《工程科学学报》：石粉对赤泥基注浆材料的影响机制

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 石粉对赤泥基注浆材料的影响机制 李召峰陈经棚杨磊齐延海张健张晨 Influence mechanism of limestone powder on red mud-based grouting material LI Zhao-feng.CHEN Jing-peng,YANG Lei.QI Yan-hai.,ZHANG Jian,ZHANG Chen 引用本文： 李召峰，陈经棚，杨磊.齐延海，张健，张晨.石粉对赤泥基注浆材料的影响机制.工程科学学报，2021,43(6：768-777.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2020.12.01.005 LI Zhao-feng.CHEN Jing-peng.YANG Lei,QI Yan-hai,ZHANG Jian,ZHANG Chen.Influence mechanism of limestone powder on red mud-based grouting material[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(6):768-777.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.12.01.005 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.12.01.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 赤泥基似膏体充填材料水化特性研究 Hydration characteristics of red-mud based paste-like backfill material 工程科学学报.2017,39(11)：1640 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.11.005 低浓度拜耳赤泥充填材料制备及水化机理 Preparation and hydration mechanism of low concentration Bayer red mud filling materials 工程科学学报.2020,42(11)：1457htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.11.25.001 赤泥-煤矸石基公路路面基层材料的耐久与环境性能 Durability and environmental performance of Bayer red mud-coal gangue-based road base material 工程科学学报.2018.40(4)：438 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.04.006 生物质松木锯末中低温还原高铁拜耳法赤泥 Medium-low temperature reduction of high-iron Bayer process red mud using biomass pine sawdust 工程科学学报.2017,399：1331 https::/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.09.005 高应变率下红砂岩“冻伤效应” "Frostbite effect"of red sandstone under high strain rates 工程科学学报.2019,41(10：1249htps:oi.org10.13374.issn2095-9389.2019.01.14.002 一种新型综合注浆加固试验系统的研制及应用 Development and application of a new comprehensive grouting reinforcement test system 工程科学学报.2017,398：1268htps:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2017.08.018

石粉对赤泥基注浆材料的影响机制 李召峰 陈经棚 杨磊 齐延海 张健 张晨 Influence mechanism of limestone powder on red mud-based grouting material LI Zhao-feng, CHEN Jing-peng, YANG Lei, QI Yan-hai, ZHANG Jian, ZHANG Chen 引用本文: 李召峰, 陈经棚, 杨磊, 齐延海, 张健, 张晨. 石粉对赤泥基注浆材料的影响机制[J]. 工程科学学报, 2021, 43(6): 768-777. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.01.005 LI Zhao-feng, CHEN Jing-peng, YANG Lei, QI Yan-hai, ZHANG Jian, ZHANG Chen. Influence mechanism of limestone powder on red mud-based grouting material[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(6): 768-777. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.12.01.005 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.01.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 赤泥基似膏体充填材料水化特性研究 Hydration characteristics of red-mud based paste-like backfill material 工程科学学报. 2017, 39(11): 1640 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.005 低浓度拜耳赤泥充填材料制备及水化机理 Preparation and hydration mechanism of low concentration Bayer red mud filling materials 工程科学学报. 2020, 42(11): 1457 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.25.001 赤泥-煤矸石基公路路面基层材料的耐久与环境性能 Durability and environmental performance of Bayer red mud-coal gangue-based road base material 工程科学学报. 2018, 40(4): 438 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.006 生物质松木锯末中低温还原高铁拜耳法赤泥 Medium-low temperature reduction of high-iron Bayer process red mud using biomass pine sawdust 工程科学学报. 2017, 39(9): 1331 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.005 高应变率下红砂岩“冻伤效应” “Frostbite effect” of red sandstone under high strain rates 工程科学学报. 2019, 41(10): 1249 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.14.002 一种新型综合注浆加固试验系统的研制及应用 Development and application of a new comprehensive grouting reinforcement test system 工程科学学报. 2017, 39(8): 1268 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.018

工程科学学报.第43卷.第6期：768-777.2021年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.6:768-777,June 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.01.005;http://cje.ustb.edu.cn 石粉对赤泥基注浆材料的影响机制 李召峰，陈经棚，杨磊四，齐延海，张健，张晨 山东大学岩土与结构工程研究中心，济南250061 ☒通信作者，E-mail:yanglei@sdu.edu.cn 摘要为明确石粉掺合料对地聚物材料的作用机理，以赤泥基注浆材料为研究对象，系统研究了石粉掺量和粒径分布对赤 泥基注浆材料浆体性能、力学性能和微观结构的作用规律，并结合X射线衍射仪(XRD)、压汞仪(MIP)和扫描电镜(SEM)等 微观测试手段分析其作用机理.研究表明，结石体力学强度随石粉掺量的上升先增大后减小，当石粉的质量分数为5%时抗 压强度最高，3d时可达5.65MP,抗压强度提升幅度为18.94%，同时浆液泌水率上升幅度仅为9.85%，且28d结石体孔隙率 降低了18.35%，因此，5%为石粉在赤泥基注浆材料中的最佳质量分数.在石粉最佳质量分数条件下，随着石粉平均粒径减 小，浆液凝结时间及泌水率均呈现下降的趋势；当石粉平均粒径达到8μ时，石粉“填充效应”和“成核效应”作用尤为明显， 浆液黏度突升，且3d和28d试样强度分别提升了11.86%和10%，故石粉平均粒径越小，其对赤泥基注浆材料的提升作用越 显著，赤泥基注浆材料的最佳粉料质量配比为赤泥47.5%，矿粉47.5%，石粉5%：微观分析证实，石粉在浆液水化历程中以物 理特性参与其中，为Na2O-SiO2-Al2O-H2O凝胶(N-A-S-H),水化硅铝酸钙凝胶(C-A-S-H)和水化硅酸钙凝胶(C-S-H)等 凝胶提供成核位点，供地聚物凝胶沉淀和生长，加速浆液水化. 关键词赤泥：石粉：地聚物：注浆材料：成核效应：填充效应 分类号X758 Influence mechanism of limestone powder on red mud-based grouting material LI Zhao-feng,CHEN Jing-peng,YANG Lei,OI Yan-hai.ZHANG Jian,ZHANG Chen Geotechnical and Structural Engineering Research Center,Shandong University,Jinan250061.China Corresponding author,E-mail:yanglei@sdu.edu.cn ABSTRACT Considering the unstable performance of geopolymeric materials due to the large fluctuation of the raw-material composition and the high alkalinity of the system,this study investigated the effect of limestone powder on red mud-based geopolymeric grouting materials;moreover,the influence mechanism was analyzed via X-ray diffraction(XRD),mercury intrusion porosimetry(MIP), and scanning electron microscopy (SEM).Also,the study provided some reference to reduce the storage of red mud and realize the collaborative utilization of limestone powder and red mud-based grouting materials.The results show that the mechanical strength of specimens first increases and then decreases with the increase in the limestone powder content.The compressive strength of the specimen with 5%limestone content was the best:the 3-day compressive strength could reach 5.65 MPa,which was 18.94%higher than that of the specimen with 0%limestone powder content.Moreover,the slurry bleeding rate of the 5%-limestone specimen was only 9.85%higher than that of the 0%-limestone specimen,and the porosity of the former on day 28 was 18.35%lower than that of the latter. Therefore,5%is the best content of limestone powder in red mud-based grouting material.When the mean particle size of limestone powder was 8 um,the "filling effect"and "nucleation effect"of specimens were significant,and the slurry viscosity rose sharply;the compressive strengths of day-3 and day-28 samples increased by 11.86%and 10%than those of the corresponding bulk-limestone 收稿日期：2020-12-01 基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目(51709158)：山东省重大科技创新工程资助项目(2020CXGC011405):山东省自然科学基 金资助项目(ZR2020KE006)

