矿业研究与开发

材料	SiO₂	Al₂O₃	CaO	Na₂O	MgO	Fe₂O₃	SO₃	K₂O
尾砂	63.05	10.76	5.83	0.19	1.74	1.03	0.25	0.81
水泥	25.76	5.18	58.11	0.36	3.25	3.16	1.65	0.18

材料	SiO₂	Al₂O₃	CaO	Na₂O	MgO	Fe₂O₃	SO₃	K₂O
尾砂	63.05	10.76	5.83	0.19	1.74	1.03	0.25	0.81
水泥	25.76	5.18	58.11	0.36	3.25	3.16	1.65	0.18

试验编号	超声功率/W	超声时间/min	搅拌时间/min
1	30	2	4
2	30	3	2
3	30	4	8
4	30	5	6
5	50	2	2
6	50	3	4
7	50	4	6
8	50	5	8
9	70	2	6
10	70	3	8
11	70	4	2
12	70	5	4
13	90	2	8
14	90	3	6
15	90	4	4
16	90	5	2

试验编号	超声功率/W	超声时间/min	搅拌时间/min
1	30	2	4
2	30	3	2
3	30	4	8
4	30	5	6
5	50	2	2
6	50	3	4
7	50	4	6
8	50	5	8
9	70	2	6
10	70	3	8
11	70	4	2
12	70	5	4
13	90	2	8
14	90	3	6
15	90	4	4
16	90	5	2

试验编号	抗压强度/MPa	屈服应力/Pa	塑性黏度/(Pa·s)
1	0.68	1.31	2.06	4.15	143.26	0.73
2	0.75	1.42	2.15	4.38	156.72	0.87
3	0.85	1.63	2.39	4.65	151.23	0.83
4	0.83	1.58	2.21	4.57	149.66	0.79
5	1.14	1.99	2.72	5.06	180.83	1.35
6	1.25	2.11	2.89	5.27	169.61	1.08
7	1.43	2.39	3.16	5.52	171.23	1.19
8	1.32	2.27	3.01	5.41	173.98	1.26
9	1.91	3.08	3.92	6.21	229.13	1.72
10	1.99	3.16	4.03	6.49	230.67	1.76
11	2.07	3.31	4.28	6.73	235.78	1.85
12	2.02	3.22	4.19	6.65	220.78	1.67
13	1.57	2.61	3.40	5.82	195.25	1.56
14	1.69	2.81	3.63	6.13	190.27	1.47
15	1.72	2.90	3.76	6.38	186.63	1.42
16	1.61	2.73	3.55	6.02	202.67	1.59

试验编号	抗压强度/MPa	屈服应力/Pa	塑性黏度/(Pa·s)
1	0.68	1.31	2.06	4.15	143.26	0.73
2	0.75	1.42	2.15	4.38	156.72	0.87
3	0.85	1.63	2.39	4.65	151.23	0.83
4	0.83	1.58	2.21	4.57	149.66	0.79
5	1.14	1.99	2.72	5.06	180.83	1.35
6	1.25	2.11	2.89	5.27	169.61	1.08
7	1.43	2.39	3.16	5.52	171.23	1.19
8	1.32	2.27	3.01	5.41	173.98	1.26
9	1.91	3.08	3.92	6.21	229.13	1.72
10	1.99	3.16	4.03	6.49	230.67	1.76
11	2.07	3.31	4.28	6.73	235.78	1.85
12	2.02	3.22	4.19	6.65	220.78	1.67
13	1.57	2.61	3.40	5.82	195.25	1.56
14	1.69	2.81	3.63	6.13	190.27	1.47
15	1.72	2.90	3.76	6.38	186.63	1.42
16	1.61	2.73	3.55	6.02	202.67	1.59

项目	水平	因素	主次排序
3 d抗压强度	1	0.78	1.33	1.39	A>B>C
2	1.29	1.42	1.42
3	2.00	1.52	1.47
4	1.65	1.45	1.43
极差	1.22	0.19	0.08
最优组合		A₃B₃C₃
7 d抗压强度	1	1.49	2.25	2.36	A>B>C
2	2.19	2.38	2.39
3	3.19	2.56	2.47
4	2.76	2.45	2.42
极差	1.70	0.31	0.11
最优组合		A₃B₃C₃
14 d抗压强度	1	2.20	3.03	3.18	A>B>C
2	2.95	3.18	3.23
3	4.11	3.40	3.23
4	3.59	3.24	3.21
极差	1.91	0.37	0.05
最优组合		A₃B₃C₃
28 d抗压强度	1	4.44	5.31	5.55	A>B>C
2	5.32	5.57	5.60
3	6.52	5.82	5.61
4	6.09	5.66	5.59
极差	2.08	0.51	0.06
最优组合		A₃B₃C₃
屈服应力	1	150.22	187.12	194.00	A>C>B
2	173.91	186.82	180.07
3	229.09	186.22	185.07
4	193.71	186.77	187.78
极差	78.87	0.90	13.93
最优组合		A₃B₁C₁
塑性黏度	1	0.81	1.34	1.42	A>C>B
2	1.22	1.30	1.23
3	1.75	1.32	1.29
4	1.51	1.33	1.35
极差	0.94	0.04	0.19
最优组合		A₃B₁C₁

