矿渣-粉煤灰地聚物注浆材料配合比优化研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0812

摘要/Abstract

摘要：

为了给地聚物注浆材料在道路非开挖注浆加固等工程中的推广应用提供配合比设计参考与理论支撑，针对矿渣-粉煤灰地聚物注浆材料（SFGGM），采用四因素四水平正交试验，通过极差与方差分析得到了水胶比、碱当量、水玻璃模数及粉煤灰掺量对流动度、凝结时间、干缩率及力学性能等多项关键指标的影响。在此基础上，结合AHP-熵值法进行多指标综合权重分析，选出兼顾工作性能、体积稳定性及力学性能的最优配合比方案。结果表明：水胶比对流动度的影响最显著，随着水胶比增加，浆体流动性明显提升；碱当量是控制凝结时间与干缩率的主导因素，碱当量过高会导致凝结时间缩短和干缩率增加；粉煤灰掺量是影响抗压强度与抗折强度的关键因素，掺量过高导致抗压强度与抗折强度下降；适度提高碱当量和水玻璃模数有助于促进强度发展。极差分析与方差分析得出的各性能指标的主影响因素一致，综合性能最优的配合比为水胶比0.6、水玻璃模数1.6、碱当量6%（质量分数）、粉煤灰掺量0.4（占硅铝源灰料总质量的比例）。

关键词: 地聚物注浆材料, 最优配合比, 正交试验, AHP-熵值法, 极差分析, 方差分析

Abstract:

In order to provide mix ratio design references and theoretical support for the promotion and application of geopolymer grouting materials in road trenchless grouting reinforcement and other projects， for slag-fly ash geopolymer grouting materials （SFGGM）， the influences of water-to-binder ratio， alkali equivalent， sodium silicate modulus and fly ash content on multiple key indicators such as fluidity， setting time， drying shrinkage rate and mechanical property were obtained through range analysis and analysis of variance by using four-factor and four-level orthogonal experiments. On this basis， a comprehensive weight analysis of multiple indicators was conducted with AHP-entropy method to select the optimal mix ratio scheme that takes into account workability， volume stability and mechanical property. The results show that the water-to-binder ratio has the most significant impact on fluidity. As the water-to-binder ratio increases， the fluidity of slurry improves significantly. The alkali equivalent is the dominant factor controlling the setting time and drying shrinkage rate. If alkali equivalent is too high， it will lead to shorten setting time and increased drying shrinkage rate. The fly ash content is a key factor affecting compressive strength and flexural strength. Excessive content leads to a decrease in compressive strength and flexural strength. Moderately increasing the alkali equivalent and sodium silicate modulus is conducive to promoting strength development. The main influencing factors of each performance index obtained from range analysis and analysis of variance are consistent. The optimal ratio for comprehensive performance is as follows： water-to-binder ratio 0.6， sodium silicate modulus 1.6， alkali equivalent 6%（mass fraction）， and fly ash content 0.4（the proportion of total mass of silicon and aluminum source ash）.

Key words: geopolymer grouting material, optimal mix ratio, orthogonal experiment, AHP-entropy method, range analysis, analysis of variance

中图分类号:

U418

刘梅芳, 刘建正, 胡力群, 高胜发, 刘家宏, 李国超. 矿渣-粉煤灰地聚物注浆材料配合比优化研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(2): 695-711.

LIU Meifang, LIU Jianzheng, HU Liqun, GAO Shengfa, LIU Jiahong, LI Guochao. Mix Ratio Optimization of Slag-Fly Ash Geopolymer Grouting Materials[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(2): 695-711.

