我校科研团队在煤基固废注浆材料领域取得系列创新研究成果

近日，我校材料科学与工程学院王庆平教授团队围绕煤基固废高值化利用、无水泥碱激发地质聚合物水下注浆材料开展系统攻关，在Construction and Building Materials（土木工程材料研究领域三大顶刊之一，中科院一区Top，IF=8.9）连续发表3篇高水平论文，揭示全固废注浆材料的水下抗分散、水化演化与重金属固封微观机制，为矿山水害治理、隧道防渗修复、地下工程注浆提供绿色低碳新材料方案。

无水泥全固废注浆材料在常温动态水环境中，普遍面临新拌浆体抗分散能力不足、重金属迁移固封机理认识不清的难题；以往研究多聚焦凝胶固封效应，忽视石英晶体对重金属的吸附作用。王庆平团队聚焦煤矸石-粉煤灰-硅灰常温活化注浆体系，通过配比试验、动水抗分散测试、COMSOL扩散仿真结合TEM、DFT计算揭示石英-凝胶协同固化重金属机理。明确在优化配比40%煤矸石、25%粉煤灰、35%硅灰下，浆液25 s多孔介质填充率达96.4%，且对Cr、Cu、Zn、Se、As具备良好固化效果。物相、结构表征和第一性原理计算显示，重金属固封由N-A-S-H凝胶网络物理固化起主导，石英(001)晶面选择性吸附作为辅助，Se⁴⁺在石英晶面吸附能力强于As³⁺。生命周期分析表明该材料相较传统水泥注浆实现了降碳降本。研究结果以“Synthesis and mechanisms of synergistic quartz clustering in alkali-activated solid waste-based grouting materials for heavy metal immobilization”为题发表于Construction and Building Materials（DOI:10.1016/j.conbuildmat.2026.146583）。

动态水分散性能测试装置

石英表面重金属固定示意图和微结构特征

煤基固废注浆材料受原料组分波动干扰大，传统试验难以兼顾力学、施工性能与重金属长效稳定，凝胶内部重金属原子级固锁机制尚不清晰。王庆平团队采用响应面法完成多因素配比优化，建立性能回归模型，联用多尺度表征、MD与DFT模拟解析重金属稳定固化机理。优化后试样28 d抗压强度达30.45 MPa，流动度为280 mm，且Pb²⁺固化效率高于98%，满足注浆工程和环境指标。DFT模拟表明，含铝活性位点在局部配位选择性固化中发挥关键作用。该工作搭建了“宏观-微观-原子”跨尺度分析框架，为固废注浆材料配方设计与环境安全评价提供理论支撑。研究结果以“Coupled MD/DFT simulations and experimental characterizations: Performance optimization and heavy metal immobilization mechanisms of CBSW-derived alkali-activated geopolymer grouting materials”为题发表于Construction and Building Materials（DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2026.147348）。

分子簇（Si(OH)₄，[Al(OH)₄]⁻，Si–O–Si，Si–O–Al，Al–O–Al）与重金属离子间吸附能

固废基注浆材料使用多孔助剂调控流变时易出现锁水造成凝结滞后，同时富水环境下重金属浸出风险较高，而现有改性工艺普遍能耗高、流程复杂。针对该难题，王庆平团队以煤矸石-粉煤灰-矿渣三元固废为基体，提出与碱激发剂预混活化生物质多孔材料（BPM）新工艺，无需额外改性即可协同优化浆体工作性能与重金属固化效果。最优预处理配方可缩短初凝时间30%、提升早期强度，重金属固化效率超98.5%；结合分子动力学、COMSOL仿真验证水下扩散性能。微观机理分析表明预混工艺抑制多孔材料过度吸水，依靠界面吸附强化与基体致密化实现重金属稳定固封。经济环境评估证实该工艺成本低、低碳优势显著，为富水工况无水泥固废注浆材料提供简易可行的改性方案。研究结果以“Enhanced performance and heavy metal immobilization of ternary geopolymer grout by synergistic addition of pretreated biomass and bentonite”为题发表于Construction and Building Materials（DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2026.147915）。

水下多孔介质中泥浆扩散的COMSOL数值模拟（文章插图）

本年度，除上述系列论文成果外，王庆平团队聚焦煤基固废抗分散注浆材料研究，依托响应面多参数优化结合多尺度表征分析，确定材料最优配方并揭示凝胶抗分散强化机理，相关成果发表于土木工程领域国际知名期刊Journal of Building Engineering（新锐一区Top，IF=8.1）；获授权发明专利2项，参编团体标准《多源固废制备低碳胶凝材料技术要求》1项。

王庆平为上述成果的的第一或通讯作者，博士生曹钰坤，硕士生程志伟、李想等为相关成果的完成做出了重要贡献。相关工作得到国家重大科研仪器研制项目（52227901）、安徽省级科技创新攻坚计划项目（202528anu11050023）和安徽省高校协同创新项目（GXXT-2022-083，GXXT-2023-019）的资助。