项目	水平	因素	主次排序
3 d抗压强度	1	0.78	1.33	1.39	A>B>C
2	1.29	1.42	1.42
3	2.00	1.52	1.47
4	1.65	1.45	1.43
极差	1.22	0.19	0.08
最优组合		A₃B₃C₃
7 d抗压强度	1	1.49	2.25	2.36	A>B>C
2	2.19	2.38	2.39
3	3.19	2.56	2.47
4	2.76	2.45	2.42
极差	1.70	0.31	0.11
最优组合		A₃B₃C₃
14 d抗压强度	1	2.20	3.03	3.18	A>B>C
2	2.95	3.18	3.23
3	4.11	3.40	3.23
4	3.59	3.24	3.21
极差	1.91	0.37	0.05
最优组合		A₃B₃C₃
28 d抗压强度	1	4.44	5.31	5.55	A>B>C
2	5.32	5.57	5.60
3	6.52	5.82	5.61
4	6.09	5.66	5.59
极差	2.08	0.51	0.06
最优组合		A₃B₃C₃
屈服应力	1	150.22	187.12	194.00	A>C>B
2	173.91	186.82	180.07
3	229.09	186.22	185.07
4	193.71	186.77	187.78
极差	78.87	0.90	13.93
最优组合		A₃B₁C₁
塑性黏度	1	0.81	1.34	1.42	A>C>B
2	1.22	1.30	1.23
3	1.75	1.32	1.29
4	1.51	1.33	1.35
极差	0.94	0.04	0.19
最优组合		A₃B₁C₁

超声波作用增强水泥基充填体力学性能和料浆流变性能的研究

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沈彬彬 ¹ , 温瑶华 ² , 吴煜 ³^,⁴

矿业研究与开发 | 采矿与矿山充填 2025,45(4): 46-54

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矿业研究与开发 |采矿与矿山充填 2025 , 45 (4) : 46 -54

超声波作用增强水泥基充填体力学性能和料浆流变性能的研究

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沈彬彬¹, 温瑶华², 吴煜³^,⁴

作者信息

^1.闽南理工学院，福建　泉州市　362000

^2.华南理工大学土木与交通学院，广东　广州　510640

^3.同济大学土木工程学院，上海　200092

^4.中国建筑第八工程局有限公司，上海　200122

作者简介:

沈彬彬（1989—），女，福建泉州人，讲师，主要研究方向为矿山固废资源化利用、土木工程等。E-mail:Jzk198916255@126.com

Study on the Enhancement of Mechanical Properties of Cement-Based Filling Body and Rheological Properties of Slurry by Ultrasonic Action

Binbin SHEN¹, Yaohua WEN², Yu WU³^,⁴

Affiliations

^1.Minnan University of Science and Technology, Quanzhou, Fujian 362000, China

^2.School of Civic Engineering & Transportation, South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640, China

^3.College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China

^4.China Construction Eighth Engineering Division Corp., Ltd., Shanghai 200122, China

出版时间: 2025-04-25

文章导航

摘要

收起

针对水泥基充填体抗压强度低、充填成本高、充填效果差的技术瓶颈，采用超声波技术改善水泥基充填料浆的性能，通过开展三因素四水平的正交试验，探究超声功率、超声时间和搅拌时间对水泥基充填料浆流变性能和力学性能的影响，并进一步探讨超声作用的强化机理。研究结果表明：影响充填体抗压强度的因素主次排序为超声功率、超声时间、搅拌时间，超声功率是影响充填料浆屈服应力和塑性黏度的显著性因素，搅拌时间次之，超声时间影响最小；充填体3 d、7 d、14 d和28 d抗压强度随着超声功率、超声时间和搅拌时间的增加均表现出先上升后降低的变化趋势，当超声功率、超声时间和搅拌时间分别为70 W、4 min和6 min时，充填体抗压强度达最优值；充填料浆屈服应力和塑性黏度与超声功率和超声时间均成负相关，而随着搅拌时间的延长呈先降低后增加的变化趋势。这是由于超声作用促进了液相中水泥和尾砂颗粒的分散，提高了浆体均匀性，促进了水泥水化进程；然而过高的超声功率和过长的超声时间导致水泥颗粒絮凝结构重聚，抑制水分子的扩散和浆体结构密实；适宜的搅拌时间有利于浆体分散，削弱颗粒间的摩擦和剪切作用，而过长的搅拌时间导致浆体结构被破坏，削弱了充填体的力学性能。

