水泥稳定黄土作为地下矿井密闭墙本地取材且潜在低碳的充填材料：三大煤炭产区的强度、抗崩解性及微观结构控制机制

《Environmental Research》：Cement-stabilized loess as a locally sourced and potentially low-carbon infill for underground mine sealing walls: strength, disintegration resistance and microstructural controls across three coal regions

　　

黄土在中国主要产煤区分布广泛，可作为地下矿井密闭墙回填中传统混凝土的本地取材替代材料。本研究考察了水泥稳定粉质黄土、砂质黄土和棕钙土的强度、水致崩解抗性、微观结构机制、工程经济性以及初步隐含碳（embodied carbon）表现。研究人员按最佳含水率制备了水泥掺量为0–10%的试件，经28 d养护后，采用无侧限抗压强度（UCS）试验、浸水崩解试验、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）进行测试。结果表明，水泥稳定可显著提升材料的强度和水稳定性。在10%水泥掺量下，粉质黄土、砂质黄土和棕钙土的UCS分别达到3.00、6.61和8.32 MPa，满足密闭墙回填材料的强度要求。当水泥掺量不低于4%时，所有试件在浸水24 h后均表现出可忽略的崩解。稳定化效率受到颗粒级配的显著控制，最佳强度出现在粉粒含量约为48.76%时。SEM–XRD分析表明，C–S–H、C–A–H、AFt和CaCO₃通过胶结、填充和包覆作用改善了材料强度和水稳定性。案例对比显示，水泥稳定黄土能够降低密闭工程成本；同时，初步隐含碳估算表明，其单位体积隐含碳较普通混凝土降低53.1–56.1%。上述结果说明，水泥稳定黄土可作为一种本地取材、经济且具有潜在低碳优势的地下矿井密闭墙回填材料，但仍需开展现场验证和完整生命周期评价。

该文发表于《Environmental Research》，围绕地下煤矿密闭墙回填材料的本地化、低成本化与低碳化展开研究。研究背景在于，随着中国煤矿开采规模扩大、巷道断面增大，地下密闭墙厚度和用料需求显著增加，当前普遍采用模板配合混凝土灌注的方式，导致混凝土消耗量大、施工成本高，同时带来较高的隐含能耗与CO₂排放。这与绿色低碳矿山建设目标存在明显矛盾。因此，寻求兼具力学性能、抗渗稳定性、经济性和环境适应性的替代回填材料，成为矿井密闭工程中的现实需求。黄土在内蒙古、陕西、山东等主要煤炭基地储量丰富、获取便利、价格低廉，具备替代常规混凝土作为密闭墙充填材料的资源基础。然而，未经处理的黄土通常具有结构疏松、抗压强度低、遇水易湿陷和崩解等缺陷，难以满足地下密闭墙长期服役过程中对承载、隔绝漏风漏气及耐久性的要求。因此，采用适宜胶结料对黄土进行稳定化改性，是推动其工程应用的关键。

围绕上述问题，研究人员选取中国三个典型产煤区的代表性土样，系统开展了水泥稳定黄土的区域对比研究。研究重点不是单一土样的改性效果验证，而是从不同成因、不同颗粒级配和不同矿物组成的区域黄土出发，比对其在水泥掺量变化条件下的力学性能、水致崩解行为和微观结构演化，进一步建立颗粒级配参数与宏观性能之间的联系，并从工程成本与初步隐含碳角度评价其在地下矿井密闭墙中的应用可行性。研究结论显示，水泥稳定显著提高了三类区域黄土的无侧限抗压强度和浸水稳定性；颗粒级配特别是粉粒含量对稳定化效率具有关键控制作用；水泥水化产物通过胶结、填充与包覆等微观机制改善了材料结构完整性；与普通混凝土相比，水泥稳定黄土在成本和潜在低碳方面均表现出明显优势。该研究的重要意义在于，为地下煤矿密闭墙提供了一种可依托当地土源构建的经济型、资源友好型回填方案，并为煤矿密闭工程降本增效及绿色化发展提供了实验依据与理论支持。

在技术方法上，研究人员选取内蒙古—甘肃—陕西交界区砂质黄土、陕西临汾地区粉质黄土以及山东棕钙土作为样本来源，按最佳含水率配制水泥掺量为0–10%的试件，统一养护28 d后开展无侧限抗压强度（UCS）试验与浸水崩解试验，以评价力学性能和水稳定性；同时结合扫描电子显微镜（SEM）与X射线衍射（XRD）分析水泥水化产物及微观结构演化，并进一步比较工程成本和单位体积初步隐含碳（embodied carbon）水平，以综合评估其工程适用性。

在研究结果部分，论文首先围绕不同区域试验黄土的选取展开，说明研究对象覆盖中国典型煤炭基地相关土源，从而增强结果的代表性与推广意义。三类土样分别对应不同区域地质背景和颗粒组成特征，为比较不同黄土在水泥稳定作用下的差异性提供了基础。

