《Case Studies in Construction Materials》：Synergistic optimization of nanosilica sol-calcium aluminate cement composite grout by silica micropowder: Effects on microstructure and sealing performance
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為優化納米硅溶膠-鋁酸鈣水泥(CAC)復合灌漿材料的可注性、早期強度和封堵性能，本研究系統探究了以硅微粉(Silica Micropowder)部分替代CAC的影響。結果表明，適量硅微粉(10%)能通過微填充與稀釋效應的協同作用，優化漿體多尺度微結構，顯著提升抗壓強度約7%，并將注漿后巖心滲透率降低三個數量級以上，為深部裂隙巖體高效加固防滲提供了新材料設計思路。
在地下工程，如礦山巷道支護、隧道加固與防滲等領域，灌漿技術是應對不良工況的常用手段。其核心在于將特制漿液注入巖體的孔隙與裂隙中，以增強圍巖力學強度并降低其滲透性。理想的灌漿材料需兼具優異的流動性、可注性，以及在凝結硬化后提供足夠的早期力學強度。納米硅溶膠-鋁酸鈣水泥(CAC)復合灌漿材料，結合了納米硅溶膠高可注性與CAC快硬高強的優勢，已成為新一代灌漿材料的研究熱點。然而，納米硅溶膠(納米級顆粒)與CAC(約40微米級顆粒)之間固有的粒徑差異高達數個數量級，這直接導致復合漿體體系的粒徑分布連續性不足，難以在復合過程中形成致密的堆積結構和牢固的界面耦合。
為破解這一難題，研究人員將目光投向了一種新型礦物摻合料——硅微粉。它主要由天然粉石英經破碎、粉磨工藝制成，其超細顆粒能有效填充體系內的微空隙，增加基體密實度。理論上，經細磨的硅微粉可以彌合納米級硅溶膠顆粒與約40微米CAC顆粒之間的粒徑鴻溝，從而改善復合灌漿材料的整體性能。盡管已有研究表明礦物摻合料對水泥漿體的耐久性、強度和工作性具有優化作用，但關于其對納米硅溶膠-CAC復合灌漿材料注漿性能影響的研究尚屬空白。為此，本文嘗試以硅微粉部分替代CAC，旨在改善納米硅溶膠-CAC復合灌漿材料的可注性、流動性和早期強度，并闡明硅微粉摻量對該復合體系注漿封堵行為的影響。此項研究發表在《Case Studies in Construction Materials》期刊上。
本研究采用了幾項關鍵技術方法。首先，通過旋轉粘度計和電子萬能試驗機，系統測試了不同硅微粉摻量下復合漿體的粘度時變曲線和3天抗壓強度，以評估其流變性能與早期力學性能。其次，利用掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線衍射儀(XRD)分析了硬化產物的微觀形貌與礦物組成變化，揭示了性能變化的機理。核心的封堵性能研究則基于試樣尺度注漿實驗：采用人工巖心(由24目碳化硅經高溫燒結技術制備)模擬天然巖體，在設定圍壓、注漿壓力和時間下進行注漿。注漿后，綜合運用核磁共振(NMR)技術，特別是恒定梯度選擇性核磁共振方法，并結合飽和-干燥法分區測試孔隙率，從跨尺度角度系統闡明了注漿巖體的封堵演化機制。
硅微粉摻量對納米硅溶膠-CAC復合灌漿料基本性能的影響
研究揭示了硅微粉摻量對復合體系流變性能與早期抗壓強度的規律性影響。粘度測試表明，漿體粘度隨時間呈典型的指數增長。當硅微粉摻量較低(0–10%)時，硅微粉的成核效應加速了凝結過程；而當摻量較高(15–30%)時，由于活性CAC相被稀釋，凝結被逐漸延遲。高摻量硅微粉有效延長了復合灌漿料的可操作時間窗口。抗壓強度變化則呈現出先增后減的趨勢。當摻量為10%時，抗壓強度達到峰值(約46 MPa)，比未摻硅微粉的樣品(約42 MPa)高出約7%，這主要得益于硅微粉的微填充效應增強了體系密實度。然而，當摻量超過10%后，由于有效反應組分減少及填料比過高限制了結構骨架的形成，強度逐漸下降。微觀結構分析顯示，隨硅微粉摻量增加，漿體水化結構從片狀、絮狀的鋁酸鈣水化物(如CAH10, C2AH8)逐漸向致密的凝膠狀硅鋁酸鈣水化物(C-A-S-H)結構轉變。但過量摻入(20–30%)會導致微裂紋和顆粒堆積，XRD圖譜也顯示存在未反應的硅微粉殘余，表明過高的硅微粉摻量削弱了水化反應。