关键词

超声波 / 胶结充填体 / 正交试验 / 抗压强度 / 流变性能

Abstract

收起

Aiming at the technical bottleneck of low compressive strength, high filling cost and poor filling effect of cement-based filling body, ultrasonic technology was used to improve the performance of cement-based filling slurry. Through the orthogonal tests of three factors and four levels, the effects of ultrasonic power, ultrasonic time and stirring time on the rheological properties and mechanical properties of cement-based filling slurry were investigated, and the strengthening mechanism of ultrasonic action was further discussed. There search results indicate that the primary and secondary factors affecting the compressive strength of the filling body are ultrasonic power, ultrasonic time and stirring time. Ultrasonic power is a significant factor affecting the yield stress and plastic viscosity of the filling slurry, followed by stirring time, and ultrasonic time has the smallest impact. The compressive strength of the filling body at 3 days, 7 days, 14 days and 28 days shows a trend of first increasing and then decreasing with the increase of ultrasonic power, ultrasonic time and stirring time. When the ultrasonic power, ultrasonic time and stirring time are 70 W, 4 min and 6 min, respectively, the compressive strength of the filling body reaches its optimal value. The yield stress and plastic viscosity of the filling slurry are negatively correlated with ultrasonic power and ultrasonic time, and show a trend of first decreasing and then increasing with the extension of stirring time. This is because the ultrasonic action promotes the dispersion of cement and tailings particles in the liquid phase, improves the uniformity of the slurry, and promotes the cement hydration process. However, excessive ultrasonic power and prolonged ultrasonic time lead to the reunion of the flocculation structure of cement particles, which inhibits the diffusion of water molecules and the compactness of the slurry structure. The appropriate stirring time is beneficial to the dispersion of the slurry and weakens the friction and shear between the particles, while the excessive stirring time leads to the destruction of the slurry structure and weakens the mechanical properties of the filling body.

Key words

Ultrasonic / Cement-based filling body / Orthogonal test / Compressive strength / Rheological property

引用本文

沈彬彬, 温瑶华, 吴煜. 超声波作用增强水泥基充填体力学性能和料浆流变性能的研究. 矿业研究与开发, 2025 , 45 (4) : 46 -54 .

Binbin SHEN, Yaohua WEN, Yu WU. Study on the Enhancement of Mechanical Properties of Cement-Based Filling Body and Rheological Properties of Slurry by Ultrasonic Action[J]. Mining Research and Development, 2025 , 45 (4) : 46 -54 .

正文

收起

0　引言

收起

矿业是推动国民经济高速发展的重要支柱产业，但采矿活动不可避免地产生尾砂、废石等固体废弃物，并伴随大量的采空区^[1-3]。尾砂堆置在地表不仅造成大面积的土地资源浪费，而且污染生态系统；井下采空区容易诱发顶板冒落、地表塌陷、围岩变形等工程地质风险^[4-7]。充填采矿法因其回采率高、贫化率低、能大规模处置固废等优势受到国内外矿山企业的青睐。值得注意的是，将尾砂、废石与胶结剂混合制备成充填料浆，通过管道和工业柱塞泵的形式回填至地下采场，不仅能够变废为宝，消除采空区隐患，而且充填体能够充当人工矿柱，支撑顶板，有效控制采场地压^[8-11]。

近年来，众多科研工作者开展了工业固体废弃物制备新型胶凝材料以替代普通硅酸盐水泥的研究，并取得了丰硕成果。RUAN等^[12]采用镁渣、粉煤灰和脱硫石膏制备了改性镁渣基胶凝材料，通过水化热、XRD和SEM微观分析发现，脱硫石膏能够有效促进胶凝材料的早期水化进程，而粉煤灰的贡献不明显，甚至会降低水化热。SHAO等^[13]为了降低水泥的单耗量，提出了以脱碳煤气化渣和粉煤灰协同替代水泥的方案。ZHENG等^[14]基于风成砂、煤矸石和粉煤灰配备了膏体充填材料，研究发现当料浆质量浓度为77.5%，风成砂、煤矸石、粉煤灰和水泥的掺量分别为42%、8%、17.5%和10%时，充填体3 d、7 d和28 d抗压强度分别为1.2 MPa、2.5 MPa和4.3 MPa，料浆屈服应力和黏度系数分别为495 Pa和3.97 Pa·s。刘树龙等^[15]以拜耳法赤泥、脱硫石膏、粉煤灰、生石灰和水泥为原材料开展了新型胶凝材料研究，发现当赤泥、粉煤灰和水泥的质量比为3:7:0.4时，充填体3 d、7 d和28 d抗压强度分别达到0.76 MPa、1.35 MPa、1.87 MPa，充填胶凝材料成本仅为78.08 元/t。王再骞等^[16]以磨细电解锰渣、高炉矿渣和水泥熟料按照7:7:6的比例，在45 ℃条件下烘干，然后球磨30 min制备成复合胶凝材料，采用响应面优化设计获得充填材料配方为中粗砂占20%、复合胶凝材料占21.84%、原状电解锰渣占58.16%，当料浆质量浓度为80%，减水剂掺量4%，搅拌6.18 min，料浆流动度达220 mm，且28 d抗压强度超过1.5 MPa。

