深埋于廢棄采石場、礦井和喀斯特溶洞下方的回填注漿材料，是穩(wěn)定地基的關鍵。《工程成果》（Results in Engineering）發(fā)表的一項Zui新實驗室研究表明，通過將三種常見原料——膨潤土粘土、偏高嶺土和生石灰進行組合配方，可大幅減少高稀釋度注漿液中的水泥用量，同時滿足現(xiàn)場應用對流動性、穩(wěn)定性及強度的要求。

傳統(tǒng)回填注漿面臨兩難：需大量用水以保證泵送和填充大體積空洞，但高水灰比易導致固體顆粒沉降和水分離；若單純增加水泥以補償強度，則會顯著升高流動阻力、成本及碳排放。由Rachida Idir等人領導的研究團隊采用分步配方策略解決該問題。首先確定膨潤土的摻量，其富含鈉的蒙脫石片層可吸水并懸浮水泥顆粒；隨后將偏高嶺土（一種經(jīng)煅燒的高反應性鋁硅酸鹽）作為水泥替代材料Zui高摻入80%；Zui后添加生石灰作為外部鈣源，并通過混合物設計插值法繪制三元膠凝體系圖譜。

實驗顯示，膨潤土的加入存在典型的工程權衡。未加粘土的基準漿液（每立方米含150公斤水泥）Marsh錐流時僅9秒，但泌水量高達30%。摻入2%膨潤土時，泌水降至4%，流時為12秒；增至3%時，泌水進一步降至2%，流時達到15秒的工程實用上限。超過此比例后體系迅速變稠：4%時流時延至24秒，5%則無法排出。無砂等效體系的流變測試證實，所有混合料均表現(xiàn)為剪切變稀、具有屈服應力的流體，但隨膨潤土增加，流變曲線整體上移，120 s?1下的剪切應力從約6帕升至28帕，滯后環(huán)面積激增近12倍，表明顆粒網(wǎng)絡結(jié)構增強且抗剪切重建能力強。

力學性能表現(xiàn)因水泥化學組成而異。富熟料CEM I 52.5 R漿體初始強度較高（28天達2.85兆帕），但僅摻1%膨潤土即驟降至1.10兆帕，3%時跌至0.67兆帕。而含約82%礦渣的CEM III/C水泥表現(xiàn)出更強耐受性，在整個膨潤土摻量范圍內(nèi)均能維持1.5兆帕以上的目標強度。作者歸因于CEM I快速水化產(chǎn)生的高離子孔隙溶液會促使蒙脫石絮凝并破壞水化產(chǎn)物分布。

單獨使用偏高嶺土雖改善了新拌狀態(tài)（各替代率下泌水低于2%，流時維持在14-16秒），但抗壓強度急劇下降，僅純CEM III/C基準組超過1.5兆帕門檻。原因在于鈣饑餓：偏高嶺土的火山灰反應消耗熟料水化釋放的氫氧化鈣，當熟料比例過低時，不足以支撐硅酸鈣與水化鋁酸鈣凝膠的生成。

生石灰的引入改變了這一局面。氧化鈣水化生成新鮮氫氧化鈣，直接補給火山灰反應。在8種含2%膨潤土的三元配比中，Zui優(yōu)組合為40% CEM III/C、40%偏高嶺土與20%生石灰。該配方28天抗壓強度達1.56兆帕（為未活化基準組的4倍以上），流時13秒，泌水僅4%。值得注意的是，強度并未隨石灰含量線性增長：無水泥僅含30%或50%生石灰的樣品強度僅為0.60和0.54兆帕，證明殘留熟料組分仍不可或缺。

通過對三元配比空間進行強度數(shù)據(jù)插值，研究團隊劃定了一個同時滿足流時≤15秒、泌水<5%、強度≥1.5兆帕的候選區(qū)域（涵蓋偏高嶺土0-45%、生石灰0-40%、CEM III/C 20-）。作者強調(diào)，該圖譜基于有限實驗矩陣得出，屬探索性結(jié)果，且未直接表征水化產(chǎn)物與孔隙結(jié)構，所提反應機制仍為合理推演而非確證事實。

該研究的實際應用指向法國采礦業(yè)總檢查局（Inspection Générale des Carrières）規(guī)定的1.5兆帕地下注漿充填砂漿Zui低標準，可直接用于城市下方廢棄采空區(qū)與礦井的空洞加固。但在實地部署前，配方仍需經(jīng)受泵送、高壓注入性及放置性能的現(xiàn)場考驗，并評估耐久性與尺寸穩(wěn)定性。生石灰水化放熱可能引發(fā)早期膨脹，在大體積受限填充中尤為關鍵。若順利通過上述驗證，該研究將為大幅減少水泥用量、降低建設與碳足跡提供切實可行的地下空洞填充方案。

資料來源：bioengineer.org；原文發(fā)布日期：2026-10-16。本文為資料編譯。