石粉对赤泥基注浆材料的影响机制 李召峰，陈经棚，杨    磊苣，齐延海，张    健，张    晨 山东大学岩土与结构工程研究中心，济南 250061 苣通信作者，E-mail：yanglei@sdu.edu.cn 摘    要    为明确石粉掺合料对地聚物材料的作用机理，以赤泥基注浆材料为研究对象，系统研究了石粉掺量和粒径分布对赤 泥基注浆材料浆体性能、力学性能和微观结构的作用规律，并结合 X 射线衍射仪（XRD）、压汞仪（MIP）和扫描电镜（SEM）等 微观测试手段分析其作用机理. 研究表明，结石体力学强度随石粉掺量的上升先增大后减小，当石粉的质量分数为 5% 时抗 压强度最高，3 d 时可达 5.65 MPa，抗压强度提升幅度为 18.94%，同时浆液泌水率上升幅度仅为 9.85%，且 28 d 结石体孔隙率 降低了 18.35%，因此，5% 为石粉在赤泥基注浆材料中的最佳质量分数. 在石粉最佳质量分数条件下，随着石粉平均粒径减 小，浆液凝结时间及泌水率均呈现下降的趋势；当石粉平均粒径达到 8 μm 时，石粉“填充效应”和“成核效应”作用尤为明显， 浆液黏度突升，且 3 d 和 28 d 试样强度分别提升了 11.86% 和 10%，故石粉平均粒径越小，其对赤泥基注浆材料的提升作用越 显著，赤泥基注浆材料的最佳粉料质量配比为赤泥 47.5%，矿粉 47.5%，石粉 5%；微观分析证实，石粉在浆液水化历程中以物 理特性参与其中，为 Na2O–SiO2–Al2O3–H2O 凝胶（N–A–S–H）, 水化硅铝酸钙凝胶（C–A–S–H）和水化硅酸钙凝胶（C–S–H）等 凝胶提供成核位点，供地聚物凝胶沉淀和生长，加速浆液水化. 关键词    赤泥；石粉；地聚物；注浆材料；成核效应；填充效应 分类号    X758 Influence mechanism of limestone powder on red mud-based grouting material LI Zhao-feng，CHEN Jing-peng，YANG Lei苣 ，QI Yan-hai，ZHANG Jian，ZHANG Chen Geotechnical and Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061, China 苣 Corresponding author, E-mail: yanglei@sdu.edu.cn ABSTRACT    Considering  the  unstable  performance  of  geopolymeric  materials  due  to  the  large  fluctuation  of  the  raw-material composition and the high alkalinity of the system, this study investigated the effect of limestone powder on red mud–based geopolymeric grouting materials; moreover, the influence mechanism was analyzed via X-ray diffraction (XRD), mercury intrusion porosimetry (MIP), and  scanning  electron  microscopy  (SEM).  Also,  the  study  provided  some  reference  to  reduce  the  storage  of  red  mud  and  realize  the collaborative utilization of limestone powder and red mud–based grouting materials. The results show that the mechanical strength of specimens  first  increases  and  then  decreases  with  the  increase  in  the  limestone  powder  content.  The  compressive  strength  of  the specimen with 5% limestone content was the best: the 3-day compressive strength could reach 5.65 MPa, which was 18.94% higher than that  of  the  specimen  with  0% limestone  powder  content.  Moreover,  the  slurry  bleeding  rate  of  the  5%-limestone  specimen  was  only 9.85% higher than that of the 0%-limestone specimen, and the porosity of the former on day 28 was 18.35% lower than that of the latter. Therefore, 5% is the best content of limestone powder in red mud–based grouting material. When the mean particle size of limestone powder was 8 μm, the “filling effect” and “nucleation effect” of specimens were significant, and the slurry viscosity rose sharply; the compressive  strengths  of  day-3  and  day-28  samples  increased  by  11.86% and  10% than  those  of  the  corresponding  bulk-limestone 收稿日期: 2020−12−01 基金项目: 国家自然科学基金青年基金资助项目（51709158）；山东省重大科技创新工程资助项目（2020CXGC011405）；山东省自然科学基 金资助项目（ZR2020KE006） 工程科学学报，第 43 卷，第 6 期：768−777，2021 年 6 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 6: 768−777, June 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.01.005; http://cje.ustb.edu.cn

李召峰等：石粉对赤泥基注浆材料的影响机制 .769· samples,respectively.Thus,the smaller the mean particle size of limestone powder,the more significant the improvement effect of red mud based grouting material.The optimum proportion of red mud-based grouting materials was 47.5%red mud,47.5%blast furnace slag,and 5%limestone powder.The macro analysis confirms that limestone powder participates in the slurry hydration process, providing nucleation sites for N-A-S-H,C-A-S-H,and C-S-H gel,which can be used for geopolymer gel precipitation and growth and accelerate the slurry hydration. KEY WORDS red mud;limestone powder;geopolymer;grouting material;nucleation effect;filling effect 地聚物是一种由硅铝四面体结构组成的三维 石粉是石灰石采石场的副产品，每吨石灰石 网状无机聚合物，凭其高强、抗侵蚀以及低 的破碎加工会产生大约占总石灰石质量的20%的 CO2排放量而被认为是一种传统水泥材料的有效 石灰石粉末)，常作为一种水泥和混凝土中的矿 替代品2-引，赤泥是在生产氧化铝过程中排放的固 物摻合料用于施工生产，但存在利用率低、应用面 体废弃物，每生产1tA1203约排放1.0~1.8t赤泥， 窄、资源浪费严重等问题.Sun等I发现掺入适量 我国赤泥年产量在5×10？t以上，积累量超过2× 石粉能通过“填充效应”和“成核效应”显著提高混 103t.通常采用露天堆放的赤泥处理方式，不仅占 凝土抗硫酸根离子侵蚀能力.史才军等20研究 用大量土地资源，而且严重污染了地下水资源、破 发现，石粉会与铝酸三钙(C3A)反应生成单碳型 坏周围生态环境：同时，赤泥中含有大量的有价金 (C4ACH11)和半碳型碳铝酸钙(C4ACo.sH12),抑制了 属如Fe、Al、Ti等，造成大量资源浪费，中国赤泥 单硫型水化硫铝酸钙(AFm)的形成从而形成更多稳 的利用率仅在4%左右问 定的钙矾石(A),进而提升水泥基材料的早期强度 目前，利用赤泥制备地聚物胶凝材料的研发 石粉摻合料与水泥基胶凝材料体系的作用关 已得到国内外专家的广泛关注.Singh等分析了 系已得到许多学者的深入研究，然而，其对于地聚 赤泥的机械粉磨和养护方式对赤泥-粉煤灰地聚 物材料宏微观作用机理的研究鲜有报道.本文以 物强度的影响，L等m研究了不同石膏对于赤泥 赤泥基注浆材料为研究体系，探究了石粉不同掺 基注浆材料力学性能及微观结构的影响，Hoang 量及颗粒级配参数与赤泥基注浆材料宏观力学特 等图通过研究发现高压养护能显著提高赤泥中 性、水化历程和微观结构之间的动态作用关系，明 Al2O3和SiO2等氧化物的溶解度.已有研究表明， 确了石粉最佳掺量与颗粒大小，进一步采用X射 赤泥基注浆材料与传统水泥类注浆材料相比具有 线衍射仪(XRD)、压汞仪(MIP)和扫描电镜 流动性好、强度高和低碳环保等优点例许多学者 (SEM)等微观表征手段，提出石粉对赤泥基地聚 对赤泥基注浆材料的工程适用性也展开了深入研 物性能提升的作用机制，研究成果为实现石粉与 究，Celik Ho研发了一种赤泥-OPC混合注浆材料， 赤泥基注浆材料协同高效大宗化利用和工程实际 并在土石复合介质中证明了其有效性；Zhang等 应用奠定了一定的理论研究基础 基于人工神经网络分析法形成了一套适用于煤矿 1实验 采空区充填、沙土介质和富水破碎岩体的赤泥基 四元体系注浆材料理论；刘娟红等以赤泥、脱 1.1原材料 硫石膏和石灰等为原料制备了一种泌水率低、抗 材料选型：赤泥为山东魏桥创业集团提供的 压强度高的注浆充填材料.由此可见，赤泥基注浆 拜耳法赤泥（以下简称赤泥，简写RM):高炉矿渣 材料的应用范围较广，具有广阔的工程应用前景 购自济南鲁新新材有限公司（以下简称矿粉，简写 然而，地聚物材料由于原料本身成分波动较大、 BFS):碱激发剂为粒装分析纯氢氧化钠，购自天津 体系内碱性离子含量较高，容易出现收缩率高、脆 登科化学试剂有限公司，纯度为96%；不同粒径的 性大和性能不稳定等现象)许多学者通过在地 石粉购自山东省临沂大和建材有限公司（简写 聚物胶凝材料中添加矿物掺合料来改善上述现象 LS),粒径分布区间归纳为全粒径、200目、400 并取得了一系列进展，Lin等发现粉煤灰通过火 目、600目和800目，全粒径分布范围为1~89um, 山灰效应显著降低了赤泥基注浆材料的收缩率： 200目、400目、600目和800目对应的平均粒径分 Guptalls吲研究发现掺加一定量硅灰可提高矿粉基地 别为60、33、21、8m.原材料的化学组成（质量分 聚物水泥的力学强度.Song等I6发现钢渣粉质量 数)、矿物组成和粒径分布特征分别如表1、图1 分数为20%的粉煤灰地聚物具有最大的弹性模量， 和图2所示

