基于工程开挖料的绿色低碳渗透结晶型纳米补强技术分析

引言：现阶段工程建设中，天然骨料资源短缺与传统补强技术高能耗问题突出，相应的工程开挖料资源化利用、低碳补强技术开发成为行业重点。基于工程开挖料的绿色低碳渗透结晶型纳米补强技术，可提升开挖料高效利用与补强性能，通过解析技术核心机制，为基于工程开挖料的绿色低碳渗透结晶型纳米补强技术工程应用与推广奠定基础。

1 构建技术核心体系

1.1 纳米级渗透结晶材料作用机制

结合工程开挖料补强需求，引入纳米级渗透结晶材料作为核心功能组分，该材料粒径尺度极小，可深入开挖料内部孔隙结构，通过化学结晶反应形成稳定结晶体，实现对微小裂缝与孔隙的有效堵塞。在作用过程中，纳米材料能精准作用于开挖料微观缺陷区域，相比传统补强材料，其在微观层面的渗透深度与填充效率显著提升，可同步提高开挖料的抗渗透性、力学强度与耐久性能水平，从根本上改善开挖料的工程应用特性，为后续混凝土制备提供优质骨料基础[1]。

1.2 开挖料缺陷等级划分与定制化方案

结合工程开挖料实际性能指标，根据压碎值、吸水率、表观密度等关键特性，建立三级缺陷等级划分标准，为不同缺陷程度的开挖料匹配定制化补强方案。针对一级缺陷（压碎值低、吸水率小、表观密度均匀）开挖料，采用低浓度纳米渗透结晶材料进行表层强化，重点提升其抗渗性能；针对二级缺陷（压碎值中等、吸水率适中、表观密度存在局部差异）开挖料，通过中浓度材料浸泡与短时养护，实现孔隙填充与界面优化；针对三级缺陷（压碎值高、吸水率大、表观密度波动明显）开挖料，采用高浓度材料渗透结合多轮养护工艺，深度修复内部裂缝与孔隙，全面提升其力学性能与稳定性，确保各类开挖料符合工程应用要求。

2 技术对比与优势分析

2.1 与传统配合比调整技术差异

尽管传统调整配合比技术能够通过增加用水量、添加火山灰、硅粉或粉煤灰等方式改善开挖料混凝土性能，但是存在明显局限性：虽然增加用水量能提升新拌混凝土流动性，但是会降低其强度与耐久性；尽管添加火山灰或硅粉可提高抗压强度，但是无法从根本上修复开挖料自身缺陷；掺入粉煤灰能改善后期强度与抗氯离子侵蚀能力，却会削弱早期强度，且硅烷基防水剂的使用会对抗压强度产生不利影响[2]。渗透结晶型纳米补强技术直接作用于开挖料本身，通过微观层面的缺陷修复与性能提升，从根本上改善开挖料品质，无需依赖混凝土配合比调整，避免配合比变动对混凝土整体性能的负面影响，使适用范围更加广泛。

2.2 与机械粒型优化技术优势

机械粒型优化技术通过研磨、整形等方式改善开挖料粒型，去除表面碎屑，尽管能够在一定程度上提升骨料性能与混凝土质量，但是存在操作技术要求高、能耗消耗大、不具备低碳特性等问题，且仅能优化粒型与表面状态，无法修复开挖料内部孔隙与裂缝。渗透结晶型纳米补强技术操作简便，无需复杂机械设备，能耗仅为机械优化技术的约1/5；对性能提升维度进行分析，在优化开挖料表面特性的同时，深入内部修复微观缺陷，以此同步提升强度、抗渗性、耐久性，同时兼具绿色环保特性，符合现代工程对低碳、高效技术的要求。

3 基于工程开挖料的绿色低碳渗透结晶型纳米补强技术核心机制

3.1 工程开挖料的绿色改性机制

工程开挖料作为技术核心原料，其绿色改性应当严格依托“低碳化 ⁺ 功能性”协同目标，通过物理级配优化与化学活性激发双路径，以此针对性解决原生开挖料强度低、稳定性差的问题，同时规避传统骨料加工高能耗缺陷。物理改性环节参照颗粒分级标准，采用三级筛分-级配重组工艺，对开挖料按 ⋅5mm 以下细料、5.20mm 中料、 20mm 以上粗料”进行梯度配比，控制颗粒间隙率 18%-22% ，形成“粗料骨架-中料填充-细料密实”的稳定结构，此过程相比天然骨料开采，资源开采量与运输能耗降幅 535‰ 。化学改性阶段严格遵循工业固废基激发剂配方，采用磨细矿渣粉与脱硫石膏粉按3:1 复配的激发剂，通过离子交换作用打破开挖料表面惰性 SiO₂ 层，释放内部活性 Al₂O₃ 、CaO 成分，使水化产物生成量提升幅度达到 40% ，在降低 15%-20% 水泥用量的同时，将开挖料基材抗压强度提升至>18MPa ，满足工程补强基础性能指标。