图/表 22

参考文献 39

[1]	谭汉义. 煤矿采空区注浆加固在广西沿海铁路工程中的应用［J］. 路基工程， 2014（1）： 214-220.
	TAN H Y. Application of grouting reinforcement for coal mined-out area along coastal railway in Guangxi［J］. Subgrade Engineering， 2014（1）： 214-220 （in Chinese）.
[2]	徐前卫，苏培森，唐卓华，等. 软土路基沉降病害治理的注浆加固技术及其试验研究［J］. 土木工程学报， 2015， 48（增刊2）： 268-273.
	XU Q W， SU P S， TANG Z H， et al. Numerical analysis on the settlement mechanism of high-speed railway subgrade and the reinforcement by grouting［J］. China Civil Engineering Journal， 2015， 48（supplement 2）： 268-273 （in Chinese）.
[3]	杨旭，胡博，王涛，等. 复配硅酸盐-硫铝酸盐水泥煤基固废注浆材料性能研究［J］. 矿业研究与开发， 2025， 45（4）： 181-188.
	YANG X， HU B， WANG T， et al. Study on the properties of compound portland-sulphoaluminate cement coal-based solid waste grouting material［J］. Mining Research and Development， 2025， 45（4）： 181-188 （in Chinese）.
[4]	严国超，白龙剑，张志强，等. PU改性硫铝酸盐水泥注浆材料试验与应用［J］. 煤炭学报， 2020， 45（增刊2）： 747-754.
	YAN G C， BAI L J， ZHANG Z Q， et al. Experimental and applied study on PU modified sulpho-aluminate cement grouting material［J］. Journal of China Coal Society， 2020， 45（supplement 2）： 747-754 （in Chinese）.
[5]	王艳芬，艾洁，程详，等. 高水灰比下超细加工对硫铝酸盐水泥注浆材料微结构与力学性能影响［J］. 煤炭科学技术， 2025， 53（8）： 304-315.
	WANG Y F， AI J， CHENG X， et al. Effect of ultrafine process on microstructure and mechanical properties of sulphoaluminate cement grouting materials under high water-cement ratio［J］. Coal Science and Technology， 2025， 53（8）： 304-315 （in Chinese）.
[6]	蒋恒，柴虎成，刘二层，等. 原位聚合对水泥基注浆加固材料性能的影响［J］. 硅酸盐通报， 2025， 44（6）： 2149-2158. DOI
	JIANG H， CHAI H C， LIU E C， et al. Effect of in-situ polymerization on properties of cement-based grouting reinforcement materials［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2025， 44（6）： 2149-2158 （in Chinese）. DOI
[7]	LIU W H， JIANG Y W， ZHAO Z Z， et al. Material innovation and performance optimization of multi-solid waste-based composite grouting materials for semi-flexible pavements［J］. Case Studies in Construction Materials， 2022， 17： e01624.
[8]	ZHOU W， YAN C J， DUAN P， et al. A comparative study of high- and low-Al₂O₃ fly ash based-geopolymers： the role of mix proportion factors and curing temperature［J］. Materials & Design， 2016， 95： 63-74.
[9]	夏维东，施凯，王城，等. 等离子体能助力中国工业碳中和［J］. 力学学报， 2023， 55（12）： 2779-2795.
	XIA W D， SHI K， WANG C， et al. The plasma energy route to industrial carbon neutrality in China［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2023， 55（12）： 2779-2795 （in Chinese）.
[10]	ZHU W P， TEOH P J， LIU Y Q， et al. Strategic utilization of municipal solid waste incineration bottom ash for the synthesis of lightweight aerated alkali-activated materials［J］. Journal of Cleaner Production， 2019， 235： 603-612. DOI URL
[11]	RANJBAR N， MEHRALI M， ALENGARAM U J， et al. Compressive strength and microstructural analysis of fly ash/palm oil fuel ash based geopolymer mortar under elevated temperatures［J］. Construction and Building Materials， 2014， 65： 114-121. DOI URL
[12]	ZHANG L， HAN X X， GE J， et al. The relationship between compressive strength and flexural strength of pavement geopolymer grouting material［J］. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering， 2018， 292： 012114.
[13]	张磊，问鹏辉，王朝辉，等. 道路非开挖注浆加固补强材料研究进展［J］. 材料导报， 2017， 31（21）： 98-105.
	ZHANG L， WEN P H， WANG C H， et al. Advances in non-excavation grouting reinforcement materials in the road engineering［J］. Materials Reports， 2017， 31（21）： 98-105 （in Chinese）.
[14]	刘亚明，孔繁盛，陈朋. 公路采空区注浆质量工后检测技术研究进展［J］. 公路， 2023， 68（4）： 31-35.
	LIU Y M， KONG F S， CHEN P. Research progress of post-construction inspection technology for grouting quality in highway mined-out area［J］. Highway， 2023， 68（4）： 31-35 （in Chinese）.
