《Case Studies in Construction Materials》：Synergistic optimization of nanosilica sol-calcium aluminate cement composite grout by silica micropowder: Effects on microstructure and sealing performance
编辑推荐：
为优化纳米硅溶胶-铝酸钙水泥(CAC)复合灌浆材料的可注性、早期强度和封堵性能，本研究系统探究了以硅微粉(Silica Micropowder)部分替代CAC的影响。结果表明，适量硅微粉(10%)能通过微填充与稀释效应的协同作用，优化浆体多尺度微结构，显著提升抗压强度约7%，并将注浆后岩心渗透率降低三个数量级以上，为深部裂隙岩体高效加固防渗提供了新材料设计思路。
在地下工程，如矿山巷道支护、隧道加固与防渗等领域，灌浆技术是应对不良工况的常用手段。其核心在于将特制浆液注入岩体的孔隙与裂隙中，以增强围岩力学强度并降低其渗透性。理想的灌浆材料需兼具优异的流动性、可注性，以及在凝结硬化后提供足够的早期力学强度。纳米硅溶胶-铝酸钙水泥(CAC)复合灌浆材料，结合了纳米硅溶胶高可注性与CAC快硬高强的优势，已成为新一代灌浆材料的研究热点。然而，纳米硅溶胶(纳米级颗粒)与CAC(约40微米级颗粒)之间固有的粒径差异高达数个数量级，这直接导致复合浆体体系的粒径分布连续性不足，难以在复合过程中形成致密的堆积结构和牢固的界面耦合。
为破解这一难题，研究人员将目光投向了一种新型矿物掺合料——硅微粉。它主要由天然粉石英经破碎、粉磨工艺制成，其超细颗粒能有效填充体系内的微空隙，增加基体密实度。理论上，经细磨的硅微粉可以弥合纳米级硅溶胶颗粒与约40微米CAC颗粒之间的粒径鸿沟，从而改善复合灌浆材料的整体性能。尽管已有研究表明矿物掺合料对水泥浆体的耐久性、强度和工作性具有优化作用，但关于其对纳米硅溶胶-CAC复合灌浆材料注浆性能影响的研究尚属空白。为此，本文尝试以硅微粉部分替代CAC，旨在改善纳米硅溶胶-CAC复合灌浆材料的可注性、流动性和早期强度，并阐明硅微粉掺量对该复合体系注浆封堵行为的影响。此项研究发表在《Case Studies in Construction Materials》期刊上。
本研究采用了几项关键技术方法。首先，通过旋转粘度计和电子万能试验机，系统测试了不同硅微粉掺量下复合浆体的粘度时变曲线和3天抗压强度，以评估其流变性能与早期力学性能。其次，利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分析了硬化产物的微观形貌与矿物组成变化，揭示了性能变化的机理。核心的封堵性能研究则基于试样尺度注浆实验：采用人工岩心(由24目碳化硅经高温烧结技术制备)模拟天然岩体，在设定围压、注浆压力和时间下进行注浆。注浆后，综合运用核磁共振(NMR)技术，特别是恒定梯度选择性核磁共振方法，并结合饱和-干燥法分区测试孔隙率，从跨尺度角度系统阐明了注浆岩体的封堵演化机制。
硅微粉掺量对纳米硅溶胶-CAC复合灌浆料基本性能的影响
研究揭示了硅微粉掺量对复合体系流变性能与早期抗压强度的规律性影响。粘度测试表明，浆体粘度随时间呈典型的指数增长。当硅微粉掺量较低(0–10%)时，硅微粉的成核效应加速了凝结过程；而当掺量较高(15–30%)时，由于活性CAC相被稀释，凝结被逐渐延迟。高掺量硅微粉有效延长了复合灌浆料的可操作时间窗口。抗压强度变化则呈现出先增后减的趋势。当掺量为10%时，抗压强度达到峰值(约46 MPa)，比未掺硅微粉的样品(约42 MPa)高出约7%，这主要得益于硅微粉的微填充效应增强了体系密实度。然而，当掺量超过10%后，由于有效反应组分减少及填料比过高限制了结构骨架的形成，强度逐渐下降。微观结构分析显示，随硅微粉掺量增加，浆体水化结构从片状、絮状的铝酸钙水化物(如CAH10, C2AH8)逐渐向致密的凝胶状硅铝酸钙水化物(C-A-S-H)结构转变。但过量掺入(20–30%)会导致微裂纹和颗粒堆积，XRD图谱也显示存在未反应的硅微粉残余，表明过高的硅微粉掺量削弱了水化反应。