尽管新型胶凝材料的理论研究取得了重大突破，但综合考虑经济效益、材料来源、地理位置等多因素，普通硅酸盐水泥仍然是矿山企业的主要胶结剂。然而，水泥基胶结充填体稳定性差、质量低、脆性高是矿山实际充填工程中面临的重要挑战。针对上述问题，诸多学者主要从掺入外加剂的角度开展了系统研究。CAO等^[17]探讨了聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维和玻璃纤维增强充填体力学性能和抗裂性能的变化规律，研究发现纤维增强充填体的抗压强度与纤维掺量呈正相关，纤维能够抑制充填体内部裂纹的扩展和延伸，此外，纤维还可以发挥桥接作用，防止裂缝的二次扩展，从而显著提升充填体的抗裂性能。通过掺入纤维加筋水泥基充填体，可以大幅降低水泥掺量，提高充填体稳定性。CHEN等^[18]开展了水稻秸秆增强水泥基胶结充填体力学性能的研究，结果显示，在试验水平范围内，充填体抗压强度与秸秆掺量和长度均呈正相关。DENG等^[19]提出了微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术，考察了胶结液浓度、细菌溶液、胶结液用量、固形物含量和细菌酶活性对水泥胶结充填体力学性能的影响。研究结果表明，充填体抗压强度的提高主要归因于MICP反应沉淀的碳酸钙和胶结溶液中的盐物质的共同作用。YANG等^[20]针对水泥基充填料浆容易引发的管道堵塞问题，研究了十二烷基硫酸钠、三萜皂苷、枞酸钠3种引气剂对料浆流动性和抗压强度的影响，研究发现，掺入引气剂能够使料浆坍落度增加10~13 mm，扩展度增加66~130 mm，黏度降低0.13~0.20 Pa·s，屈服应力降低81.47%~93.7%。CHEN等^[21]研究了阴离子聚丙烯酰胺（AAPM）改善料浆流变性能和力学性能的影响规律，结果显示，尽管AAPM能够加速细粒尾矿的沉降，增加尾矿浆体的浓度，提高尾矿的利用率，但显著提升了料浆的屈服应力和黏度，略微增加充填体7 d抗压强度，阻止了28 d抗压强度的发展。

上述研究为水泥基增强胶结充填材料流动性能、流变性能及力学性能提供了有益的探索，然而制备工艺复杂，充填成本高。结合以往的科研成果，本文从充填料浆搅拌环节出发，提出了超声波技术增强水泥基充填料浆颗粒分散新方法，从而优化料浆流变性能和力学性能。基于正交试验设计，开展了以超声功率、超声时间和搅拌时间为自变量的三因素四水平试验，揭示了超声作用强化机理，研究结果以期为矿山水泥基充填复合材料的性能强化提供理论基础和科学依据。

1　试验材料与方法

收起

1.1　试验材料

尾砂取自山东某金矿尾矿坝排料口，通过打包运输至实验室，检测其含水率为25.29%。烘干后的尾砂外观呈淡黄色粉末状，密度为2.65 g/cm³，松散密度为1.37 g/cm³，孔隙率为48.30%。结合筛分法和HoribaLA-920型激光散射粒度分析仪检测尾砂粒径特征参数d₁₀、d₃₀、d₆₀分别为2.08 μm、18.76 μm、83.29 μm，不均匀系数C_u和曲率系数C_c分别为40.04和2.03，满足C_u≥5和1<C_c<3，尾砂级配良好，有利于浆体密实。采用S4PIONEER型X射线荧光光谱仪分析原材料化学成分，结果见表1。由表1可以看出，尾砂主要由SiO₂和Al₂O₃构成，分别占总质量分数的63.05%和10.76%，表明该尾砂为高硅型尾砂，化学性质稳定且适宜作充填骨料。试验胶结剂采用市售标号P·O 42.5普通硅酸盐水泥，密度为3.08 g/cm³，比表面积为362 m²/kg。水采用实验室自来水。

1.2　试验设计

为探明超声作用增强水泥基胶结充填体性能的影响，固定料浆质量浓度和灰砂比分别为74%和1:5，选择超声功率(30 W、50 W、70 W、90 W)、超声时间(2 min、3 min、4 min、5 min)、搅拌时间(2 min、4 min、6 min、8 min)为影响因素，开展三因素四水平正交试验。正交试验因素与水平设计见表2。

1.3　样品制备及测试

按照正交试验方案准备原材料并置于105 ℃干燥箱中烘干备用，采用电子天平精确称量物料并倒入JJ-5型胶砂搅拌机中，调整搅拌时间参数值配备料浆，然后迅速将料浆倒入烧杯中，将超声探头置于料浆液面以下，同步开启超声分散仪，磁力搅拌器转速设置为100 r/min。调整超声时间和超声功率以获得试验所需料浆，然后取少量料浆进行流变性能测试，试验设备采用Brookfield R/S+型流变仪，转子型号采用直径20 mm，高度40 mm的四叶浆式转子。剪切速率在0~120 s^－1区间内线性递增和递减，收集料浆屈服应力和塑性黏度数据。将剩余料浆倒入高度100 mm、直径50 mm的圆柱形模具中，刮平模具上表面及周围多余料浆，覆盖一层保鲜膜以减少水分流失和外界干扰，室内养护24 h后脱模。将脱模后的试块标记并储存至YH-90B型标准恒温恒湿养护箱（养护温度20 ℃，相对湿度大于90%)中养护3 d、7 d、14 d和28 d。对于达到测试龄期的试块，采用DNS100型微机控制液压式压力机检测抗压强度，设备加载速率为0.5 kN/s，每个龄期共检测5个试块，剔除异常值，取平均值作为最终结果。