[15]	张向东，杨吉，邴宇成，等. 石灰石粉-矿渣-粉煤灰三元固废地聚物注浆材料的性能优化与微观结构表征［J/OL］. 复合材料学报， 1-23 （2025-05-13）［2025-07-09］. https://doi.org/10.13801/j.cnki.fhclxb.20250512.007.
	ZHANG X D， YANG J， BING Y C， et al. Performance optimization and microstructure characterization of limestone powder-slag-fly ash ternary solid waste geopolymer grouting materials［J/OL］. Acta Materiae Compositae Sinica， 1-23 （2025-05-13）［2025-07-09］. https://doi.org/10.13801/j.cnki.fhclxb.20250512.007 （in Chinese）.
[16]	张永杰，李嘉兵，邓沛宇，等. 矿渣-粉煤灰地聚物注浆材料配比优化方法研究［J］. 硅酸盐通报， 2024， 43（10）： 3726-3735.
	ZHANG Y J， LI J B， DENG P Y， et al. Optimization method of slag-fly ash geopolymer grouting material ratio［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2024， 43（10）： 3726-3735 （in Chinese）.
[17]	ZHANG Y， WANG Y， WU Z G， et al. Optimal design of geopolymer grouting material for semi-flexible pavement based on response surface methodology［J］. Construction and Building Materials， 2021， 306： 124779. DOI URL
[18]	塔悦，杨群. 灌浆料配比多目标优化设计方法［J］. 交通科技， 2023（6）： 139-143.
	TA Y， YANG Q. Multi-objective optimization design method for grouting materials match ratios［J］. Transportation Science and Technology， 2023（6）： 139-143 （in Chinese）.
[19]	ZHANG Z Q， TIAN Z N， ZHANG K W， et al. Preparation and characterization of the greener alkali-activated grouting materials based on multi-index optimization［J］. Construction and Building Materials， 2021， 269： 121328. DOI URL
[20]	曾铭乐，王志祥. 固废基道路地聚物注浆材料的组分优化及机理研究［J］. 硅酸盐通报， 2023， 42（8）： 3033-3044.
	ZENG M L， WANG Z X. Composition optimization and mechanism study of solid waste based road geopolymer grouting materials［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2023， 42（8）： 3033-3044 （in Chinese）.
[21]	XU J， KANG A H， WU Z G， et al. Research on the formulation and properties of a high-performance geopolymer grouting material based on slag and fly ash［J］. KSCE Journal of Civil Engineering， 2021， 25（9）： 3437-3447. DOI URL
[22]	崔潮，孙小惠，王岚，等. 活性MgO对碱-矿渣-偏高岭土基地聚物干缩特性的影响［J］. 建筑材料学报， 2023， 26（6）： 579-586.
	CUI C， SUN X H， WANG L， et al. Influence of activated MgO on drying shrinkage of alkali-slag-metakaolin based geopolymer［J］. Journal of Building Materials， 2023， 26（6）： 579-586 （in Chinese）.
[23]	张海霞，董昊. 地聚物混凝土干燥收缩性能及活性氧化镁补偿收缩研究［J］. 硅酸盐通报， 2024， 43（1）： 219-226.
	ZHANG H X， DONG H. Drying shrinkage performance of geopolymer concrete and shrinkage compensation of active MgO［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2024， 43（1）： 219-226 （in Chinese）.
[24]	国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会. 水泥标准稠度用水量、凝结时间与安定性检验方法：GB/T 1346—2024［S］. 北京：中国标准出版社， 2012.
	General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China， National Standardization Administration. Test methods for water requirement of normal consistency，setting time and soundness of the portland cement：GB/T 1346—2024［S］. Beijing： Standards Press of China， 2012 （in Chinese）．
[25]	国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会. 混凝土外加剂匀质性试验方法：GB/T 8077—2023［S］. 北京：中国标准出版社， 2023.
	State Administration for Market Regulation， National Standardization Administration. Methods for testing uniformity of concrete admixtures：GB/T 8077—2023［S］. Beijing： Standards Press of China， 2023 （in Chinese）．
[26]	中国建筑材料科学研究总院，中国建筑材料检验认证中心. 膨胀水泥膨胀率试验方法：JC/T 313—2009［S］. 北京：中国建材工业出版社， 2010．
	China Building Materials Academy， China Building Materials Testing & Certification Center. Test method for determining expansive ratio of expansive cement：JC/T 313—2009［S］. Beijing： China Building Materials Industry Press， 2010 （in Chinese）．
[27]	国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会. 水泥胶砂强度检验方法（ISO法）：GB/T 17671—2021［S］. 北京：中国标准出版社， 2021.
