砂和水泥基材料的协同作用。本研究聚焦超硫酸盐水泥（SSC）基回填材料的流变特性，通过对比掺入3种不同碱激发剂（Clinker, Calcium Carbide Slag）的SSC浆体，揭示了其触变性随激发剂类型及掺量的非线性变化规律，并建立基于Herschel-Bulkley模型（R2>0.99）的流变本构方程。工程验证表明，含3% Clinker的SSC浆体较普通硅酸盐水泥（OPC）回填体28天抗压强度提升28.7%，且具有更优的渗透阻隔性能。研究为海底隧道低碳回填材料的技术革新提供了理论支撑。
邵长治|张青松|唐浩天|黄长新|梁段
山东大学岩土与地下工程研究所，济南250061，中国
摘要
在隧道掘进机（TBM）施工中，衬砌与围岩之间的环形间隙通常首先用豌豆石进行回填，随后再灌浆。灌浆在豌豆石中的扩散特性及其在长距离运输过程中的稳定性研究依赖于其流变性能和触变特性。超硫酸钙（SSC）是一种环保的水泥基材料，与传统的普通波特兰水泥（OPC）相比，它具有更强的抗海水侵蚀能力和更好的体积稳定性。然而，SSC灌浆的流变性能和触变特性目前仍不甚明了，这限制了其在海底隧道中的应用。本研究通过流变试验探讨了水泥熟料（CC）和碳化钙渣（CS）含量对SSC灌浆触变性和流变参数的影响。试验结果表明，随着CC或CS含量的增加，SSC灌浆的触变性先增强后减弱。与Bingham模型和修正Bingham模型相比，Herschel–Bulkley（H–B）模型具有更高的拟合精度（R2 > 0.99），并能更好地描述SSC灌浆的非线性行为。流变曲线分析显示，SSC灌浆表现出典型的剪切稀化特性，且这种特性随着激活剂含量的增加而更加明显。此外，屈服应力、塑性粘度和稠度系数也随激活剂含量的增加而增大。基于实验数据，建立了一个考虑激活剂含量的流变本构方程，以定量预测SSC灌浆的流变性能。现场试验表明，含有3% CC的SSC灌浆在豌豆石中的渗透性更好，形成的固化体强度显著更高，28天抗压强度比OPC高28.7%。本研究为推进SSC在TBM隧道回填工程中的应用提供了理论指导，并促进了灌浆材料的可持续性和高性能发展。
引言
自21世纪以来，海底隧道建设进入了快速发展阶段。由于对地层的干扰小、安全性高和挖掘效率高，隧道掘进机（TBM）被广泛应用于海底隧道施工（Wang等人，2025年；Zhang等人，2024b年）。由于管节的外径小于TBM的挖掘面直径，管节衬砌与围岩之间会形成环形间隙（Huang等人，2018年；Ye等人，2019年）。因此，需要先向间隙内吹入豌豆石，再注入水泥灌浆（Li等人，2020年；Yang等人，2024年），这是确保隧道结构稳定性和密封性的关键步骤（Liu等人，2021a年；Sung等人，2024年）。
目前，TBM隧道中最常用的灌浆材料是普通波特兰水泥（OPC）（Mao等人，2020年；Yang等人，2022年）。然而，在实际应用中，OPC存在两个主要问题：抗海水侵蚀能力差和碳排放量高。例如，Li等人（2017年）发现，经过90天的海水浸泡后，水泥浆的抗压强度显著下降。虽然外加剂和辅助材料在一定程度上改善了OPC的抗海水侵蚀性能（Wang等人，2021年；Wang等人，2023a年；Wang等人，2023b年），但未能从根本上解决问题。这是因为OPC的水化产物与海水中的离子发生反应，导致体积膨胀、裂缝形成，最终材料失效（Ghafoori等人，2008年）。一旦填充层失效，可能会导致隧道结构损坏，造成重大经济损失和人员伤亡，且修复工作极为困难。此外，由于石灰石的煅烧和化石燃料的消耗，每生产一吨水泥会释放0.83–1.08吨二氧化碳（Cavalett等人，2024年）。据统计，水泥生产占全球年碳排放量的约7%（Cao等人，2020年）。因此，迫切需要开发一种兼具优异抗海水侵蚀能力和低碳特性的新型灌浆材料，以确保海底隧道的长期安全并促进基础设施的可持续发展。
超硫酸钙（SSC）是一种低碳的水泥基材料，主要由高炉矿渣（BFS）、石膏和碱性激活剂组成（Gruskovnjak等人，2008年；Juenger等人，2011年）。与传统的OPC相比，SSC的二氧化碳排放量减少了67–91%（Cabrera-Luna等人，2021年；Sun等人，2022年），从而具有显著的环境效益。在性能方面，SSC具有较高的抗硫酸盐和氯化物能力（Chang等人，2024年；Pinto等人，2020年），以及优异的体积稳定性和不透水性（Blotevogel等人，2024年；Liu等人，2019年；Wu等人，2024年）。SSC的水化反应依赖于碱性激活剂提供的碱性环境，这有助于高炉矿渣的分解及其与石膏的反应，形成水泥质产物（Cabrera-Luna等人，2023年；Zhou等人，2021年）。近年来，红泥、钢渣和碳化钙渣（CS）等碱性固体废物已成功用作激活剂，替代了传统的水泥熟料（CC），进一步降低了SSC的碳排放（Luo等人，2025a年；Ouyang等人，2024年；Wang等人，2024年）。尽管SSC的初凝时间较长（约12小时）和早期抗压强度较低（3天时约为6 MPa）（Wu等人，2021年），但由于豌豆石对管节衬砌的有效早期支撑，它仍适用于回填应用（Liu等人，2020年），从而减少了对快速凝固和高早期抗压强度的需求。总之，SSC特别适合用于海底隧道环境的灌浆工程。