2　结果分析与讨论

收起

2.1　正交试验结果

表3呈现了不同影响因素作用下充填体各龄期抗压强度和流变参数测试结果。由表3可知，第11组样品的3 d、7 d、14 d和28 d抗压强度数值为最大，分别为2.07, 3.31, 4.28, 6.73 MPa，屈服应力和塑性黏度也获得最大值235.78 Pa和1.85 Pa·s；而第1组样品数值均小，表明超声作用能够提升颗粒间的作用力和结构密实度。

2.2　极差分析

通过极差分析判断各因素对考察指标的影响敏感性，采用A、B、C分别代表超声功率、超声时间和搅拌时间。通过表4呈现的极差分析结果可以看出，影响充填体3 d、7 d、14 d和28 d抗压强度的因素敏感性主次排序均为A>B>C，最优组合为A₃B₃C₃，即超声功率70 W、超声时间4 min、搅拌时间6 min。影响充填料浆屈服应力和塑性黏度的因素敏感性主次排序均为A>C>B，最优组合为A₃B₁C₁，即超声功率70 W、超声时间2 min、搅拌时间2 min。

2.3　各因素对充填体抗压强度的影响

图1显示了不同影响因素作用下充填体养护至3 d、7 d、14 d和28 d的抗压强度试验结果。从图1(a)可以看出，各龄期充填体抗压强度均随着超声功率的增加呈先上升后降低的变化趋势，当超声功率达70 W时，充填体抗压强度获得最大值。这是由于超声波破坏了水泥颗粒的絮凝结构，增强了水泥浆体的均质性。随着超声功率的增加，这种提升作用逐渐增强，这意味着提高超声功率可以破坏更多的絮凝水泥颗粒，促进水泥颗粒的分散。然而，当超声功率从70 W增加至90 W时，超声对充填体抗压强度的改善作用变弱。造成这种现象的原因在于过大的功率赋予了分子更高的能量，分子产生高速运动导致破碎的絮凝体重新团聚，反而削弱了颗粒间的均匀性^[22]。还可以从图1发现，超声功率对充填体抗压强度的提升幅度高于超声时间和搅拌时间的影响，表明超声功率是影响充填体抗压强度的显著性因素。

分析图1(b)可以得知，超声时间从2 min提高至5 min的区间内，充填体3 d抗压强度分别提升7.64%、1.78%、－6.40%；7 d抗压强度分别提升7.66%、3.20%、－5.86%；14 d抗压强度分别提升6.76%、3.58%、－5.59%；28 d抗压强度分别提升5.33%、4.08%、－5.64%，整体变化幅度较小，超声时间为4 min时充填体抗压强度达到最大值。超声时间过长会造成膏体内部分层，大颗粒下沉，小颗粒上浮，物料的均匀性被降低。此外，随着超声时间的增加，料浆中的细小颗粒增加，水化体系愈发密实，水分子扩散运动被限制。同时浆体结构由于细颗粒的絮凝作用导致比表面积增加，料浆中的颗粒无法被水分充分包围，水化反应速率变慢，水化反应不充分，水化产物不足以抵抗外界荷载，充填体强度降低。

通过图1(c)可以看出，搅拌时间从2 min增加至8 min，充填体3 d抗压强度从1.14 MPa提升至1.32 MPa, 7 d抗压强度从1.99 MPa提升至2.27 MPa, 14 d抗压强度从2.72 MPa提升至3.01 MPa, 28 d抗压强度从5.06 MPa提升至5.41 MPa。随着搅拌时间的增加，抗压强度整体呈先增加后降低的变化规律，当搅拌时间为6 min时，3 d、7 d、14 d和28 d抗压强度分别达最优值1.43 MPa、2.39 MPa、3.16 MPa和5.52 MPa。这是因为随着搅拌时间的增加，尾砂颗粒和水泥颗粒的均匀性提高，促进了颗粒间的相互作用；其次，搅拌时间增加，水化反应加速，形成更多的钙矾石、C-S-H凝胶等水化产物，有利于搭建更致密的网状结构以增加强度。然而，随着搅拌时间的延长，新生成的水化产物黏结在未水化颗粒表面，限制了水分子和水泥颗粒的移动，导致水化反应不充分。然而过长的搅拌时间会破坏浆体结构，增加了内部孔隙率。

2.4　各因素对料浆流变性能的影响

图2呈现了各影响因素对充填料浆流变参数的影响。从图2(a)和图2(b)可以看出，料浆的屈服应力和塑性黏度均与超声功率和超声时间成负相关。这是因为超声波是一种波长很短的机械波，在传播过程中很容易将能量传递到介质中，从而在介质中主导物理化学反应。值得注意的是，新鲜水泥料浆中含有大颗粒和气泡，大颗粒增加了颗粒间碰撞、剪切、摩擦概率，这既不利于料浆流动，也不利于水泥颗粒的水化反应，从而不易构建絮凝网状结构。因此，在超声波作用下，水泥颗粒剧烈振动，将位置变化所获得的重力势能转化为自身动能，从而膏体中的气泡在超声波产生的正负压交替环境下被压缩，并逐渐变大。当气泡尺寸达到一定临界值时，气泡在负压作用下瞬间崩塌，产生极强的冲击波和微射流，对区域内的水泥颗粒产生强烈的冲击，在动能和重力势能的协同作用下，水泥浆体得到充分分散^[23]。因此，当增加超声功率和超声时间时，这种作用力越强，颗粒分散越均匀，水泥浆体的屈服应力和塑性黏度显著降低。

