废弃改性水泥基注浆材料用于锚索封装的性能评估

　　全注浆锚索广泛应用于地下采矿；然而，控制其荷载传递性能的注浆材料仍主要以波特兰水泥（Portland cement）为基础，很少针对可持续性进行优化。本研究评估了部分替代水泥的“绿色”注浆材料（包括废弃玻璃粉（WGP）、轮胎橡胶废料（TRW）和建筑拆除废料（C

　　全注浆锚索广泛应用于地下采矿；然而，控制其荷载传递性能的注浆材料仍主要以波特兰水泥（Portland cement）为基础，很少针对可持续性进行优化。本研究评估了部分替代水泥的“绿色”注浆材料（包括废弃玻璃粉（WGP）、轮胎橡胶废料（TRW）和建筑拆除废料（CDW））的力学和粘结性能，旨在促进地下支护系统中的循环经济原则。经过初步力学筛选后，选定的注浆配方用于封装锚索试件。使用70吨、12丝Sumo锚索嵌入带螺纹的钢套筒中，在定制的单嵌入拉拔试验（SEPT）装置中进行共20次拉拔试验，该装置包含旋转抑制系统以隔离轴向粘结–滑移行为。混合物包括四种粒径范围（

　　全注浆锚索（fully grouted cable bolts）是地下采矿中广泛使用的支护系统，其荷载传递效率主要取决于注浆材料（grout）的力学性能和粘结特性。然而，当前注浆材料几乎全部基于波特兰水泥（Portland cement），缺乏针对可持续性的优化，且鲜有研究系统评估废弃材料改性注浆在锚索封装中的轴向粘结性能。为促进循环经济（circular economy）原则，减少地下支护系统的碳足迹，研究人员开展了本研究，旨在评估三种废弃材料——废弃玻璃粉（waste glass powder, WGP）、轮胎橡胶废料（tyre rubber waste, TRW）和建筑拆除废料（construction and demolition waste, CDW）——作为水泥部分替代物时，对注浆力学性能及锚索拉拔承载力的影响，并揭示粒径和替代率的作用规律。

　　研究人员制备了不同粒径范围和替代率的WGP、TRW和CDW改性注浆，通过单轴抗压强度（UCS）测试、扫描电子显微镜（SEM）和X射线荧光显微镜（XRF/XFM）进行初步筛选，随后选取20个配方进行锚索拉拔试验（pull-out tests），采用定制旋转抑制单嵌入拉拔试验（SEPT）装置以隔离轴向粘结–滑移行为。基于试验数据，利用随机森林（Random Forest, RF）和XGBoost模型预测峰值荷载，并结合SHAP（Shapley Additive Explanations）分析识别关键控制参数。结论表明：10%粒径小于75 μm的WGP使极限拉拔荷载从415 kN提高至490 kN（提升18%），且刚度和残余承载力保持稳定；TRW改性注浆因疏水弱界面导致粘结性能严重劣化，极限荷载低至119 kN；CDW改性注浆在低掺量下表现为中性填料，承载力接近参照值（372–413 kN）。机器学习分析确认UCS是峰值荷载的主导参数，注浆成分起次要作用，其中粗WGP（300–425 μm）具有正向贡献，而粗TRW（300–600 μm）负面影响最大。该研究为设计低碳高性能注浆配方提供了实用框架，发表在《International Journal of Geo-Engineering》。

　　2. **锚索拉拔试验**：使用70吨12丝Sumo锚索（总长1500 mm，直径31 mm，含直径36 mm鸟笼形鼓包），嵌入内径42 mm、外径60 mm的带螺纹钢套筒（模拟钻孔粗糙度），嵌入长度350 mm。定制SEPT装置包含旋转抑制系统（棱柱形钢键与夹具锁紧螺栓配合），位移控制加载速率1 mm/min，记录荷载–位移曲线. **机器学习建模**：基于65个试验数据点（注浆成分、UCS、峰值荷载），采用RF和XGBoost模型，70:30分层随机拆分训练/测试集，通过网格搜索和随机搜索优化超参数，以R2、RMSE、MAE评估性能，并利用SHAP进行特征重要性解释。

　　75 μm）时表现最佳，强度接近参照；trw随含量增加系统性降低ucs；cdw呈现中等行为，细粒径优于粗粒径。

　　<- **Microstructural and elemental interpretation of UCS behaviour**：SEM显示，细WGP（10%）形成致密基质，含氢氧化钙（CH）晶体和微裂纹；20%WGP出现更多CH相和孔隙。TRW（3%）引入气泡和界面空隙，破坏基质连续性。CDW（10%）存在可见孔隙，表明不完全致密化。XRF/XFM证实细WGP中硅分布均匀，粗WGP中空间异质性显著。

　　- **Mechanistic interpretation**：WGP通过火山灰效应和填充作用致密基质；TRW引入弹性疏水区域降低应力传递；CDW细粒径改善颗粒堆积，粗粒径引发应力集中。

　　讨论部分总结了不同废弃材料对粘结性能的机制差异，并强调了旋转抑制装置对试验可靠性的重要性，指出细WGP改性注浆在锚索封装中具有工程可行性，TRW应限于非结构或吸能场景，CDW在优化粒径后可作为低碳填料。结论部分翻译如下：

　　本研究调查了地下采矿环境中废弃材料改性水泥基注浆用于锚索封装的性能。结果表明，WGP在中等掺量（10%替代率，粒径

　　150 μm）下显著提高注浆强度和荷载传递，峰值荷载较参照提高18%。相反，trw和cdw效果更复杂，trw降低极限承载力和刚度，cdw呈现中性填料效应，细粒径改善堆积，粗粒径引发应力集中和脱粘。本研究还证实了锚索拉拔试验中控制旋转的重要性，采用旋转抑制夹具有效抑制扭转，使测量响应反映轴向粘结–滑移行为。破坏后检查表明，wgp和参照注浆主要发生内部基质压碎，trw注浆出现双脱粘模式，cdw注浆呈现混合行为。机器学习分析进一步确认ucs是峰值荷载的主要驱动因素，注浆成分起次要作用，随机森林模型预测能力可靠。研究结果表明，wgp可作为地下支护系统高性能注浆的可持续且技术稳健的添加剂；trw改性注浆因显著降低荷载传递能力不适用于粘结关键应用；加工后的cdw具有作为环境中性填料的潜力。未来研究应聚焦于优化粒径分布和替代率以进一步提升性能，并扩展到大规模现场试验以评估长期耐久性。