samples, respectively. Thus, the smaller the mean particle size of limestone powder, the more significant the improvement effect of red mud based grouting material. The optimum proportion of red mud–based grouting materials was 47.5% red mud, 47.5% blast furnace slag,  and  5% limestone  powder.  The  macro  analysis  confirms  that  limestone  powder  participates  in  the  slurry  hydration  process, providing nucleation sites for N–A–S–H, C–A–S–H, and C–S–H gel, which can be used for geopolymer gel precipitation and growth and accelerate the slurry hydration. KEY WORDS    red mud；limestone powder；geopolymer；grouting material；nucleation effect；filling effect 地聚物是一种由硅铝四面体结构组成的三维 网状无机聚合物 [1] ，凭其高强 、抗侵蚀以及 低 CO2 排放量而被认为是一种传统水泥材料的有效 替代品[2−3] . 赤泥是在生产氧化铝过程中排放的固 体废弃物，每生产 1 t Al2O3 约排放 1.0～1.8 t 赤泥[4] ， 我国赤泥年产量在 5×107 t 以上，积累量超过 2× 108 t. 通常采用露天堆放的赤泥处理方式，不仅占 用大量土地资源，而且严重污染了地下水资源、破 坏周围生态环境；同时，赤泥中含有大量的有价金 属如 Fe、Al、Ti 等，造成大量资源浪费，中国赤泥 的利用率仅在 4% 左右[5] . 目前，利用赤泥制备地聚物胶凝材料的研发 已得到国内外专家的广泛关注. Singh 等[6] 分析了 赤泥的机械粉磨和养护方式对赤泥–粉煤灰地聚 物强度的影响，Li 等[7] 研究了不同石膏对于赤泥 基注浆材料力学性能及微观结构的影响，Hoang 等[8] 通过研究发现高压养护能显著提高赤泥中 Al2O3 和 SiO2 等氧化物的溶解度. 已有研究表明， 赤泥基注浆材料与传统水泥类注浆材料相比具有 流动性好、强度高和低碳环保等优点[9] . 许多学者 对赤泥基注浆材料的工程适用性也展开了深入研 究，Çelik [10] 研发了一种赤泥–OPC 混合注浆材料， 并在土石复合介质中证明了其有效性；Zhang 等[11] 基于人工神经网络分析法形成了一套适用于煤矿 采空区充填、沙土介质和富水破碎岩体的赤泥基 四元体系注浆材料理论；刘娟红等[12] 以赤泥、脱 硫石膏和石灰等为原料制备了一种泌水率低、抗 压强度高的注浆充填材料. 由此可见，赤泥基注浆 材料的应用范围较广，具有广阔的工程应用前景. 然而，地聚物材料由于原料本身成分波动较大、 体系内碱性离子含量较高，容易出现收缩率高、脆 性大和性能不稳定等现象[13] . 许多学者通过在地 聚物胶凝材料中添加矿物掺合料来改善上述现象 并取得了一系列进展，Lin 等[14] 发现粉煤灰通过火 山灰效应显著降低了赤泥基注浆材料的收缩率； Gupta[15] 研究发现掺加一定量硅灰可提高矿粉基地 聚物水泥的力学强度. Song 等[16] 发现钢渣粉质量 分数为 20% 的粉煤灰地聚物具有最大的弹性模量. 石粉是石灰石采石场的副产品，每吨石灰石 的破碎加工会产生大约占总石灰石质量的 20% 的 石灰石粉末[17] ，常作为一种水泥和混凝土中的矿 物掺合料用于施工生产，但存在利用率低、应用面 窄、资源浪费严重等问题. Sun 等[18] 发现掺入适量 石粉能通过“填充效应”和“成核效应”显著提高混 凝土抗硫酸根离子侵蚀能力[19] . 史才军等[20] 研究 发现，石粉会与铝酸三钙（C3A）反应生成单碳型 （C4ACH11）和半碳型碳铝酸钙（C4AC0.5H12），抑制了 单硫型水化硫铝酸钙（AFm）的形成从而形成更多稳 定的钙矾石（Aft），进而提升水泥基材料的早期强度. 石粉掺合料与水泥基胶凝材料体系的作用关 系已得到许多学者的深入研究，然而，其对于地聚 物材料宏微观作用机理的研究鲜有报道. 本文以 赤泥基注浆材料为研究体系，探究了石粉不同掺 量及颗粒级配参数与赤泥基注浆材料宏观力学特 性、水化历程和微观结构之间的动态作用关系，明 确了石粉最佳掺量与颗粒大小，进一步采用 X 射 线 衍 射 仪 （ XRD） 、 压 汞 仪 （ MIP） 和 扫 描 电 镜 （SEM）等微观表征手段，提出石粉对赤泥基地聚 物性能提升的作用机制，研究成果为实现石粉与 赤泥基注浆材料协同高效大宗化利用和工程实际 应用奠定了一定的理论研究基础. 1    实验 1.1    原材料 材料选型：赤泥为山东魏桥创业集团提供的 拜耳法赤泥（以下简称赤泥，简写 RM）；高炉矿渣 购自济南鲁新新材有限公司（以下简称矿粉，简写 BFS）；碱激发剂为粒装分析纯氢氧化钠，购自天津 登科化学试剂有限公司，纯度为 96%；不同粒径的 石粉购自山东省临沂大和建材有限公司（简写 LS），粒径分布区间归纳为全粒径、 200 目 、 400 目、600 目和 800 目，全粒径分布范围为 1～89 μm， 200 目、400 目、600 目和 800 目对应的平均粒径分 别为 60、33、21、8 μm. 原材料的化学组成（质量分 数）、矿物组成和粒径分布特征分别如表 1、图 1 和图 2 所示. 李召峰等： 石粉对赤泥基注浆材料的影响机制 · 769 ·

.770 工程科学学报，第43卷，第6期 表1原料化学组成 依据分别命名为LS-bulk、LS-60、LS-33、LS-21 Table 1 Chemical composition of raw materials 和LS-8,具体实验过程如13所述 Raw materials SiO AlO:Fe2O:Cao Mgo SO:NaO LOI 1.3实验方法 浆液凝结时间测试参照GB/T1346一2011《水 RM 26.4011.3232.111.570.170.237.706.14 泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》 BFS 20.5012.100.5557.205.050.830361.23 进行.泌水率测试参照GBT25182一2010《预应力 LS 0.530.020.0155.280.550.01 -43.6 孔道灌浆剂》中常压泌水率试验方法在100mL量 12样品制备 筒中进行，量取离析水面高度，与水泥浆膨胀面高 基于本课题组以往研究成果及实际工程经 度作差后，除以原始灌浆高度得到泌水率.黏度时 验叫，本实验所用赤泥与矿粉质量比设定为1：1， 变性和流变测试使用美国Thermo Fisher Scientific 水胶比为1.0，碱激发剂选用质量分数为8%的 公司的HAAKE MARS40旋转流变仪 NaOH溶液并在使用前将其冷却至室温，全粒径石 参照水泥净浆的操作流程，将赤泥、矿粉、石 粉占固体粉料质量分数为0、5%、10%、15%和 粉与碱激发剂水溶液按设计配比搅拌均匀后，注 20%,等质量替换赤泥矿粉双组分，并分别命名为 入40mm×40mm×40mm模具成型，24h后脱模， LS-0、LS-5%、LS-10%、LS-15%和LS-20%,实 于水中养护，养护温度为(20吐1)℃，在养护至3d、 验固体粉料质量配比如表2所示.以凝结时间、泌 28d时进行强度测试，测试仪器采用CDT1305-2 水率和抗压强度等宏观性能为评价指标，优选出 型压力实验机，通过单轴抗压强度试验获得应力- 全粒径石粉作用下的最佳掺量；在最佳石粉掺量 应变曲线.之后选取养护28d的结石体，在力学强 下，选用粒径区间分别为全粒径、200目、400目、 度测试后取块状样品储存于无水乙醇中终止 600目和800目的石粉进行实验，并以平均粒径为 水化以进行微观测试，测试前将试样放置于60℃ (a) 1-Cancrinite (b) 1-Calcite 2-Boehmite 3-Hematite 4-Muscovite -Perovskite RM BFS 10 20 30 40 50 60 70 10 20 30 0 50 60 70 20() 28l) 图1原料的XRD图.(a)赤泥和矿粉：(b)石粉 Fig.1 XRD spectra of materials:(a)RM and BFS;(b)LS 100 (a) 100(b) 800 meshes 80 80 (<18μm) 600 meshes 60 60 (18-23m) 4 400meshes (23-38m) 40 40 200 meshes BFS (38μm) RM 20 ◆一 Full size 10 100 10 100 Particle size/um Particle size/um 图2原料粒径分布曲线.(a)赤泥和矿粉：(b)石粉 Fig.2 Particle-size distribution curve of raw materials:(a)RM and BFS;(b)LS

1.2    样品制备 基于本课题组以往研究成果及实际工程经 验[11] ，本实验所用赤泥与矿粉质量比设定为 1∶1， 水胶比为 1.0，碱激发剂选用质量分数为 8% 的 NaOH 溶液并在使用前将其冷却至室温，全粒径石 粉占固体粉料质量分数 为 0、 5%、 10%、 15% 和 20%，等质量替换赤泥矿粉双组分，并分别命名为 LS–0、LS–5%、LS–10%、LS–15% 和 LS–20%，实 验固体粉料质量配比如表 2 所示. 以凝结时间、泌 水率和抗压强度等宏观性能为评价指标，优选出 全粒径石粉作用下的最佳掺量；在最佳石粉掺量 下，选用粒径区间分别为全粒径、200 目、400 目、 600 目和 800 目的石粉进行实验，并以平均粒径为 依据分别命名为 LS–bulk、LS–60、LS–33、LS–21 和 LS–8，具体实验过程如 1.3 所述. 1.3    实验方法 浆液凝结时间测试参照 GB/T1346—2011《水 泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》 进行. 泌水率测试参照 GB/T 25182—2010《预应力 孔道灌浆剂》中常压泌水率试验方法在 100 mL 量 筒中进行，量取离析水面高度，与水泥浆膨胀面高 度作差后，除以原始灌浆高度得到泌水率. 黏度时 变性和流变测试使用美国 Thermo Fisher Scientific 公司的 HAAKE MARS 40 旋转流变仪. 参照水泥净浆的操作流程，将赤泥、矿粉、石 粉与碱激发剂水溶液按设计配比搅拌均匀后，注 入 40 mm×40 mm×40 mm 模具成型， 24 h 后脱模， 于水中养护，养护温度为（20±1）℃，在养护至 3 d、 28 d 时进行强度测试，测试仪器采用 CDT1305–2 型压力实验机，通过单轴抗压强度试验获得应力– 应变曲线. 之后选取养护 28 d 的结石体，在力学强 度测试后取块状样品储存于无水乙醇中终止 水化以进行微观测试，测试前将试样放置于 60 ℃ 表 1    原料化学组成 Table 1    Chemical composition of raw materials % Raw materials SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O LOI RM 26.40 11.32 32.11 1.57 0.17 0.23 7.70 6.14 BFS 20.50 12.10 0.55 57.20 5.05 0.83 0.36 1.23 LS 0.53 0.02 0.01 55.28 0.55 0.01 — 43.6 10 20 30 40 2θ/(°) 1 1 2 3 3 3 3 3 4 5 5 5 4 BFS RM (a) 1—Cancrinite 2—Boehmite 3—Hematite 4—Muscovite 5—Perovskite Relative intensity 50 60 70 10 20 30 40 2θ/(°) 1 1 11 1 1 1 11 1 LS (b) 1—Calcite Relative intensity 50 60 70 图 1    原料的 XRD 图. （a）赤泥和矿粉；（b）石粉 Fig.1    XRD spectra of materials: (a) RM and BFS; (b) LS 1 0 20 40 60 80 100 (a) BFS RM 10 Particle size/μm Cumulative volume fraction/ % 100 (b) 0 20 40 60 80 100 Cumulative volume fraction/ % 1 10 Particle size/μm 800 meshes (38 μm) Full size 100 图 2    原料粒径分布曲线. （a）赤泥和矿粉；（b）石粉 Fig.2    Particle-size distribution curve of raw materials: (a) RM and BFS; (b) LS · 770 · 工程科学学报，第 43 卷，第 6 期