观察图2(c)可以发现，料浆的屈服应力和塑性黏度随着搅拌时间的延长表现出先降低后升高的趋势，表明搅拌时间对料浆流变性能的改善作用有限。当搅拌时间延长至4 min时，料浆的屈服应力和塑性黏度均达到最小值。这是因为适宜的搅拌时间可有效打破料浆中的水泥混合物，提高料浆的整体均匀性，削弱颗粒间的吸引力和摩擦力，从而降低料浆的屈服应力和塑性黏度。然而搅拌时间过长会加速水化反应的进行，消耗大量的自由水，促进料浆的黏结，导致流变参数上升^[24]。

2.5　各因素对充填体破坏形态的影响

图3至图5分别显示了超声功率、超声时间和搅拌时间对充填体破坏形态的影响。从图中呈现的破坏形态可以看出，充填体完整试件的破坏形态主要为垂直方向的拉伸破坏和平行加载方向的剪切破坏以及剪切和拉伸混合模式。以图3为例，当超声功率30 W时，试块宏观形态以平行于加载方向的“Y”形裂纹为主，但裂纹没有贯穿整个试块，在裂纹周边伴随小面积剥落区域产生，试块以脆性破坏为主。随着超声功率增大，次生裂纹和剥落区逐渐减少，充填体试块的完整性提升，表明超声作用能够有效地延缓裂纹扩展，约束充填体试块的变形。当超声功率为90 W时，试块表面二次裂纹数量明显增加，裂纹相互交错将充填体分割成许多具有破碎膨胀特征的小块，试块的抗裂性和延展性显著降低。

同样，从图4可观察到，随着超声时间的增加，试件破坏形态与图3类似。从图5可以看出，当搅拌时间延长至8 min时，试块表面还出现平行于加载方向长且宽的裂缝，试块的损伤程度加剧，这显著降低了充填体的稳定性，表明料浆的搅拌时间过长会导致充填体内部形成孔隙结构，降低其承载能力。

2.6　超声波作用强化机理

对于无超声作用的水泥基材料体系，当水泥颗粒与水接触时，颗粒表面的硅、铝、钙、铁氧化物在水分子的作用下通过克服相互作用力，逐渐扩散至水溶液中。同时，溶解的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙等矿物颗粒与水分子相互作用形成钙矾石、C-S-H和C-A-H凝胶，并释放大量热量。随着水化反应的进行，反应界面不断向内推进，导致水泥颗粒逐渐溶解。

值得注意的是，水泥颗粒的水化速率不仅与料浆质量浓度、灰砂比、温度等外界因素有关，还与水泥颗粒表面晶格缺陷区域的数量有关。这些区域主要由矿物颗粒的弱相互作用确定，极易被水分子破坏，也被称为活化点。在超声波的作用下，水泥颗粒表面原有的活化点被充分活化，而且在水泥颗粒相互碰撞的过程中，新生成的活化点也在不断增加，这使得水泥颗粒溶解得更快，释放更多的热量，从而产生更多的水化产物，填充颗粒间孔隙，提高结构致密度。

3　结论

收起

（1）影响充填体抗压强度的因素主次排序为超声功率、超声时间、搅拌时间；超声功率是影响充填料浆屈服应力和塑性黏度的显著性因素，搅拌时间次之，超声时间影响最小。

（2）超声波作用能显著增强水泥基充填材料的力学性能。然而，不同的超声功率、超声时间和搅拌时间对增强充填体抗压强度的影响差异显著。充填体3 d、7 d、14 d和28 d抗压强度均随着超声功率、超声时间和搅拌时间的增加呈先增加后降低的变化趋势，当超声功率为70 W、超声时间为4 min、搅拌时间为6 min时，充填体各龄期抗压强度达最优值。

（3）超声波作用能破坏液相中的絮凝网状结构和粗细颗粒间的黏结，从而促进颗粒间的分散，并有利于细小的水泥颗粒均匀地分散在液相中。此外，在超声波作用下，水泥颗粒和尾砂颗粒及水分子间的碰撞、剪切作用削弱，显著降低了料浆的屈服应力和塑性黏度。

（4）适当延长料浆的搅拌时间，有利于破坏颗粒间的黏结并提高料浆均匀性，从而削弱颗粒间的摩擦力，降低浆体屈服应力和塑性黏度。当搅拌时间延长至6 min时，能够加速液相水化反应，生成更多的水化产物，促进料浆的黏结并降低流动性，并提高充填体抗压强度。然而，继续延长搅拌时间，会导致充填体内部形成孔隙结构，浆体结构被破坏，降低充填体的承载能力。

