碱激发盾构渣土全组分再生固废注浆材料的开发与工程应用验证

为解决盾构隧道渣土(STS)处置成本高、资源回收率低的问题，研究人员开发了碱激发全组分盾构渣土再生固废注浆材料(AFS-RSWGM)。通过响应面法(RSM)优化水胶比(A)、胶砂比(B)和渣土-水比(C)等关键参数，结合流变学测试和微观表征(SEM/XRD/FTIR)，揭示了碱激发协同粉煤灰火山灰效应增强材料性能的机制。结果表明，最优配比(A=1.091, B=0.819, C=0.197)使28天抗压强度提升32.37%，济南地铁4号线应用实现了STS全组分资源化，地表沉降控制效果优于传统水泥基材料。该研究为地下工程绿色施工提供了低碳解决方案。

　　

随着中国城市化进程加速，地铁建设规模持续扩大，盾构法因其高效环保成为主流施工技术。然而每年产生的2.7亿立方米盾构渣土(STS)传统填埋处置模式面临土地资源消耗和经济成本双重压力。作为隧道建设关键功能材料，同步注浆材料需兼顾流动性、强度和耐久性，但传统水泥基材料存在水化放热高、体积收缩大等缺陷。如何实现STS全组分高效利用，开发低碳高性能注浆材料，成为土木工程领域亟待解决的科学难题。

北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室的研究团队创新性地提出碱激发全组分盾构渣土再生固废注浆材料(AFS-RSWGM)。该研究以水泥、粉煤灰、盾构筛分砂和渣土为原料，通过碱激发协同粉煤灰火山灰效应，开发出兼具施工适应性和结构稳定性的新型材料。相关成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》上。

研究采用响应面法(RSM)优化配比参数，通过流变仪测试施工性能，结合SEM、XRD、FTIR等多尺度表征手段分析微观结构，并开展济南地铁4号线工程验证。关键发现包括：最优配比下水胶比1.091、胶砂比0.819、渣土-水比0.197时，材料28天抗压强度达4.22 MPa；碱激发促进渣土中硅铝酸盐溶解，形成无定形C-A-S-H(钙铝硅酸盐 hydrate)凝胶和钙矾石(AFt)；粉煤灰持续释放活性SiO₂和Al₂O₃，细化界面过渡区；工程应用使地表沉降最大值降低68.6%。

研究通过流变测试发现材料符合Herschel-Bulkley模型，屈服应力降低26%；水化热曲线呈现双峰放热特征，第二峰对应粉煤灰火山灰效应驱动的C-S-H凝胶形成。微观分析表明，碱激发促使Ⅲ型C-S-H凝胶含量增加，Ca(OH)₂结晶受到抑制，FTIR检测到961 cm^-1处Si-O键特征峰增强，证实硅铝酸盐聚合度提升。

在济南地铁4号线兴村站至兴村枢纽西站区间的工程应用中，优化配比材料使地表沉降最大值控制在12.1 mm，稳定时间缩短65天，且未出现管片渗漏。该研究首次实现了STS中砂土和滤饼的全组分协同利用，为"双碳"战略下的地下工程提供了资源循环与低碳建造的示范案例。

这项工作的科学价值在于：建立了多参数耦合调控的STS基注浆材料设计方法；揭示了碱激发-火山灰效应协同增强的"溶解-缩聚-致密化"机制；开发了低水泥用量(仅占胶凝材料18.5%)的高性能材料体系。未来研究可进一步探索不同地质条件下材料性能演变规律，优化工业固废配伍方案，推动隧道工程绿色建造技术体系完善。