李召峰等：石粉对赤泥基注浆材料的影响机制 771· 表2实验固体粉料质量配比 间逐渐延长，这是因为细小的石粉颗粒填充在孔 Table 2 Experimental proportion 隙中替代一部分水起到润滑的作用，多余的水使 Sample RM BFS LS 膏体更具流动性，延长了浆体的凝结时间1-2四 LS-0 50 50 0 图3(b)为5%的较优石粉质量分数下不同 LS-5% 47.5 47.5 粒径石粉对浆液凝结时间的作用规律图，可以看 LS-10% 45 5 9 出随着石粉粒径的减小，LS-60、LS-33、LS-21 LS-15% 42.5 42.5 小 和LS-8相比于LS-buk浆液初凝时间分别缩短 LS-20% 了17、22、27和30min,由此可得，LS-8初凝时间 40 40 20 LS-bulk 47.5 47.5 5 的变化幅度最大，相比于LS-bulk低了19.3%.这 LS-60 47.5 47.5 J 是因为包覆水膜的石灰石虽然对浆液起到润滑、 LS-33 47.5 47.5 5 传动的作用，然而由于细粒度石粉具有较大的比 LS-21 47.5 47.5 表面积，需水量较大，浆液自由水含量大幅降低： LS-8 47.5 47.5 5 粒径较小的石粉颗粒成膜吸水作用比粒径大的石 粉水膜传动作用强，浆液凝结时间在宏观表现为 烘干箱中烘干24h后进行微观结构分析.孔径分 缩短2) 布与孔隙率分析采用PoreMaster-60型压汞仪 2.2石粉对赤泥基注浆材料泌水性能的影响 (MIP);水化产物分析采用EMPYREAN型X射线 在注浆时，浆液中较粗的颗粒由于重力作用 衍射仪；结石体微观形态分析采用Thermo Fisher 逐渐沉积下来，大量的自由水便悬浮于浆液上层， Quattro S扫描电子显微镜. 进而影响结石体的宏微观结构性能.石粉对赤泥 基注浆材料泌水率的影响规律如图4示，由图4(a) 2结果与讨论 知，随石粉质量分数增大，浆液泌水率分别为 21石粉对赤泥基注浆材料凝结时间的影响 7.1%.7.8%,8.8%.10%和11.5%.在石粉质量分数 浆液凝结时间是水化历程的宏观物理反映， 为5%时较LS-0上升幅度最小，增幅仅为9.85% 两者有着密不可分的关系.石粉对赤泥基注浆材 由图4(b)可知，在5%的最佳石粉质量分数下，随 料凝结时间的影响如图3所示.由图3(a)可知， 石粉粒径的减小浆液泌水率分别为7.8%，7.3%， LS-5%、LS-10%、LS-15%和LS-20%浆液初凝 6.8%,6.4%和5.8%.通过比较实验组间降幅可知， 时间相比于LS-0分别延长了为6、16、30和32min, 在石粉平均粒径为8m时，浆液泌水率下降幅度 相对增量分别为6,10,14和2min,由此可见，在石 最大，降幅达9.38%，这是因为随着石粉粒径的减 粉质量分数为5%和20%时，赤泥基注浆材料浆 小，颗粒比表面积逐渐增大，形成饱和水膜所需水 液凝结时间受石粉影响较小，因此，5%和20%为 量也随之增大，浆液泌水率同样也呈现出下降的 石粉较优质量分数.随着石粉掺量增加，初终凝时 变化规律P] 7.0 7.0 (a) (b) 一Initial setting time .Initial setting time 6.5 6.5 -Final setting time 。-Final setting time y/au 6.0 6.0 4.0 4.0 3.5 5 10 15 20 21 33 60 Full Mass fraction of LS/% Mean particle size/um 图3石粉对赤泥基注浆材料凝结时间的影响.()不同质量分数石粉：(b)不同平均粒径石粉 Fig.3 Effect of limestone powder on setting time of red mud-based grouting material:(a)different mass fractions of LS;(b)different mean particle sizes ofLS

烘干箱中烘干 24 h 后进行微观结构分析. 孔径分 布与孔隙率分析采用 PoreMaster –60 型压汞仪 （MIP）；水化产物分析采用 EMPYREAN 型 X 射线 衍射仪；结石体微观形态分析采用 Thermo Fisher Quattro S 扫描电子显微镜. 2    结果与讨论 2.1    石粉对赤泥基注浆材料凝结时间的影响 浆液凝结时间是水化历程的宏观物理反映， 两者有着密不可分的关系. 石粉对赤泥基注浆材 料凝结时间的影响如图 3 所示. 由图 3（a）可知， LS–5%、LS–10%、LS–15% 和 LS–20% 浆液初凝 时间相比于 LS–0 分别延长了为 6、16、30 和 32 min， 相对增量分别为 6，10，14 和 2 min，由此可见，在石 粉质量分数为 5% 和 20% 时，赤泥基注浆材料浆 液凝结时间受石粉影响较小，因此，5% 和 20% 为 石粉较优质量分数. 随着石粉掺量增加，初终凝时 间逐渐延长，这是因为细小的石粉颗粒填充在孔 隙中替代一部分水起到润滑的作用，多余的水使 膏体更具流动性，延长了浆体的凝结时间[21−22] . 图 3（ b）为 5% 的较优石粉质量分数下不同 粒径石粉对浆液凝结时间的作用规律图，可以看 出随着石粉粒径的减小，LS–60、LS–33、LS–21 和 LS–8 相比于 LS–bulk 浆液初凝时间分别缩短 了 17、22、27 和 30 min，由此可得，LS–8 初凝时间 的变化幅度最大，相比于 LS–bulk 低了 19.3%. 这 是因为包覆水膜的石灰石虽然对浆液起到润滑、 传动的作用，然而由于细粒度石粉具有较大的比 表面积，需水量较大，浆液自由水含量大幅降低； 粒径较小的石粉颗粒成膜吸水作用比粒径大的石 粉水膜传动作用强，浆液凝结时间在宏观表现为 缩短[23] . 2.2    石粉对赤泥基注浆材料泌水性能的影响 在注浆时，浆液中较粗的颗粒由于重力作用 逐渐沉积下来，大量的自由水便悬浮于浆液上层， 进而影响结石体的宏微观结构性能. 石粉对赤泥 基注浆材料泌水率的影响规律如图 4 示，由图 4（a） 知 ，随石粉质量分数增大 ，浆液泌水率分别 为 7.1%，7.8%，8.8%，10% 和 11.5%，在石粉质量分数 为 5% 时较 LS–0 上升幅度最小，增幅仅为 9.85%. 由图 4（b）可知，在 5% 的最佳石粉质量分数下，随 石粉粒径的减小浆液泌水率分别为 7.8%， 7.3%， 6.8%，6.4% 和 5.8%，通过比较实验组间降幅可知， 在石粉平均粒径为 8 μm 时，浆液泌水率下降幅度 最大，降幅达 9.38%，这是因为随着石粉粒径的减 小，颗粒比表面积逐渐增大，形成饱和水膜所需水 量也随之增大，浆液泌水率同样也呈现出下降的 变化规律[23] . 表 2    实验固体粉料质量配比 Table 2    Experimental proportion % Sample RM BFS LS LS–0 50 50 0 LS–5% 47.5 47.5 5 LS–10% 45 45 10 LS–15% 42.5 42.5 15 LS–20% 40 40 20 LS–bulk 47.5 47.5 5 LS–60 47.5 47.5 5 LS–33 47.5 47.5 5 LS–21 47.5 47.5 5 LS–8 47.5 47.5 5 0 4.0 6.0 6.5 7.0 (a) Initial setting time Final setting time 5 Mass fraction of LS/% Setting time/h 10 15 20 Mean particle size/μm 8 4.0 3.5 6.0 6.5 7.0 (b) Initial setting time Final setting time 21 Setting time/h 33 60 Full 图 3    石粉对赤泥基注浆材料凝结时间的影响. （a）不同质量分数石粉；（b）不同平均粒径石粉 Fig.3    Effect of limestone powder on setting time of red mud–based grouting material: (a) different mass fractions of LS; (b) different mean particle sizes of LS 李召峰等： 石粉对赤泥基注浆材料的影响机制 · 771 ·