基金

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2025年第45卷第4期

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接收时间：2024-11-21
首发时间：2026-10-30
出版时间：2025-04-25

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收稿日期：2024-11-21

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^1.闽南理工学院，福建　泉州市　362000

^2.华南理工大学土木与交通学院，广东　广州　510640

^3.同济大学土木工程学院，上海　200092

^4.中国建筑第八工程局有限公司，上海　200122

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

材料	SiO₂	Al₂O₃	CaO	Na₂O	MgO	Fe₂O₃	SO₃	K₂O
尾砂	63.05	10.76	5.83	0.19	1.74	1.03	0.25	0.81
水泥	25.76	5.18	58.11	0.36	3.25	3.16	1.65	0.18

材料

SiO₂

Al₂O₃

CaO

Na₂O

MgO

Fe₂O₃

SO₃

K₂O

尾砂

63.05

10.76

5.83

0.19

1.74

1.03

0.25

0.81

水泥

25.76

5.18

58.11

0.36

3.25

3.16

1.65

0.18

试验编号	超声功率/W	超声时间/min	搅拌时间/min
1	30	2	4
2	30	3	2
3	30	4	8
4	30	5	6
5	50	2	2
6	50	3	4
7	50	4	6
8	50	5	8
9	70	2	6
10	70	3	8
11	70	4	2
12	70	5	4
13	90	2	8
14	90	3	6
15	90	4	4
16	90	5	2

试验编号

超声功率/W

超声时间/min

搅拌时间/min

试验编号	抗压强度/MPa	屈服应力/Pa	塑性黏度/(Pa·s)
1	0.68	1.31	2.06	4.15	143.26	0.73
2	0.75	1.42	2.15	4.38	156.72	0.87
3	0.85	1.63	2.39	4.65	151.23	0.83
4	0.83	1.58	2.21	4.57	149.66	0.79
5	1.14	1.99	2.72	5.06	180.83	1.35
6	1.25	2.11	2.89	5.27	169.61	1.08
7	1.43	2.39	3.16	5.52	171.23	1.19
8	1.32	2.27	3.01	5.41	173.98	1.26
9	1.91	3.08	3.92	6.21	229.13	1.72
10	1.99	3.16	4.03	6.49	230.67	1.76
11	2.07	3.31	4.28	6.73	235.78	1.85
12	2.02	3.22	4.19	6.65	220.78	1.67
13	1.57	2.61	3.40	5.82	195.25	1.56
14	1.69	2.81	3.63	6.13	190.27	1.47
15	1.72	2.90	3.76	6.38	186.63	1.42
16	1.61	2.73	3.55	6.02	202.67	1.59

试验编号

抗压强度/MPa

屈服应力/Pa

塑性黏度/(Pa·s)

3 d

7 d

14 d

28 d

0.68

1.31

2.06

4.15

143.26

0.73

0.75

1.42

2.15

4.38

156.72

0.87

0.85

1.63

2.39

4.65

151.23

0.83

1.58

2.21

4.57

149.66

0.79

1.14

1.99

2.72

5.06

180.83

1.35

1.25

2.11

2.89

5.27

169.61

1.08

1.43

2.39

3.16

5.52

171.23

1.19

1.32

2.27

3.01

5.41

173.98

1.26

1.91

3.08

3.92

6.21

229.13

1.72

1.99

3.16

4.03

6.49

230.67

1.76

2.07

3.31

4.28

6.73

235.78

1.85

2.02

3.22

4.19

6.65

220.78

1.67

1.57

2.61

3.40

5.82

195.25

1.56

1.69

2.81

3.63

6.13

190.27

1.47

1.72

2.90

3.76

6.38

186.63

1.42

1.61

2.73

3.55

6.02

202.67

1.59

项目	水平	因素	主次排序
3 d抗压强度	1	0.78	1.33	1.39	A>B>C
2	1.29	1.42	1.42
3	2.00	1.52	1.47
4	1.65	1.45	1.43
极差	1.22	0.19	0.08
最优组合		A₃B₃C₃
7 d抗压强度	1	1.49	2.25	2.36	A>B>C
2	2.19	2.38	2.39
3	3.19	2.56	2.47
4	2.76	2.45	2.42
极差	1.70	0.31	0.11
最优组合		A₃B₃C₃
14 d抗压强度	1	2.20	3.03	3.18	A>B>C
2	2.95	3.18	3.23
3	4.11	3.40	3.23
4	3.59	3.24	3.21
极差	1.91	0.37	0.05
最优组合		A₃B₃C₃
28 d抗压强度	1	4.44	5.31	5.55	A>B>C
2	5.32	5.57	5.60
3	6.52	5.82	5.61
4	6.09	5.66	5.59
极差	2.08	0.51	0.06
最优组合		A₃B₃C₃
屈服应力	1	150.22	187.12	194.00	A>C>B
2	173.91	186.82	180.07
3	229.09	186.22	185.07
4	193.71	186.77	187.78
极差	78.87	0.90	13.93
最优组合		A₃B₁C₁
塑性黏度	1	0.81	1.34	1.42	A>C>B
2	1.22	1.30	1.23
3	1.75	1.32	1.29
4	1.51	1.33	1.35
极差	0.94	0.04	0.19
最优组合		A₃B₁C₁