硅微粉摻量對納米硅溶膠-CAC復合灌漿料注漿特性的影響
注漿后巖樣的滲透系數與孔隙率特征
注漿后所有巖樣的滲透系數均降至10?6cm/s量級，比注漿前降低了至少3個數量級，屬于極低透水性范疇。不同摻量組的滲透系數呈明顯的非線性變化趨勢。將注漿后巖樣從注入端至流出端等距切割為四段(Z1, Z2, Z3, Z4)并進行孔隙率測試，發現所有摻量組沿流動方向的孔隙率均呈現Z1 < Z2 < Z3 < Z4的分布，即越靠近注入端越致密，越遠離則孔隙率越高。這是由于漿體中較粗的顆粒或團聚體優先在近端孔喉處被截留，形成濾餅，導致注入端(Z1)快速致密化，并顯著降低了漿體的滲透能力，致使流向遠端的固液通量減少，從而在遠端(Z4)形成填充不足的區域。在所有摻量組中，20%摻量組的平均孔隙率最低，表明該摻量下漿體的填充與致密化能力最優。
注漿后巖樣微孔隙的優化特征
通過恒定梯度選片序列核磁共振技術分析發現，注漿前巖樣的T2譜呈單峰，主峰位置超過1000 ms，對應孔徑超過10000 nm，以自由水為主。注漿后，巖樣T2位置基本集中在1–100 ms區間，即主控孔徑變為10–1000 nm，水狀態以結合水和毛細水為主。巖樣前30 mm與后70 mm的核磁譜呈現出明顯的分區特征：低幅值區與高幅值區。高幅值區的孔隙體積是低幅值區的5–20倍，且其核磁譜均呈現高低雙峰形態，表明高幅值區的微觀結構也較為致密。隨著硅微粉的加入，長T2峰(對應大孔隙>200 nm)顯著減弱，而中短T2區域信號增強并左移，表明中小孔隙增加、孔徑減小，清晰地反映了孔隙結構由粗到細的細化過程。根據無害孔(<20 nm)、少害孔(20–50 nm)、有害孔(50–200 nm)和多害孔(>200 nm)的孔徑分類，繪制了注漿巖體孔徑分類堆積直方圖。隨著硅微粉摻量增加，大孔隙(有害孔和多害孔)比例顯著下降，小孔隙(少害孔和無害孔)比例增加。當硅微粉摻量增至15–20%時，孔隙細化最為明顯。進一步增加摻量(>25%)，由于漿體過密或硅微粉團聚，孔隙細化效應趨于飽和。
研究結論與意義
本研究的結論可歸納為以下三點：
- 1.
硅微粉能顯著調控復合灌漿料的流變行為與凝結過程。低摻量(0–10%)時因其成核效應加速凝結，高摻量(15–30%)時則因稀釋主導效應而延遲凝結。適量摻入硅微粉可有效控制工作性，改善注漿可注性。
- 2.
硅微粉通過微填充效應提高了漿體的密實度與早期強度。復合漿體3天抗壓強度隨硅微粉摻量呈“先增后減”趨勢，在10%摻量時達到峰值。適量硅微粉填充了硅溶膠納米粒子與CAC顆粒之間的尺寸間隙，優化了顆粒級配與結構骨架形成。
- 3.
硅微粉增強了注漿后巖體的滲透封堵性能。注漿后巖樣滲透系數降低了3個數量級以上。20%摻量組表現出最低的孔隙率和最佳的體系密實度，表明該比例下漿體的流動性與固結性能達到最佳平衡。核磁共振分析表明，硅微粉顯著降低了多害孔比例，同時增加了無害孔和少害孔比例，從而實現了孔隙結構由粗到細的優化。
綜上所述，綜合考慮工作性、強度與封堵性能，推薦的硅微粉摻量為10–20%。在此范圍內，復合灌漿料兼具良好的可注性與致密固結行為，能顯著提升其在深部裂隙巖體中的封堵與加固效果。這項研究不僅為高性能復合灌漿材料的設計提供了理論依據與實踐指導，其揭示的硅微粉協同優化機制——即通過“稀釋效應”延長可操作時間，通過“微填充效應”增強密實度與強度，并通過優化顆粒級配細化孔隙結構——對開發其他基于顆粒尺寸調控制備高性能復合材料也具有重要的借鑒意義。文末還前瞻性地提出，未來可用具備自愈合功能的微顆粒替代硅微粉，以開發自愈合灌漿材料，從而進一步提升灌漿料性能并拓寬其應用范圍。