772 工程科学学报，第43卷，第6期 12 (a) (b) 10 8 6 ·-LS-0 ·一LS-5% uipag ·-LS-bulk +-LS-10% 2 +-LS-60 +-LS-33 一LS-15% -LS-21 ◆-LS-20% ◆一LS-8 0 0 20 30.40 50 60 70 0 1020 3040 5060 70 Time/min Time/min 图4石粉对赤泥基注浆材料泌水率的影响.(a)不同质量分数石粉：(b)不同平均粒径石粉 Fig.4 Effect of limestone powder on bleeding rate of red mud-based grouting material:(a)different mass fractions of LS;(b)different mean particle sizes of LS 2.3石粉对赤泥基注浆材料黏度时变性的影响 从而浆液黏度上升2 在注浆泵送过程中，随着水化历程的进行，浆 2.4石粉对赤泥基注浆材料流变特性的影响 液黏度会产生由稀至浓最后凝结的动态变化，此 流变学可以表征材料的内部结构与宏观性能 过程的变化在一定程度上反映浆液的水化历程及 之间的内在关系，浆液的流变特性可以指导注浆 水化产物生成状态：石粉对赤泥基注浆材料黏 参数的设计.石粉对赤泥基注浆材料的流变特性 度时变性的影响如图5所示.由图5(a)可知浆液 影响如图6所示.由图可知，参量和粒径组的分布 黏度随石粉摻量的上升而下降，这是因为石粉稀 曲线都与Herschel--Bulkley模型方程拟合较好， 释了浆液中的胶凝组分，使得AI+和S的浸出量 方程如下，拟合结果如表3所示 降低，水化初期预聚体含量变少，浆液黏度下降 T=TO+Kym 为保证浆液的稳定性，增强材料工程适应性，石粉 其中，t为剪切应力，Pa;to为屈服应力，Pa;K为黏 质量分数为5%时，浆液黏度下降速率最慢，故 度系数，Pas”;n为流动系数，量纲为一；y为剪切速 5%为最佳石粉质量分数.由图5(b)可知，LS-60 率，s 和LS-33石粉掺入后，浆液的黏度下降，而平均粒 由图可知n值均大于1，说明浆体均呈现出剪 径为21m和8m的石粉加入后，浆液黏度出现 切变稠的趋势，且石粉质量分数为5%时，浆液黏 一定程度的回升，甚至在550s时，石粉平均粒径 度变化速率最大，为0.2478Pas.由图6(b)和表3 为8m的浆液黏度超过了全粒径组，这是因为较 可知，屈服应力0随石粉粒径的减小呈变大的趋 细石粉的掺人填充了微孔，颗粒致密地聚集起来， 势，原因也可解释为石粉由于“填充效应”造成浆 640 (a) (b) 640 600 7600 560 560 八 nw -LS-bulk 一LS-0 520 ----LS-60 520 ·-LS-5% [o …LS-10% H+4LS-33 480 -+--LS-21 ---LS-15% 480 --LS-20% -·-LS-8 0 200 400 600 800 1000 0 200 400 600 8001000 Time/s Time/s 图5石粉对赤泥基注浆材料黏度时变性的影响.()不同质量分数石粉：(b)不同平均粒径石粉 Fig.5 Effect of limestone powder on time-dependent behavior of viscosity of red mud-based grouting material:(a)different mass fractions of LS; (b)different mean particle sizes of LS

2.3    石粉对赤泥基注浆材料黏度时变性的影响 在注浆泵送过程中，随着水化历程的进行，浆 液黏度会产生由稀至浓最后凝结的动态变化，此 过程的变化在一定程度上反映浆液的水化历程及 水化产物生成状态[24] . 石粉对赤泥基注浆材料黏 度时变性的影响如图 5 所示，由图 5（a）可知浆液 黏度随石粉掺量的上升而下降，这是因为石粉稀 释了浆液中的胶凝组分，使得 Al3+和 Si4+的浸出量 降低，水化初期预聚体含量变少，浆液黏度下降. 为保证浆液的稳定性，增强材料工程适应性，石粉 质量分数为 5% 时，浆液黏度下降速率最慢，故 5% 为最佳石粉质量分数. 由图 5（b）可知，LS–60 和 LS–33 石粉掺入后，浆液的黏度下降，而平均粒 径为 21 μm 和 8 μm 的石粉加入后，浆液黏度出现 一定程度的回升，甚至在 550 s 时，石粉平均粒径 为 8 μm 的浆液黏度超过了全粒径组，这是因为较 细石粉的掺入填充了微孔，颗粒致密地聚集起来， 从而浆液黏度上升[25] . 2.4    石粉对赤泥基注浆材料流变特性的影响 流变学可以表征材料的内部结构与宏观性能 之间的内在关系，浆液的流变特性可以指导注浆 参数的设计. 石粉对赤泥基注浆材料的流变特性 影响如图 6 所示. 由图可知，掺量和粒径组的分布 曲线都与 Herschel–Bulkley 模型方程拟合较好， 方程如下，拟合结果如表 3 所示. τ = τ0 +Kγ n 其中，τ 为剪切应力，Pa；τ0 为屈服应力，Pa；K 为黏 度系数，Pa·sn ；n 为流动系数，量纲为一；γ 为剪切速 率，s −1 . 由图可知 n 值均大于 1，说明浆体均呈现出剪 切变稠的趋势，且石粉质量分数为 5% 时，浆液黏 度变化速率最大，为 0.2478 Pa·sn . 由图 6（b）和表 3 可知，屈服应力 τ0 随石粉粒径的减小呈变大的趋 势，原因也可解释为石粉由于“填充效应”造成浆 0 0 6 4 2 10 8 12 (a) LS−0 LS−5% LS−10% LS−15% LS−20% 10 Time/min Bleeding capacity/ % 20 30 40 70 50 60 0 0 6 4 2 8 (b) LS−bulk LS−60 LS−33 LS−21 LS−8 10 Time/min Bleeding capacity/ % 20 30 40 70 50 60 图 4    石粉对赤泥基注浆材料泌水率的影响. （a）不同质量分数石粉；（b）不同平均粒径石粉 Fig.4    Effect of limestone powder on bleeding rate of red mud–based grouting material: (a) different mass fractions of LS; (b) different mean particle sizes of LS 0 520 480 600 560 640 520 480 600 560 640 (a) LS−0 LS−5% LS−10% LS−15% LS−20% 1000 Time/s Viscosity/(mPa·s) 200 400 800 600 0 1000 Time/s 200 400 800 600 (b) LS−bulk LS−60 LS−33 LS−21 LS−8 Viscosity/(mPa·s) 图 5    石粉对赤泥基注浆材料黏度时变性的影响. （a）不同质量分数石粉；（b）不同平均粒径石粉 Fig.5     Effect  of  limestone  powder  on  time-dependent  behavior  of  viscosity  of  red  mud –based  grouting  material:  (a)  different  mass  fractions  of  LS; (b) different mean particle sizes of LS · 772 · 工程科学学报，第 43 卷，第 6 期

李召峰等：石粉对赤泥基注浆材料的影响机制 773· (a) 50 6 40 d 0 30 30 0 1520 10 15 20 20 +—LS-0 LS-bulk +一LS-5% -LS-60 +一LS-10% LS-33 10 一LS-15% 10 -LS-21 -LS-20% LS-8 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100 yls-1 图6石粉对赤泥基注浆材料流变性能的影响.()不同质量分数石粉：(b)不同平均粒径石粉 Fig.6 Effect of limestone powder on rheological property of red mud-based grouting material:(a)different mass fractions of LS;(b)different mean particle sizes of LS 表3 Herschel-Bulkley模型拟合结果 本研究以浆液凝结时间、泌水率、黏度时变 Table 3 Fitting results of Herschel-Bulkley model 性以及抗压强度为衡量指标，通过数据分析证实 Sample Fitting equation R 石粉质量分数为5%时，浆液宏观性能变化较 t=0.449+0.2431y.170 大，因此断定为石粉的最佳掺量，由图7(b)可 LS-0 0.9932 LS-5% t=0.473+0.2478y1.161 知，与LS-bulk相比，结石体强度随石粉粒径的 0.9936 LS-10% T=0.432+0.2373y.164 减小先减小后增大，相比于LS-60和LS-33的 0.9944 石粉颗粒，全粒径石粉具有更合理的粒径分布2， LS-15% t=0.419+0.2249y112 0.9944 T=0.385+0.2021y.192 在结石体中能起到更好的填充效果，在石粉平均 LS-209% 0.9950 粒径达到21m和8um时，细颗粒具有较大的比 LS-bulk T=0.473+0.2478y1.161 0.9936 表面积，从而能给凝胶提供更多的成核位点供其 LS-60 T=0.328+0.2051y11m 0.9960 沉淀和生长2，同时细小的颗粒能起到更好的填 LS-33 t=0.331+0.1817y1211 0.9961 充效果，故LS-8的3d和28d强度相比于全粒 LS-21 t=0.338+0.1938y1.194 0.9959 径组都有一定程度的提升，提升幅度分别为11.86% LS-8 T=0.413+0.2062y1.191 0.9944 和10%. 液团聚，提高了浆体的屈服应力表3中，R为 2.6石粉对赤泥基注浆材料应力-应变特征的影响 不同石粉糁量与粒径条件下，赤泥基注浆材 方程拟合度 料结石体28d应力-应变曲线如图8所示.由图8 2.5石粉对赤泥基注浆材料力学性能的影响 可知，结石体均经历孔隙裂隙压密、线弹性变形、 浆液结石体抗压强度是衡量结石体承重能力 非稳定破裂发展和破坏4个阶段2)弹性模量计 的重要指标，决定了其在注浆工程中的加固效果 算采用平均弹性模量法(E50),E50常用于工程岩 石粉对赤泥基注浆材料抗压强度的影响如图7所 土结构，它是指岩土结构体在其服役直至破坏过 示，结石体3d抗压强度随石粉掺量的上升先增大 程中最大应力的50%除以其对应的应变值 后减小，LS-5%和LS-10%结石体强度相较于 图8(a)中，随着石粉质量分数的增大，其峰值应力 LS-0具有显著的提升，提升幅度分别约为18.94% 点对应的横纵坐标分别为(7.15,0.32)，(7.01,0.39)， 和10.32%.石粉质量分数为5%时为最大拐点.这 (6.21,0.43),（5.40,0.45)和(4.85,0.46)，计算得弹性 是因为石粉在早期结石体水化程度不高时，地聚 模量分别为22.34,17.94,14.44,12和10.54MPa,呈 物凝胶尚未将孔隙填满，而细小的石粉将孔隙填 现逐渐减小的规律.由图8(a)知相较于LS-0,掺 充，并为Na2O-SiO2Al2O3-H20凝胶(N-A-S-H), 入石粉的质量分数达到5%时峰荷应变下轴向最 水化硅铝酸钙凝胶(C-A-S-H)和水化硅酸钙凝 大应力下降幅度较小，而达到峰荷应力所需累计 胶(C-S-H)等凝胶提供成核位点，进一步加速水 变形量明显增大，这表明质量分数为5%的石粉虽 化1-2，从而提高结石体的早期强度，简化为石粉 降低了结石体28d强度，但能大幅减小赤泥基注 的“成核效应”和“填充效应” 浆材料的脆性，故5%为最佳石粉质量分数

