中國(guó)一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室研究證實(shí)，通過重新設(shè)計(jì)混合工藝，將負(fù)壓抽吸與機(jī)械振動(dòng)相結(jié)合，可將隧道工程產(chǎn)生的大量開挖廢渣轉(zhuǎn)化為高強(qiáng)度、高密度的結(jié)構(gòu)用混凝土。該成果為處理鐵路、地鐵及公路隧道建設(shè)中的土石方廢料提供了新的資源化路徑。

研究以四川省某隧道挖掘出的棄渣為主要原料。化學(xué)成分分析顯示，廢渣二氧化硅含量達(dá)64.5%，氧化鋁占20%，其余主要為氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂和二氧化鈦。其礦物組成富含石英、長(zhǎng)石和黏土礦物，與傳統(tǒng)混凝土所用的天然砂礫高度相似。經(jīng)干燥破碎后，廢渣細(xì)骨料堆積密度為1.642克/立方厘米，顆粒密度為2.481克/立方厘米，吸水率為8.3%。

研究人員配制了C1至C4四組配合比，水泥用量從每批次46千克逐步增至71千克，固體主體由隧道廢渣細(xì)粉構(gòu)成，并以常規(guī)C25普通混凝土（含天然砂與粗骨料）作為對(duì)照。此類細(xì)粒高密度混凝土的制備難點(diǎn)在于：缺乏粗骨料的機(jī)械翻滾分散作用，細(xì)小輕質(zhì)顆粒易團(tuán)聚、裹挾空氣并留下局部孔隙。傳統(tǒng)槳式攪拌難以消除這種細(xì)顆粒與大比表面積體系的結(jié)構(gòu)缺陷。

團(tuán)隊(duì)在常規(guī)攪拌機(jī)外加裝真空抽吸系統(tǒng)，將攪拌腔體抽至-0.09兆帕的表壓。負(fù)壓可抽出混合物中夾帶的空氣與多余水蒸氣，同時(shí)促使顆粒緊密接觸。在此基礎(chǔ)上引入機(jī)械振動(dòng)，旨在優(yōu)化細(xì)顆粒堆積排列并使水泥漿體更均勻包裹。研究對(duì)比了四種工況：純機(jī)械攪拌、機(jī)械加真空、機(jī)械加振動(dòng)以及真空振動(dòng)聯(lián)合工藝。

強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果顯示顯著差異。7天齡期時(shí)，真空輔助攪拌使C1至C4組抗壓強(qiáng)度分別從14.4、18.9、24.2和28.3兆帕提升至17.3、22.3、28.4和32.5兆帕，增幅約為20.1%、18.0%、17.4%和14.8%。28天齡期對(duì)應(yīng)提升幅度約為14.3%、11.7%、10.0%和8.0%。值得注意的是，相同工藝對(duì)常規(guī)C25混凝土的增益較?。?天9.3%，28天6.7%），表明該工藝在細(xì)顆粒主導(dǎo)的微結(jié)構(gòu)中效果更為突出。強(qiáng)度提升在低標(biāo)號(hào)配合比中Zui大，說明膠凝材料用量較低且初始孔隙率較高時(shí)，攪拌階段形成的孔結(jié)構(gòu)對(duì)后期強(qiáng)度發(fā)展影響巨大。

單獨(dú)使用振動(dòng)反而導(dǎo)致兩個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度略有下降，且未帶來明顯的抗彎效益，推測(cè)是因?yàn)閿_動(dòng)松散了細(xì)顆粒骨架。但在負(fù)壓條件下施加振動(dòng)，兩者產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)。聯(lián)合工藝使28天抗壓強(qiáng)度達(dá)到33.5兆帕，略優(yōu)于單獨(dú)真空攪拌；28天抗彎強(qiáng)度提升至6.3兆帕，較傳統(tǒng)攪拌混凝土高出約34.0%。由于抗彎強(qiáng)度直接反映抗裂性與結(jié)構(gòu)完整性，這一提升被視為該研究Zui具工程實(shí)用價(jià)值的結(jié)果。作者強(qiáng)調(diào)，兩種效應(yīng)并非線性疊加：真空主導(dǎo)致密化，而振動(dòng)僅在負(fù)壓約束下實(shí)現(xiàn)均質(zhì)化。

工作性變化印證了上述機(jī)理。真空環(huán)境下坍落度小幅下降，例如C3組從200毫米降至192毫米（降幅4.0%），主要?dú)w因于空氣與自由水的排出及顆粒堆積更緊密。單獨(dú)振動(dòng)曾使坍落度短暫升至208毫米，但真空振動(dòng)組合使其回落至194毫米，表明致密化效應(yīng)覆蓋了潤(rùn)滑增流效應(yīng)。所有配比仍保持足以澆筑的工作性。

微觀探測(cè)揭示了性能提升的原因。X射線衍射與熱重分析顯示，各組試件結(jié)晶相與化學(xué)結(jié)合水含量基本一致，說明工藝改變的是水化產(chǎn)物的分布而非產(chǎn)物種類。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)攪拌樣品呈松散絮狀凝膠結(jié)構(gòu)，含大量未完全水化水泥顆粒；真空攪拌樣品孔隙更少、凝膠網(wǎng)絡(luò)更連續(xù)、界面結(jié)合更緊密；真空振動(dòng)聯(lián)合樣品則呈現(xiàn)出Zui致密、均勻的微觀構(gòu)造。壓汞法測(cè)得傳統(tǒng)混凝土總孔隙率為19.81%，真空攪拌降至17.84%，單獨(dú)振動(dòng)反升至21.86%（平均孔徑26.29納米，中位孔徑75.74納米）。聯(lián)合工藝將孔隙率控制在20.61%，并將孔分布向10至100納米的良性區(qū)間推移，有效抑制了大于100納米的有害孔隙。25微米分辨率的X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描進(jìn)一步在三維空間證實(shí)，真空處理樣本可分辨孔隙更少、連通性更低，貫通孔隙基本消失。

該研究目前仍為實(shí)驗(yàn)室階段，僅使用100毫米立方體與棱柱體試件，每組三個(gè)重復(fù)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度為20±2攝氏度。生態(tài)效益方面，就地或就近利用廢渣可減少棄渣堆放與天然骨料運(yùn)輸，從而降低碳排放。在無需額外增加水泥的前提下獲得更高強(qiáng)度的混凝土，意味著單位膠凝材料性能提升；低孔隙率理論上有助于延緩有害物質(zhì)侵入，可能延長(zhǎng)服役壽命并降低長(zhǎng)期維護(hù)需求。作者明確指出，耐久性優(yōu)勢(shì)是基于密度與孔隙率的推演，尚未經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證。隨著山區(qū)隧道網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)展，將隧道自身產(chǎn)生的廢料轉(zhuǎn)化為致密抗裂混凝土，為“廢料處置”與“砂石資源替代”提供了閉環(huán)思路。

資料來源：bioengineer.org；原文發(fā)布日期：2026-10-23。本文為資料編譯。