	State Administration for Market Regulation， National Standardization Administration. Test method of cement mortar strength（ISO method）：GB/T 17671—2021［S］. Beijing： Standards Press of China， 2021 （in Chinese）．
[28]	李佳楠，宋学锋. 碱性氧化还原电位水制备矿渣地聚物的水化特性及力学性能［J］. 新型建筑材料， 2025， 52（6）： 36-39.
	LI J N， SONG X F. Hydration characteristics and mechanical properties of slag-based geopolymer prepared with alkaline oxidation-reduction potential water［J］. New Building Materials， 2025， 52（6）： 36-39 （in Chinese）.
[29]	王家全，孟廷宇，畅振超，等. 赤泥取代率对三元全固废地聚物性能的影响［J］. 复合材料学报， 2025， 42（8）： 4666-4678.
	WANG J Q， MENG T Y， CHANG Z C， et al. Effect of red mud replacement rate on the properties of ternary all-solid-waste-based geopolymer［J］. Journal of Composite Materials， 2025， 42（8）： 4666-4678 （in Chinese）.
[30]	崔潮，彭晖，刘扬，等. 矿渣掺量及激发剂模数对偏高岭土基地聚物常温固化的影响［J］. 建筑材料学报， 2017， 20（4）： 535-542.
	CUI C， PENG H， LIU Y， et al. Effect of slag content and activator modulus on ambient curing of metakaolin-based geopolymers［J］. Journal of Building Materials， 2017， 20（4）： 535-542 （in Chinese）.
[31]	刘翼玮，张祖华，史才军，等. 硅灰对高强地聚物胶凝材料性能的影响［J］. 硅酸盐学报， 2020， 48（11）： 1689-1699.
	LIU Y W， ZHANG Z H， SHI C J， et al. Effect of silica fume on the properties of high-strength geopolymer binders［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society， 2020， 48（11）： 1689-1699 （in Chinese）.
[32]	崔潮，邰文玉，孙小惠，等. 碱-矿渣-偏高岭土基地聚物干燥收缩研究［J］. 新型建筑材料， 2024， 51（6）： 94-100.
	CUI C， TAI W Y， SUN X H， et al. Study on drying shrinkage of alkali-slag-metakaolin based geopolymers［J］. New Building Materials， 2024， 51（6）： 94-100 （in Chinese）.
[33]	刘扬，王集昭，鲁乃唯，等. 碱激发矿渣粉煤灰地聚物力学性能研究［J］. 中外公路， 2024， 44（6）： 67-74.
	LIU Y， WANG J Z， LU N W， et al. Mechanical properties of alkali-activated slag-fly ash geopolymers［J］. China Journal of Highway and Transport， 2024， 44（6）： 67-74 （in Chinese）.
[34]	彭晖，李树霖，蔡春声，等. 偏高岭土基地质聚合物的配合比及养护条件对其力学性能及凝结时间的影响研究［J］. 硅酸盐通报， 2014， 33（11）： 2809-2817+2827.
	PENG H， LI S L， CAI C S， et al. Effect of mix proportion and curing conditions on mechanical properties and setting time of metakaolin-based geopolymers［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2014， 33（11）： 2809-2817+2827 （in Chinese）.
[35]	刘子豪，刘俊芳，崔潮，等. 基于响应面法的二元固废地聚物配比优化试验研究［J］. 材料导报， 2024， 38（增刊2）： 275-281.
	LIU Z H， LIU J F， CUI C， et al. Experimental study on mix proportion optimization of binary solid waste geopolymers based on response surface methodology［J］. Materials Review， 2024， 38（supplement 2）： 275-281 （in Chinese）.
[36]	胡建林，孟志鹏，周永祥，等. 硅铝型铁尾矿基地聚物注浆材料配比优化及机理研究［J］. 金属矿山， 2025（6）： 310-318.
	HU J L， MENG Z P， ZHOU Y X， et al. Mix proportion optimization and mechanism study of aluminosilicate iron tailings-based geopolymer grouting materials［J］. Metal Mine， 2025（6）： 310-318 （in Chinese）.
[37]	王建美，宋焕春，陈菲. 正交设计-重复试验优选桔皮精油的酶解提取工艺［J］. 中国药业， 2015， 24（11）： 8-9.
	WANG J M， SONG H C， CHEN F. Optimization of enzymatic extraction process of orange peel essential oil based on orthogonal design and repeated experiments［J］. China Pharmaceutical， 2015， 24（11）： 8-9 （in Chinese）.
[38]	彭爱红. Minitab软件在有重复试验的正交试验设计中的应用［J］. 集美大学学报（教育科学版）， 2013， 14（1）： 111-114.
	PENG A H. Application of Minitab software in orthogonal experimental design with repeated tests［J］. Journal of Jimei University （Educational Science Edition）， 2013， 14（1）： 111-114 （in Chinese）.
[39]	邵芳. 基于AHP-熵值法的中国跨境电商企业海外仓建设模式选择研究［D］. 南昌：江西财经大学， 2022.
	SHAO F. Research on overseas warehouse construction mode selection of Chinese cross-border e-commerce enterprises based on AHP-entropy method［D］. Nanchang： Jiangxi University of Finance and Economics， 2022 （in Chinese）.