液团聚，提高了浆体的屈服应力[25] . 表 3 中，R 2 为 方程拟合度. 2.5    石粉对赤泥基注浆材料力学性能的影响 浆液结石体抗压强度是衡量结石体承重能力 的重要指标，决定了其在注浆工程中的加固效果. 石粉对赤泥基注浆材料抗压强度的影响如图 7 所 示，结石体 3 d 抗压强度随石粉掺量的上升先增大 后减小 ， LS –5% 和 LS –10% 结石体强度相较 于 LS–0 具有显著的提升，提升幅度分别约为 18.94% 和 10.32%，石粉质量分数为 5% 时为最大拐点. 这 是因为石粉在早期结石体水化程度不高时，地聚 物凝胶尚未将孔隙填满，而细小的石粉将孔隙填 充，并为 Na2O–SiO2–Al2O3–H2O 凝胶（N–A–S–H）， 水化硅铝酸钙凝胶（C–A–S–H）和水化硅酸钙凝 胶（C–S–H）等凝胶提供成核位点，进一步加速水 化[21−22] ，从而提高结石体的早期强度，简化为石粉 的“成核效应”和“填充效应”. 本研究以浆液凝结时间、泌水率、黏度时变 性以及抗压强度为衡量指标，通过数据分析证实 石粉质量分数 为 5% 时，浆液宏观性能变化较 大，因此断定为石粉的最佳掺量. 由图 7（ b）可 知 ，与 LS–bulk 相比，结石体强度随石粉粒径的 减小先减小后增大，相比于 LS–60 和 LS–33 的 石粉颗粒，全粒径石粉具有更合理的粒径分布[26] ， 在结石体中能起到更好的填充效果，在石粉平均 粒径达到 21 μm 和 8 μm 时，细颗粒具有较大的比 表面积，从而能给凝胶提供更多的成核位点供其 沉淀和生长[27] ，同时细小的颗粒能起到更好的填 充效果，故 LS– 8 的 3 d 和 28 d 强度相比于全粒 径组都有一定程度的提升，提升幅度分别为 11.86% 和 10%. 2.6    石粉对赤泥基注浆材料应力–应变特征的影响 不同石粉掺量与粒径条件下，赤泥基注浆材 料结石体 28 d 应力–应变曲线如图 8 所示. 由图 8 可知，结石体均经历孔隙裂隙压密、线弹性变形、 非稳定破裂发展和破坏 4 个阶段[28] . 弹性模量计 算采用平均弹性模量法（E50），E50 常用于工程岩 土结构，它是指岩土结构体在其服役直至破坏过 程中最大应力 的 50% 除以其对应的应变值 [29] . 图 8（a）中，随着石粉质量分数的增大，其峰值应力 点对应的横纵坐标分别为（7.15,0.32），（7.01,0.39）， （6.21,0.43），（5.40,0.45）和（4.85,0.46），计算得弹性 模量分别为 22.34，17.94，14.44，12 和 10.54 MPa，呈 现逐渐减小的规律. 由图 8（a）知相较于 LS–0，掺 入石粉的质量分数达到 5% 时峰荷应变下轴向最 大应力下降幅度较小，而达到峰荷应力所需累计 变形量明显增大，这表明质量分数为 5% 的石粉虽 降低了结石体 28 d 强度，但能大幅减小赤泥基注 浆 材 料 的 脆 性 ， 故 5% 为 最 佳 石 粉 质 量 分 数 . 表 3    Herschel–Bulkley 模型拟合结果 Table 3    Fitting results of Herschel–Bulkley model Sample Fitting equation R 2 LS–0 τ = 0.449+0.2431γ 1.170 0.9932 LS–5% τ = 0.473+0.2478γ 1.161 0.9936 LS–10% τ = 0.432+0.2373γ 1.164 0.9944 LS–15% τ = 0.419+0.2249γ 1.172 0.9944 LS–20% τ = 0.385+0.2021γ 1.192 0.9950 LS–bulk τ = 0.473+0.2478γ 1.161 0.9936 LS–60 τ = 0.328+0.2051γ 1.177 0.9960 LS–33 τ = 0.331+0.1817γ 1.211 0.9961 LS–21 τ = 0.338+0.1938γ 1.194 0.9959 LS–8 τ = 0.413+0.2062γ 1.191 0.9944 0 20 10 0 40 30 50 (a) LS−0 LS−5% LS−10% LS−15% LS−20% 100 γ/s−1 20 40 80 60 0 100 γ/s−1 γ/s−1 20 40 80 60 0 1 2 3 4 5 5 10 15 20 (b) LS−bulk LS−60 LS−33 LS−21 LS−8 τ/Pa 20 10 0 40 30 50 τ/Pa τ/Pa γ/s−1 0 2 3 4 5 5 10 15 20 τ/Pa 图 6    石粉对赤泥基注浆材料流变性能的影响. （a）不同质量分数石粉；（b）不同平均粒径石粉 Fig.6    Effect of limestone powder on rheological property of red mud–based grouting material: (a) different mass fractions of LS; (b) different mean particle sizes of LS 李召峰等： 石粉对赤泥基注浆材料的影响机制 · 773 ·

.774 工程科学学报，第43卷，第6期 10 %3d (b) 3 a ☒28d 28d 6 0 5 10 15 20 8 21 33 60 Full Mass fraction of LS/ Mean particle size/um 困7石粉对赤泥基注浆材料抗压强度的影响.()不同质量分数石粉：(b)不同平均粒径石粉 Fig.7 Effect of limestone powder on compressive strength of red mud-based grouting material:(a)different mass fractions of LS;(b)different mean particle sizeps of LS 9 (a) (b) -LS-0 -LS-bulk 3 --·LS-5% --·LS-60 -·一LS-10% -·-LS-33 …LS-159% …LS-21 -----LS-20% --==-LS-8 0 0.2 0.4 0.6 0.2 0.4 0.6 /% c/% 图8石粉对赤泥基注浆材料应力-应变特征的影响.()不同质量分数石粉：(b)不同平均粒径石粉 Fig.8 Effect of limestone powder on stress-strain curves of red mud-based grouting material:(a)different mass fractions of LS;(b)different mean particle sizes of LS 图8(b)中，随着石粉平均粒径的下降，其峰值应力 孔隙率作用规律图.由图9(a~b)可知，赤泥基注 点对应的横纵坐标分别为(7.89,0.39)，(7.01,0.44)， 浆材料的孔径主要为10~100nm的凝胶孔和 (7.85,0.34),(8.50,0.28)和(8.62,0.24)，计算得结石 100~3000nm的毛细孔，石粉质量分数为5%的样 体弹性模量随着石粉平均粒径的下降先降低后升 品孔隙率最低，为29.77%，相比LS-0降低了18.35%， 高，分别为20.23、15.93、23.09、30.36和35.92MPa 同时凝胶孔占比较大、毛细孔较少，这与抗压强度 同时峰荷应力先减小后增大，峰荷应变呈现先增 结论相符，当石粉掺量继续增大，孔隙率虽有下 大后减小的趋势，这表明随着石粉平均粒径的下 降，但是毛细孔的比率也大幅上升，导致结石体强 降，结石体28d强度先减小后增大，石粉平均粒径 度下降.由图9(c~d)知，结石体孔隙率随石粉粒 达到8m时结石体强度最高 径的增加先上升后减小，这是因为全粒径石灰石 2.7微观分析 粉粒径分布更合理，LS-60,LS-33和LS-21由于 2.7.1孔径分布与孔隙率规律分析 颗粒较大，填充效果不如全粒径组显著.在石粉平 注浆材料结石体的孔隙结构直接影响结石体 均粒径减小至8m时，结石体孔隙率与全粒径组 的抗压强度，并对结石体的抗渗性能和耐久性有 大致相同，但抗压强度相较全粒径组却稍有上升， 重要影响.碱激发水泥基胶凝材料的孔可分为三 原因可能与抗压强度测试中的推论一致 类：孔径3.5~10nm为小凝胶孔，10~100nm为大 2.7.2水化产物矿相分析 凝胶孔，100nm至几千纳米称毛细孔0图9为掺 图10为掺有不同掺量和粒径石粉的赤泥基注 有石粉的赤泥基注浆材料结石体28d孔径分布与 浆材料结石体28dXRD图.由图可知，结石体主