3.2 渗透结晶型纳米补强剂的作用机制

渗透结晶型纳米补强剂的作用过程以“渗透-结晶-填充”三维作用框架为核心，核心功能组分采用粒径 20-50nm 的纳米 SiO₂ ，并复配纳米级 CaCO₃ 与聚羧酸系减水剂，各环节作用效果与参数均贴合技术设计标准。渗透阶段借助基材孔隙水的毛细作用，使纳米补强剂快速渗透至开挖料内部深度达到 5.10mm ，相比传统补强剂渗透深度 2-3mm 扩大2-3 倍，为后续功能发挥创造空间。

结晶阶段，纳米 SiO₂ 与基材水化生成的Ca（OH） ₂ 发生火山灰反应，生成C-S-H 凝胶；纳米 CaCO₃ 作为晶核诱导 C-S-H 凝胶定向生长，形成致密结晶网络，最终将基材孔隙率从 25% 降至 8% 以下，显著提升基材密实度。

填充阶段，未反应的纳米粒子与结晶产物协同作用，填充基材内部 0.1-0.3mm 微裂缝，通过“桥接-咬合”作用使裂缝闭合率 590‰ 。最终使基材抗渗性（渗透系数从 1×10^-6cm/s 降至 5×10^-8cm/s ）与抗冻性（冻融循环次数从20 次提升至50 次）均达到预设性能指标，以此达到补强效果。

3.3 技术体系的低碳协同机制

技术体系的低碳协同依托“全周期减排”理念，围绕低碳目标开展原料、生产、应用设计，各环节减排效果与参数均符合技术预设标准。原料端最大限度上充分利用工程开挖料替代天然砂石骨料，每立方米开挖料的利用可减少 80-100kgCO₂ 排放，从源头降低资源消耗与碳排放，符合绿色原料应用要求。

生产端采用常温搅拌方式生产纳米补强剂，规避传统补强剂超过 1200^∘C 的高温煅烧环节，使生产阶段能耗降低 75% ，控制每吨补强剂碳排放 _<50kg ，大幅减少生产过程中的能源消耗与污染物排放[3]。

应用端因开挖料基材与纳米补强剂具有高相容性，施工过程无需额外振捣设备，采用自然养护即可达到设计强度，相比传统蒸汽养护工艺减少养护能耗 90% ；基材抗渗性与耐久性的改善使工程后期维修频率降低 60% ，达到全生命周期碳排放相比传统补强技术减少 45%-50% 的目标，达成“工程功能提升”与“低碳减排”的双重效果。

在低碳协同的技术适配性设计上，原料端选用工程开挖料时，同步采用现场破碎筛分工艺，避免开挖料长距离运输产生的额外碳排放，每 1000m³ 开挖料可减少运输里程约 200km ，相应的降低柴油消耗相关碳排放 >150kg 。生产端常温制备纳米补强剂过程中，通过余热回收装置收集搅拌环节产生的微量热量，以此激发剂预混加热，使激发剂活性提升 8%-10% ，间接减少水泥用量 2%-3% ，进一步强化低碳效应。

应用端自然养护阶段，结合工程所在地气候条件调整养护周期，在温湿度适宜区域（日均温 15-25^∘C 、相对湿度 60%80% ）可缩短养护时间 2～3 天，减少养护期间临时设施能耗，符合绿色建筑技术全生命周期低碳评价标准。

结束语

基于工程开挖料的绿色低碳渗透结晶型纳米补强技术，通过科学改性开挖料、剂作用及全周期低碳设计，有效解决传统技术资源消耗大、碳排放高的问题，保障工程补强效果。该技术为工程材料绿色化、低碳化发展提供技术支持，使其应用范围更加广泛。

参考文献

[1]吴贤国，李克强，郭劲松.垃圾废料作为建筑材料的综合回收利用途径[J].建筑技术，2000(5):318-319.

[2]冯春花，黄益宏，崔卜文等.建筑再生骨料强化方法研究进展[J].材料导报，2022，36(21):88-95.

[3]丛生，代振峰.大朝山水电站开挖石渣料的利用[J].云南水力发电，2002(04):45-46.

2024 年校级科研项目（项目编号：2024008）