在“Unconfined compressive strength test”部分，研究人员通过无侧限抗压强度试验分析了不同水泥掺量下三类黄土的应力–应变响应。结果表明，所有水泥稳定黄土试件的应力–应变曲线均呈现明显峰值，随着水泥掺量增加，三类材料均表现出阶段性增强趋势，且较高掺量下破坏前承载力更强、变形更受限。10%水泥掺量时，粉质黄土、砂质黄土和棕钙土的UCS分别达到3.00、6.61和8.32 MPa，均超过地下永久密闭墙28 d UCS不低于2.0 MPa的要求。这一结果说明，水泥稳定黄土具备满足密闭墙承载需求的基本力学可行性。同时，不同土类间强度提升幅度存在差异，表明区域土体性质和颗粒组成对固化效果具有重要影响。

围绕抗崩解与水稳定性，研究人员通过浸水崩解试验考察材料在水作用下的完整性保持能力。结果显示，未充分稳定的黄土在水浸条件下易出现结构破坏，而随着水泥掺量提升，试件抗崩解能力显著增强。当水泥掺量不低于4%时，所有试件在浸水24 h后均几乎不发生崩解，说明水泥稳定明显改善了黄土在潮湿环境中的耐久性。由于地下矿井环境常伴随地下水、湿热和应力耦合作用，这一结果对于保障密闭墙长期密封性和结构稳定性具有直接工程意义。

在颗粒级配调控方面，研究人员建立了颗粒级配与稳定化效果之间的联系，指出稳定化效率受颗粒粒径组成显著控制，其中最佳强度对应的粉粒含量约为48.76%。这一发现说明，黄土并非仅由水泥掺量单独决定其改性效果，原状土的颗粒组成在形成密实骨架、促进水化产物填充与胶结方面同样起决定作用。该结果为不同来源黄土的配比优化与工程筛选提供了量化依据，也使区域黄土差异性的解释从经验判断转向参数化认识。

在微观结构分析部分，研究人员结合SEM与XRD揭示了水泥稳定黄土性能提升的物质基础和结构机制。XRD结果表明，体系中形成了C–S–H、水化铝酸钙（C–A–H）、钙矾石（AFt）以及CaCO₃等产物；SEM观察则显示，这些水化与反应产物可在颗粒之间形成桥联和胶结，并对孔隙实施填充，同时包覆土颗粒表面，增强颗粒间连接强度并降低结构疏松度。研究据此认为，胶结、填充和包覆是水泥稳定黄土强度提升及抗水崩解增强的主要微观机制。这一部分结果建立了宏观工程性能与微观结构演变之间的对应关系，是论文的重要理论支撑。

在工程经济性与环境表现分析部分，研究人员通过案例比较指出，采用水泥稳定黄土作为密闭墙回填材料能够降低工程造价。与此同时，初步隐含碳估算表明，该材料单位体积隐含碳较普通混凝土降低53.1–56.1%。这一结果表明，其优势不仅体现在材料成本层面，也体现在潜在减碳效益层面。由于黄土可就地取材、减少传统混凝土的大规模使用，因此其在资源利用和碳减排方面具有现实吸引力。不过，研究人员同时强调，这一环境优势目前仍属于初步评估，后续仍需通过现场应用验证和全生命周期评价加以完善。

从讨论部分来看，论文核心观点在于，水泥稳定黄土的工程适用性取决于材料组成、区域土性差异与微观反应机制的共同作用。现有研究多集中于单一区域黄土，而本文通过跨区域比较，进一步证明不同黄土类型在水泥稳定后的性能存在显著差异，且这种差异能够通过颗粒级配和微观产物演化得到解释。研究还表明，只要水泥掺量和土体级配控制得当，黄土完全有可能从一种低等级天然土体转化为满足地下矿井密闭墙要求的结构回填材料。论文同时保持了审慎态度，明确指出虽然实验室结果显示出较强应用潜力，但现场工况更复杂，尚需进一步开展工程验证及完整生命周期评估，才能全面确认其长期服役表现和真实低碳效益。

研究结论部分可概括翻译如下：本研究评估了来自三个代表性产煤区的水泥稳定黄土作为地下矿井密闭墙回填材料的可行性，并系统考察了其力学性能、水致崩解抗性、微观结构机制、工程经济性及初步隐含碳表现。研究表明，水泥稳定可显著提高黄土基材料的强度与水稳定性；当水泥掺量达到适当水平后，三类区域黄土均可满足密闭墙回填的强度和抗崩解要求。不同黄土的稳定化效果受颗粒级配显著影响，最佳强度与特定粉粒含量密切相关。微观分析证实，C–S–H、C–A–H、AFt和CaCO₃等产物通过胶结、填充和包覆作用改善了材料结构与服役性能。与普通混凝土相比，水泥稳定黄土具有降低密闭工程成本和减少单位体积隐含碳的潜力。因此，水泥稳定黄土可作为地下矿井密闭墙一种本地取材、经济且潜在低碳的回填材料，但仍需进一步开展现场验证和全生命周期评价。