图 8（b）中，随着石粉平均粒径的下降，其峰值应力 点对应的横纵坐标分别为（7.89,0.39），（7.01,0.44）， （7.85,0.34），（8.50,0.28）和（8.62,0.24），计算得结石 体弹性模量随着石粉平均粒径的下降先降低后升 高，分别为 20.23、15.93、23.09、30.36 和 35.92 MPa. 同时峰荷应力先减小后增大，峰荷应变呈现先增 大后减小的趋势，这表明随着石粉平均粒径的下 降，结石体 28 d 强度先减小后增大，石粉平均粒径 达到 8 μm 时结石体强度最高. 2.7    微观分析 2.7.1    孔径分布与孔隙率规律分析 注浆材料结石体的孔隙结构直接影响结石体 的抗压强度，并对结石体的抗渗性能和耐久性有 重要影响. 碱激发水泥基胶凝材料的孔可分为三 类：孔径 3.5～10 nm 为小凝胶孔，10～100 nm 为大 凝胶孔，100 nm 至几千纳米称毛细孔[30] . 图 9 为掺 有石粉的赤泥基注浆材料结石体 28 d 孔径分布与 孔隙率作用规律图. 由图 9（a～b）可知，赤泥基注 浆材料的孔径主要 为 10～ 100  nm 的凝胶孔 和 100～3000 nm 的毛细孔，石粉质量分数为 5% 的样 品孔隙率最低，为 29.77%，相比 LS–0 降低了 18.35%， 同时凝胶孔占比较大、毛细孔较少，这与抗压强度 结论相符，当石粉掺量继续增大，孔隙率虽有下 降，但是毛细孔的比率也大幅上升，导致结石体强 度下降. 由图 9（c～d）知，结石体孔隙率随石粉粒 径的增加先上升后减小，这是因为全粒径石灰石 粉粒径分布更合理，LS–60, LS–33 和 LS–21 由于 颗粒较大，填充效果不如全粒径组显著. 在石粉平 均粒径减小至 8 μm 时，结石体孔隙率与全粒径组 大致相同，但抗压强度相较全粒径组却稍有上升， 原因可能与抗压强度测试中的推论一致[27] . 2.7.2    水化产物矿相分析 图 10 为掺有不同掺量和粒径石粉的赤泥基注 浆材料结石体 28 d XRD 图. 由图可知，结石体主 (a) 3 d 28 d 20 Mass fraction of LS/% 0 5 15 10 4 2 0 8 6 10 Compressive strength/MPa (b) 3 d 28 d Full Mean particle size/μm 8 21 60 33 4 2 0 8 6 10 Compressive strength/MPa 图 7    石粉对赤泥基注浆材料抗压强度的影响. （a）不同质量分数石粉；（b）不同平均粒径石粉 Fig.7    Effect of limestone powder on compressive strength of red mud–based grouting material: (a) different mass fractions of LS; (b) different mean particle sizeps of LS (a) 0.6 ε/% 0 0.2 0.4 1 5 3 7 σ/MPa LS−0 LS−5% LS−10% LS−15% LS−20% (b) 0.6 ε/% 0 0.2 0.4 1 5 3 7 9 σ/MPa LS−bulk LS−60 LS−33 LS−21 LS−8 图 8    石粉对赤泥基注浆材料应力–应变特征的影响. （a）不同质量分数石粉；（b）不同平均粒径石粉 Fig.8    Effect of limestone powder on stress –strain curves of red mud –based grouting material: (a) different mass fractions of LS; (b) different mean particle sizes of LS · 774 · 工程科学学报，第 43 卷，第 6 期

李召峰等：石粉对赤泥基注浆材料的影响机制 .775 0.5 40 (a) 38.15% +-LS0 (b) 36.46% 0.4 ·—LS-5% ·一LS-10% 35 ￥—LS-15% 32.63% 32.72% 0.3 ·—LS-20% 29.77% 30 0.2 0. 25 20 10 100 1000 10000 0 10 15 30 Pore diameter/nm Mass fraction of LS/% 0.5 (d) 40.16% ·一LS-bulk 40 0.4 ·-LS-60 -LS-33 35.09% 33.96% 0.3 LS-21 -LS-8 0.2 30 29.66% 29.77% 0.1 25 20 10 100 1000 10000 8 2 33 60 Full Pore diameter/nm Mean particle size/um 图9石粉对赤泥基注浆材料孔径分布和孔隙率的影响.()不同质量分数石粉的孔径分布：(b)不同质量分数石粉的孔隙率；(c)不同平均粒径石 粉的孔径分布：()不同平均粒径石粉的孔隙率 Fig.9 Effect of limestone powder on pore-size distribution and porosity of red mud-based grouting material:(a)pore-size distribution of LS with different mass fractions,(b)porosity of L with different mass fractions,(c)pore-size distribution ofLS with different mean particle sizes (d)porosity of LS with different mean particle sizes (a) (b) 22 LS-bulk 221 34521 2 LS-20% LS-60 人人 LS-15% LS-33 人人人人人人人 LS-10% Lh人人 LS-21 LS-5% 人人从 LS-0 LS-8 510152025303540455055606570 510152025303540455055606570 2l) 28M) 1-Calcite;2-Hematite;3-C-S-H;4-Unnamed zeolite;5-Boehmite 图10穆人石粉的赤泥基注浆材料结石体XRD图.(a)不同质量分数石粉：(b)不同平均粒径石粉 Fig.10 X-ray diffraction spectra of paste matrix of red mud-based grouting material with limestone powder:(a)different mass fractions of LS; (b)different mean particle sizes of LS 要的水化产物有水化硅酸钙凝胶(C-S-H)、沸 等，同时，试样中存在大量未反应的赤铁矿.在 石、一水铝石和其它地聚物凝胶等，25°~40°的衍 图10(a)中，随着石粉摻量的上升，方解石的含量也 射峰对应的地聚物凝胶种类有Na2O-SiO2-Al2O, 在上升，并且C-S-H的衍射峰强度并未变化，由 H,O凝胶(N-A-S-H),水化硅铝酸钙(C-A-S-H) 此可以判定石粉的加入并不会产生新的矿相，其对 和Na2O-CaO-SiO2-Al,03-H2O凝胶(N-C-A-S-H) 赤泥基注浆材料的提升效果主要以物理效应为主

要的水化产物有水化硅酸钙凝胶 (C–S–H)、沸 石、一水铝石和其它地聚物凝胶等，25°～40°的衍 射峰对应的地聚物凝胶种类有 Na2O–SiO2–Al2O3– H2O 凝胶 (N–A–S–H)，水化硅铝酸钙 (C–A–S–H) 和 Na2O–CaO–SiO2–Al2O3–H2O 凝胶 (N–C–A–S–H) 等，同时，试样中存在大量未反应的赤铁矿. 在 图 10（a）中，随着石粉掺量的上升，方解石的含量也 在上升，并且 C–S–H 的衍射峰强度并未变化，由 此可以判定石粉的加入并不会产生新的矿相，其对 赤泥基注浆材料的提升效果主要以物理效应为主. (b) 20 Mass fraction of LS/% 36.46% 29.77% 32.63% 32.72% 38.15% 0 5 15 10 30 25 20 35 40 Porosity/ % (d) Full Mean particle size/μm 8 21 60 33 30 25 20 35 40 Porosity/ % 29.66% 33.96% 35.09% 40.16% 29.77% (a) 10000 Pore diameter/nm 10 1000 100 0.2 0.1 0 0.4 0.3 0.5 −d V/dlogD LS−0 LS−5% LS−10% LS−15% LS−20% (c) 10000 Pore diameter/nm 10 1000 100 0.2 0.1 0 0.4 0.3 0.5 −d V/dlogD LS−bulk LS−60 LS−33 LS−21 LS−8 图 9    石粉对赤泥基注浆材料孔径分布和孔隙率的影响. （a）不同质量分数石粉的孔径分布；（b）不同质量分数石粉的孔隙率；（c）不同平均粒径石 粉的孔径分布；（d）不同平均粒径石粉的孔隙率 Fig.9     Effect  of  limestone  powder  on  pore-size  distribution  and  porosity  of  red  mud –based  grouting  material:  (a)  pore-size  distribution  of  LS  with different mass fractions; (b) porosity of LS with different mass fractions; (c) pore-size distribution of LS with different mean particle sizes; (d) porosity of LS with different mean particle sizes 10 20 30 40 2θ/(°) 1 1 1 1 2 2 2 2 3 5 4 5 5 5 2 2 2 2 2 1 1 3 1 4 1 (a) Relative intensity 5 15 25 35 45 55 65 50 60 70 10 20 30 40 2θ/(°) 5 15 25 35 45 55 65 50 60 70 (b) Relative intensity LS−0 LS−5% LS−10% LS−15% LS−20% LS−bulk LS−60 LS−33 LS−21 LS−8 1—Calcite; 2—Hematite; 3—C−S−H; 4—Unnamed zeolite; 5—Boehmite 图 10    掺入石粉的赤泥基注浆材料结石体 XRD 图. （a）不同质量分数石粉；（b）不同平均粒径石粉 Fig.10     X-ray  diffraction  spectra  of  paste  matrix  of  red  mud –based  grouting  material  with  limestone  powder:  (a)  different  mass  fractions  of  LS; (b) different mean particle sizes of LS 李召峰等： 石粉对赤泥基注浆材料的影响机制 · 775 ·