项目

水平

因素

主次排序

3 d抗压强度

0.78

1.33

1.39

A>B>C

1.29

1.42

2.00

1.52

1.47

1.65

1.45

1.43

极差

1.22

0.19

0.08

最优组合

A₃B₃C₃

7 d抗压强度

1.49

2.25

2.36

A>B>C

2.19

2.38

2.39

3.19

2.56

2.47

2.76

2.45

2.42

极差

1.70

0.31

0.11

最优组合

A₃B₃C₃

14 d抗压强度

2.20

3.03

3.18

A>B>C

2.95

3.18

3.23

4.11

3.40

3.23

3.59

3.24

3.21

极差

1.91

0.37

0.05

最优组合

A₃B₃C₃

28 d抗压强度

4.44

5.31

5.55

A>B>C

5.32

5.57

5.60

6.52

5.82

5.61

6.09

5.66

5.59

极差

2.08

0.51

0.06

最优组合

A₃B₃C₃

屈服应力

150.22

187.12

194.00

A>C>B

173.91

186.82

180.07

229.09

186.22

185.07

193.71

186.77

187.78

极差

78.87

0.90

13.93

最优组合

A₃B₁C₁

塑性黏度

0.81

1.34

1.42

A>C>B

1.22

1.30

1.23

1.75

1.32

1.29

1.51

1.33

1.35

极差

0.94

0.04

0.19

最优组合

A₃B₁C₁

试验编号	超声功率/W	超声时间/min	搅拌时间/min
1	30	2	4
2	30	3	2
3	30	4	8
4	30	5	6
5	50	2	2
6	50	3	4
7	50	4	6
8	50	5	8
9	70	2	6
10	70	3	8
11	70	4	2
12	70	5	4
13	90	2	8
14	90	3	6
15	90	4	4
16	90	5	2

试验编号	超声功率/W	超声时间/min	搅拌时间/min
1	30	2	4
2	30	3	2
3	30	4	8
4	30	5	6
5	50	2	2
6	50	3	4
7	50	4	6
8	50	5	8
9	70	2	6
10	70	3	8
11	70	4	2
12	70	5	4
13	90	2	8
14	90	3	6
15	90	4	4
16	90	5	2

试验编号	超声功率/W	超声时间/min	搅拌时间/min
1	30	2	4
2	30	3	2
3	30	4	8
4	30	5	6
5	50	2	2
6	50	3	4
7	50	4	6
8	50	5	8
9	70	2	6
10	70	3	8
11	70	4	2
12	70	5	4
13	90	2	8
14	90	3	6
15	90	4	4
16	90	5	2

试验编号	超声功率/W	超声时间/min	搅拌时间/min
1	30	2	4
2	30	3	2
3	30	4	8
4	30	5	6
5	50	2	2
6	50	3	4
7	50	4	6
8	50	5	8
9	70	2	6
10	70	3	8
11	70	4	2
12	70	5	4
13	90	2	8
14	90	3	6
15	90	4	4
16	90	5	2

试验编号	超声功率/W	超声时间/min	搅拌时间/min
1	30	2	4
2	30	3	2
3	30	4	8
4	30	5	6
5	50	2	2
6	50	3	4
7	50	4	6
8	50	5	8
9	70	2	6
10	70	3	8
11	70	4	2
12	70	5	4
13	90	2	8
14	90	3	6
15	90	4	4
16	90	5	2

试验编号	超声功率/W	超声时间/min	搅拌时间/min
1	30	2	4
2	30	3	2
3	30	4	8
4	30	5	6
5	50	2	2
6	50	3	4
7	50	4	6
8	50	5	8
9	70	2	6
10	70	3	8
11	70	4	2
12	70	5	4
13	90	2	8
14	90	3	6
15	90	4	4
16	90	5	2

试验编号	超声功率/W	超声时间/min	搅拌时间/min
1	30	2	4
2	30	3	2
3	30	4	8
4	30	5	6
5	50	2	2
6	50	3	4
7	50	4	6
8	50	5	8
9	70	2	6
10	70	3	8
11	70	4	2
12	70	5	4
13	90	2	8
14	90	3	6
15	90	4	4
16	90	5	2

试验编号	超声功率/W	超声时间/min	搅拌时间/min
1	30	2	4
2	30	3	2
3	30	4	8
4	30	5	6
5	50	2	2
6	50	3	4
7	50	4	6
8	50	5	8
9	70	2	6
10	70	3	8
11	70	4	2
12	70	5	4
13	90	2	8
14	90	3	6
15	90	4	4
16	90	5	2

试验编号	超声功率/W	超声时间/min	搅拌时间/min
1	30	2	4
2	30	3	2
3	30	4	8
4	30	5	6
5	50	2	2
6	50	3	4
7	50	4	6
8	50	5	8
9	70	2	6
10	70	3	8
11	70	4	2
12	70	5	4
13	90	2	8
14	90	3	6
15	90	4	4
16	90	5	2