浆体的流变性能是分析灌浆扩散的基础（Zhang等人，2022年）。关键参数包括屈服应力和塑性粘度以及触变性，这些参数共同决定了TBM灌浆的质量（Bohloli等人，2019年；Liu等人，2024年）。具体来说，屈服应力决定了最低泵送压力（Mohan等人，2021年；Secrieru等人，2018年），塑性粘度影响管道中的泵送效率和豌豆石颗粒间的渗透性（Zhang等人，2024a年），而触变性则确保了抗分离性和结构稳定性（Sha等人，2025年）。这三个参数的协同作用直接决定了灌浆体的密实度和力学性能，从而确保了隧道结构的长期稳定性。
目前，关于SSC流变机制的系统研究仍然有限。主要问题包括：（1）碱性激活剂含量对浆体触变性和流变参数的影响尚未完全明了（Cabrera-Luna等人，2023年；Gijbels等人，2020年）；（2）不同模型得到的拟合结果存在显著差异（Wallevik等人，2015年），导致屈服应力等关键参数的值不一致。这些不一致性阻碍了施工参数的精确确定，限制了对SSC流变的主动控制，复杂化了浆体泵送性和抗分离性能的优化，降低了结构施工的效率，最终限制了SSC在TBM灌浆工程中的大规模应用（Liu等人，2024年）。
总之，超硫酸钙（SSC）的水化反应依赖于碱性激活剂提供的碱性环境，其流变性能直接影响其泵送性、扩散能力和在TBM回填过程中的抗分离能力。目前，水泥熟料（CC）是最常用的SSC激活剂，而碳化钙渣（CS）是一种新兴的碱性固体废物激活剂，近年来显示出广泛的应用潜力。这两种激活剂代表了当代工程实践中两种最典型的碱性激活途径。研究CC和CS含量对SSC流变行为的影响，不仅有助于阐明不同激活机制下浆体性能的变化，还为开发可量化的优化设计方法提供了必要的理论支持。因此，理解CC和CS如何影响SSC的流变性能对于推动该材料从实验室研究向实际工程应用的转化至关重要。
本研究通过改变CC和CS的含量，探讨了SSC灌浆的触变性和关键流变参数（剪切应力、屈服应力和塑性粘度）的变化。使用多种本构模型分析了流变行为，并建立了剂量依赖的流变关系，以便定量评估浆体性能。此外，还提出了一种方法来确定平衡泵送效率和结构稳定性所需的表观粘度阈值，为灌浆参数优化提供了指导。进一步进行了现场规模的灌浆试验，以评估SSC灌浆在TBM回填条件下的工程适用性。
部分摘录
原材料
本研究使用普通波特兰水泥熟料（CC）、烟气脱硫石膏（FGDG）、高炉矿渣（BFS）和碳化钙渣（CS）制备了超硫酸钙（SSC）。原材料的粒径分布如图1所示。BFS、FGDG、CC和CS的中位粒径分别为5.81微米、9.21微米、30.71微米和29.61微米。此外，还使用X射线荧光光谱法分析了原材料的化学成分
触变性
图4(a)展示了不同水泥熟料（CC）含量的水泥熟料基超硫酸钙（CC-SSC）灌浆的流变曲线。触变性是评估灌浆稳定性和可操作性的关键指标。在流变分析中，触变环面积（剪切应力上升曲线和下降曲线之间的积分）表征了灌浆的触变行为（Zhang等人，2021年）。如图4(b)所示，所有样品均表现出明显的触变性
结论
本研究探讨了用于海底隧道回填的超硫酸钙（SSC）灌浆的流变性能和触变性。基于实验室实验和现场验证，可以得出以下结论：
(1) 碱性激活剂的类型和含量的变化会导致SSC灌浆的流变行为和触变特性的明显变化。适当的激活剂含量有助于
局限性与未来工作
本研究的理论模型构建和验证可以在以下几个方面进一步改进。所有实验均使用去离子水进行，有效减少了不受控制的离子干扰，但未能考虑氯化物和硫酸盐对水化机制和流变行为的潜在影响。为了更准确地反映海底隧道中的实际条件，未来的研究应结合环境因素
作者贡献声明
邵长治：撰写——初稿、正式分析、概念构思。张青松：资金获取、概念构思。唐浩天：撰写——审阅与编辑、调查。黄长新：监督、方法论。梁段：撰写——审阅与编辑、调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
作者非常感谢国家自然科学基金[编号：52478398]和泰山学者项目专项基金的财政支持。