.776 工程科学学报，第43卷，第6期 2.7.3SEM微观形貌分析 颗粒较大的石灰石颗粒虽吸附较多凝胶，但 如图11所示，对赤泥基注浆材料28d结石 大颗粒也使得结石体均质度变差，而细小的 体进行SEM分析，由图11(a~b)可知掺入石粉 石粉因其较大的比表面积将更多的C-S-H、 后注浆材料结石体的整体形貌从疏松多孔变 C-A-S-H和N-C-A-S-H凝胶吸附沉淀下来， 得致密，石粉颗粒将凝胶紧密吸附在表面，填 并将孔隙填充，提高了结石体的均质度，使得 充了结石体的孔隙.从图11(c~d)可以看出， 水化产物更加致密 (a) (b) c 40 um 40m 40m 40m 图11渗入石粉的赤泥基注浆材料结石体28d的SEM图.(a)LS-0:(b)LS-5%:(c)LS-60:(d)LS-8 Fig.11 Scanning electron microscopy diagrams of red mud-based grouting materials paste matrix with limestone powder on day 28:(a)LS-0. (b)LS-5%,(c)LS-60;(dLS-8 如图11所示，石粉颗粒填充于结石体孔隙中， 5%:随着石粉粒径的减小，浆液凝结时间、泌水率 地聚物凝胶在石粉颗粒表面沉淀下来，这是由于 均呈现下降的趋势，石粉平均粒径为8m时，浆 石粉掺入后，发挥了“成核效应”，石粉颗粒为地聚 液初终凝时间均最低，泌水率相对上一级粒径降 物凝胶的形成提供成核位点，即由于方解石中 幅达9.38%，同时结石体抗压强度最高，结石体28d Ca和O原子的平面构型与C-S-H中的CaO层相 孔隙率最低，为29.66%，由于赤泥基注浆材料浆液 似，C-S-H、C-A-S-H和N-C-A-S-H凝胶可在 宏微观性能参数随石粉粒径减小均体现出单调 石粉B别表面大量析出，从而加速赤泥基注浆材料 性，故可推断，石粉平均粒径越小，其对赤泥基注 的水化，提高了结石体的早期水化程度，这也解释 浆材料的提升作用越显著 了在凝结时间测试中，LS-8初凝时间比LS-buk (3)石粉能通过“成核效应”给N-A-S-H, 缩短了30min,除去颗粒吸水性的因素外，“成核 C-A-S-H和C-S-H等凝胶提供成核位点，供地 效应”的影响也不可忽略，同时也证实了在抗压强 聚物凝胶沉淀和生长，提高结石体的早期水化程 度实验中的推论 度；此外，由于石粉粒径较小，能通过“填充效应” 3结论 提高赤泥基注浆材料结石体的凝胶孔占比，降低 毛细孔数量 为明确石粉对地聚物材料的作用机制，以赤 (4)通过微观分析可知，赤泥基注浆材料的水 泥基注浆材料为研究对象，从凝结时间、泌水率、 化产物有C-S-H、沸石、一水铝石和其它地聚物 流动性、力学性能和微观结构等方面研究了石粉 凝胶等，掺入石粉并未改变结石体水化产物类型， 不同摻量和粒径大小对赤泥基注浆材料的动态作 石粉不参与赤泥基注浆材料的水化反应，其对赤 用规律，具体结论如下： 泥基注浆材料的提升作用以物理效应为主. (1)石粉的摻入未改变赤泥基注浆材料原有 的Herschel-Bulkley流变模型，且各组浆液均体 参考文献 现出剪切变稠的趋势，同时粒径较小的石粉颗粒 [1] Tan J W,Cai J M,Huang L C,et al.Feasibility of using 会提升浆体的抗剪切能力和屈服应力， microwave curing to enhance the compressive strength of mixed (2)当摻人石粉的质量分数为5%时，结石体 recycled aggregate powder based geopolymer.Constr Build Mater, 脆性下降，3d抗压强度增大了18.94%，并将结石 2020.262:120897 体28d孔隙率降低了18.35%，同时浆液泌水率上 [2]Duxson P,Ferandez-Jimenez A,Provis J L,et al.Geopolymer 升幅度最小，为9.85%：以宏观性能变化为依据，通 technology:the current state of the art.J Mater Sci,2006,42(9): 2917 过分析得出5%为石粉在赤泥基注浆材料中的最 [3] Davidovits J,Huaman L,Davidovits R.Ancient geopolymer in 佳固体粉料质量分数，赤泥基注浆材料的最佳固 south-American monument.SEM and petrographic evidence 体粉料质量配比为赤泥47.5%，矿粉47.5%，石粉 Mater Lett,2019,235:120

2.7.3    SEM 微观形貌分析 如图 11 所示，对赤泥基注浆材料 28 d 结石 体进行 SEM 分析，由图 11（ a～b）可知掺入石粉 后注浆材料结石体的整体形貌从疏松多孔变 得致密，石粉颗粒将凝胶紧密吸附在表面，填 充了结石体的孔隙 . 从 图 11（ c～ d） 可以看出， 颗粒较大的石灰石颗粒虽吸附较多凝胶，但 大颗粒也使得结石体均质度变差，而细小的 石粉因其较大的比表面积将更多 的 C–S–H、 C–A–S–H 和 N–C–A–S–H 凝胶吸附沉淀下来， 并将孔隙填充，提高了结石体的均质度，使得 水化产物更加致密. Limestone powder Geopolymer Limestone powder Geopolymer (a) 40 μm (b) Limestone powder Geopolymer 40 μm (c) 40 μm Limestone powder Geopolymer Limestone powder Geopolymer (d) 40 μm 图 11    掺入石粉的赤泥基注浆材料结石体 28 d 的 SEM 图. （a）LS–0；（b）LS–5%；（c）LS–60；（d）LS–8 Fig.11     Scanning  electron  microscopy  diagrams  of  red  mud –based  grouting  materials  paste  matrix  with  limestone  powder  on  day  28:  (a)  LS –0; (b) LS–5%; (c) LS–60; (d) LS–8 如图 11 所示，石粉颗粒填充于结石体孔隙中， 地聚物凝胶在石粉颗粒表面沉淀下来，这是由于 石粉掺入后，发挥了“成核效应”，石粉颗粒为地聚 物凝胶的形成提供成核位点 ，即由于方解石中 Ca 和 O 原子的平面构型与 C–S–H 中的 CaO 层相 似，C–S–H、C–A–S–H 和 N–C–A–S–H 凝胶可在 石粉[31] 表面大量析出，从而加速赤泥基注浆材料 的水化，提高了结石体的早期水化程度，这也解释 了在凝结时间测试中，LS–8 初凝时间比 LS–bulk 缩短了 30 min，除去颗粒吸水性的因素外，“成核 效应”的影响也不可忽略，同时也证实了在抗压强 度实验中的推论. 3    结论 为明确石粉对地聚物材料的作用机制，以赤 泥基注浆材料为研究对象，从凝结时间、泌水率、 流动性、力学性能和微观结构等方面研究了石粉 不同掺量和粒径大小对赤泥基注浆材料的动态作 用规律，具体结论如下： （1）石粉的掺入未改变赤泥基注浆材料原有 的 Herschel–Bulkley 流变模型，且各组浆液均体 现出剪切变稠的趋势，同时粒径较小的石粉颗粒 会提升浆体的抗剪切能力和屈服应力. （2）当掺入石粉的质量分数为 5% 时，结石体 脆性下降，3 d 抗压强度增大了 18.94%，并将结石 体 28 d 孔隙率降低了 18.35%，同时浆液泌水率上 升幅度最小，为 9.85%；以宏观性能变化为依据，通 过分析得出 5% 为石粉在赤泥基注浆材料中的最 佳固体粉料质量分数，赤泥基注浆材料的最佳固 体粉料质量配比为赤泥 47.5%，矿粉 47.5%，石粉 5%；随着石粉粒径的减小，浆液凝结时间、泌水率 均呈现下降的趋势，石粉平均粒径为 8 μm 时，浆 液初终凝时间均最低，泌水率相对上一级粒径降 幅达 9.38%，同时结石体抗压强度最高，结石体 28 d 孔隙率最低，为 29.66%，由于赤泥基注浆材料浆液 宏微观性能参数随石粉粒径减小均体现出单调 性，故可推断，石粉平均粒径越小，其对赤泥基注 浆材料的提升作用越显著. （ 3）石粉能通过 “ 成核效应 ” 给 N –A –S –H, C–A–S–H 和 C–S–H 等凝胶提供成核位点，供地 聚物凝胶沉淀和生长，提高结石体的早期水化程 度；此外，由于石粉粒径较小，能通过“填充效应” 提高赤泥基注浆材料结石体的凝胶孔占比，降低 毛细孔数量. （4）通过微观分析可知，赤泥基注浆材料的水 化产物有 C–S–H、沸石、一水铝石和其它地聚物 凝胶等，掺入石粉并未改变结石体水化产物类型， 石粉不参与赤泥基注浆材料的水化反应，其对赤 泥基注浆材料的提升作用以物理效应为主. 参    考    文    献 Tan  J  W,  Cai  J  M,  Huang  L  C,  et  al.  Feasibility  of  using microwave  curing  to  enhance  the  compressive  strength  of  mixed recycled aggregate powder based geopolymer. Constr Build Mater, 2020, 262: 120897 [1] Duxson  P,  Fernández-Jiménez  A,  Provis  J  L,  et  al.  Geopolymer technology: the current state of the art. J Mater Sci, 2006, 42（9）: 2917 [2] Davidovits  J,  Huaman  L,  Davidovits  R.  Ancient  geopolymer  in south-American  monument.  SEM  and  petrographic  evidence. Mater Lett, 2019, 235: 120 [3] · 776 · 工程科学学报，第 43 卷，第 6 期