硅微粉掺量对纳米硅溶胶-CAC复合灌浆料注浆特性的影响
注浆后岩样的渗透系数与孔隙率特征
注浆后所有岩样的渗透系数均降至10?6cm/s量级，比注浆前降低了至少3个数量级，属于极低透水性范畴。不同掺量组的渗透系数呈明显的非线性变化趋势。将注浆后岩样从注入端至流出端等距切割为四段(Z1, Z2, Z3, Z4)并进行孔隙率测试，发现所有掺量组沿流动方向的孔隙率均呈现Z1 < Z2 < Z3 < Z4的分布，即越靠近注入端越致密，越远离则孔隙率越高。这是由于浆体中较粗的颗粒或团聚体优先在近端孔喉处被截留，形成滤饼，导致注入端(Z1)快速致密化，并显著降低了浆体的渗透能力，致使流向远端的固液通量减少，从而在远端(Z4)形成填充不足的区域。在所有掺量组中，20%掺量组的平均孔隙率最低，表明该掺量下浆体的填充与致密化能力最优。
注浆后岩样微孔隙的优化特征
通过恒定梯度选片序列核磁共振技术分析发现，注浆前岩样的T2谱呈单峰，主峰位置超过1000 ms，对应孔径超过10000 nm，以自由水为主。注浆后，岩样T2位置基本集中在1–100 ms区间，即主控孔径变为10–1000 nm，水状态以结合水和毛细水为主。岩样前30 mm与后70 mm的核磁谱呈现出明显的分区特征：低幅值区与高幅值区。高幅值区的孔隙体积是低幅值区的5–20倍，且其核磁谱均呈现高低双峰形态，表明高幅值区的微观结构也较为致密。随着硅微粉的加入，长T2峰(对应大孔隙>200 nm)显著减弱，而中短T2区域信号增强并左移，表明中小孔隙增加、孔径减小，清晰地反映了孔隙结构由粗到细的细化过程。根据无害孔(<20 nm)、少害孔(20–50 nm)、有害孔(50–200 nm)和多害孔(>200 nm)的孔径分类，绘制了注浆岩体孔径分类堆积直方图。随着硅微粉掺量增加，大孔隙(有害孔和多害孔)比例显著下降，小孔隙(少害孔和无害孔)比例增加。当硅微粉掺量增至15–20%时，孔隙细化最为明显。进一步增加掺量(>25%)，由于浆体过密或硅微粉团聚，孔隙细化效应趋于饱和。
研究结论与意义
本研究的结论可归纳为以下三点：
- 1.
硅微粉能显著调控复合灌浆料的流变行为与凝结过程。低掺量(0–10%)时因其成核效应加速凝结，高掺量(15–30%)时则因稀释主导效应而延迟凝结。适量掺入硅微粉可有效控制工作性，改善注浆可注性。
- 2.
硅微粉通过微填充效应提高了浆体的密实度与早期强度。复合浆体3天抗压强度随硅微粉掺量呈“先增后减”趋势，在10%掺量时达到峰值。适量硅微粉填充了硅溶胶纳米粒子与CAC颗粒之间的尺寸间隙，优化了颗粒级配与结构骨架形成。
- 3.
硅微粉增强了注浆后岩体的渗透封堵性能。注浆后岩样渗透系数降低了3个数量级以上。20%掺量组表现出最低的孔隙率和最佳的体系密实度，表明该比例下浆体的流动性与固结性能达到最佳平衡。核磁共振分析表明，硅微粉显著降低了多害孔比例，同时增加了无害孔和少害孔比例，从而实现了孔隙结构由粗到细的优化。
综上所述，综合考虑工作性、强度与封堵性能，推荐的硅微粉掺量为10–20%。在此范围内，复合灌浆料兼具良好的可注性与致密固结行为，能显著提升其在深部裂隙岩体中的封堵与加固效果。这项研究不仅为高性能复合灌浆材料的设计提供了理论依据与实践指导，其揭示的硅微粉协同优化机制——即通过“稀释效应”延长可操作时间，通过“微填充效应”增强密实度与强度，并通过优化颗粒级配细化孔隙结构——对开发其他基于颗粒尺寸调控制备高性能复合材料也具有重要的借鉴意义。文末还前瞻性地提出，未来可用具备自愈合功能的微颗粒替代硅微粉，以开发自愈合灌浆材料，从而进一步提升灌浆料性能并拓宽其应用范围。
