中国一项实验室研究证实，通过重新设计混合工艺，将负压抽吸与机械振动相结合，可将隧道工程产生的大量开挖废渣转化为高强度、高密度的结构用混凝土。该成果为处理铁路、地铁及公路隧道建设中的土石方废料提供了新的资源化路径。
研究以四川省某隧道挖掘出的弃渣为主要原料。化学成分分析显示，废渣二氧化硅含量达64.5%，氧化铝占20%，其余主要为氧化铁、氧化钙、氧化镁和二氧化钛。其矿物组成富含石英、长石和黏土矿物，与传统混凝土所用的天然砂砾高度相似。经干燥破碎后，废渣细骨料堆积密度为1.642克/立方厘米，颗粒密度为2.481克/立方厘米，吸水率为8.3%。
研究人员配制了C1至C4四组配合比，水泥用量从每批次46千克逐步增至71千克，固体主体由隧道废渣细粉构成，并以常规C25普通混凝土（含天然砂与粗骨料）作为对照。此类细粒高密度混凝土的制备难点在于：缺乏粗骨料的机械翻滚分散作用，细小轻质颗粒易团聚、裹挟空气并留下局部孔隙。传统桨式搅拌难以消除这种细颗粒与大比表面积体系的结构缺陷。
团队在常规搅拌机外加装真空抽吸系统，将搅拌腔体抽至-0.09兆帕的表压。负压可抽出混合物中夹带的空气与多余水蒸气，同时促使颗粒紧密接触。在此基础上引入机械振动，旨在优化细颗粒堆积排列并使水泥浆体更均匀包裹。研究对比了四种工况：纯机械搅拌、机械加真空、机械加振动以及真空振动联合工艺。
强度测试结果显示显著差异。7天龄期时，真空辅助搅拌使C1至C4组抗压强度分别从14.4、18.9、24.2和28.3兆帕提升至17.3、22.3、28.4和32.5兆帕，增幅约为20.1%、18.0%、17.4%和14.8%。28天龄期对应提升幅度约为14.3%、11.7%、10.0%和8.0%。值得注意的是，相同工艺对常规C25混凝土的增益较小（7天9.3%，28天6.7%），表明该工艺在细颗粒主导的微结构中效果更为突出。强度提升在低标号配合比中最大，说明胶凝材料用量较低且初始孔隙率较高时，搅拌阶段形成的孔结构对后期强度发展影响巨大。
单独使用振动反而导致两个龄期的抗压强度略有下降，且未带来明显的抗弯效益，推测是因为扰动松散了细颗粒骨架。但在负压条件下施加振动，两者产生了协同效应。联合工艺使28天抗压强度达到33.5兆帕，略优于单独真空搅拌；28天抗弯强度提升至6.3兆帕，较传统搅拌混凝土高出约34.0%。由于抗弯强度直接反映抗裂性与结构完整性，这一提升被视为该研究最具工程实用价值的结果。作者强调，两种效应并非线性叠加：真空主导致密化，而振动仅在负压约束下实现均质化。
工作性变化印证了上述机理。真空环境下坍落度小幅下降，例如C3组从200毫米降至192毫米（降幅4.0%），主要归因于空气与自由水的排出及颗粒堆积更紧密。单独振动曾使坍落度短暂升至208毫米，但真空振动组合使其回落至194毫米，表明致密化效应覆盖了润滑增流效应。所有配比仍保持足以浇筑的工作性。
微观探测揭示了性能提升的原因。X射线衍射与热重分析显示，各组试件结晶相与化学结合水含量基本一致，说明工艺改变的是水化产物的分布而非产物种类。扫描电镜观察发现，传统搅拌样品呈松散絮状凝胶结构，含大量未完全水化水泥颗粒；真空搅拌样品孔隙更少、凝胶网络更连续、界面结合更紧密；真空振动联合样品则呈现出最致密、均匀的微观构造。压汞法测得传统混凝土总孔隙率为19.81%，真空搅拌降至17.84%，单独振动反升至21.86%（平均孔径26.29纳米，中位孔径75.74纳米）。联合工艺将孔隙率控制在20.61%，并将孔分布向10至100纳米的良性区间推移，有效抑制了大于100纳米的有害孔隙。25微米分辨率的X射线计算机断层扫描进一步在三维空间证实，真空处理样本可分辨孔隙更少、连通性更低，贯通孔隙基本消失。
该研究目前仍为实验室阶段，仅使用100毫米立方体与棱柱体试件，每组三个重复，标准养护温度为20±2摄氏度。生态效益方面，就地或就近利用废渣可减少弃渣堆放与天然骨料运输，从而降低碳排放。在无需额外增加水泥的前提下获得更高强度的混凝土，意味着单位胶凝材料性能提升；低孔隙率理论上有助于延缓有害物质侵入，可能延长服役寿命并降低长期维护需求。作者明确指出，耐久性优势是基于密度与孔隙率的推演，尚未经过现场实测验证。随着山区隧道网络不断扩展，将隧道自身产生的废料转化为致密抗裂混凝土，为“废料处置”与“砂石资源替代”提供了闭环思路。
资料来源：bioengineer.org；原文发布日期：2026-10-23。本文为资料编译。