Material	Mass fraction/%
Material	SiO₂	Al₂O₃	CaO	MgO	Fe₂O₃	SO₃
Slag	34.50	17.70	34.00	6.01	1.03	1.64
Fly ash	43.00	23.00	5.60	0.95	2.50	0.80

Material	Mass fraction/%
Material	SiO₂	Al₂O₃	CaO	MgO	Fe₂O₃	SO₃
Slag	34.50	17.70	34.00	6.01	1.03	1.64
Fly ash	43.00	23.00	5.60	0.95	2.50	0.80

Performance indicator	Density/（g·cm^-3）	Fineness/%	Waterdemandratio/%	Loss on ignition/%	Moisture content/%	Specific surface area/（m²·kg^-1）	Flow ratio/%	7 d activity index/%	28 d activity index/%
Slag	3.10			0.84	0.45	429.00	98.00	84.20	98.50
Fly ash	2.55	13.00	91.00	3.01	0.85

Performance indicator	Density/（g·cm^-3）	Fineness/%	Waterdemandratio/%	Loss on ignition/%	Moisture content/%	Specific surface area/（m²·kg^-1）	Flow ratio/%	7 d activity index/%	28 d activity index/%
Slag	3.10			0.84	0.45	429.00	98.00	84.20	98.50
Fly ash	2.55	13.00	91.00	3.01	0.85

Level	A	B	C/%	D
1	0.3	1.4	2	0.4
2	0.4	1.6	4	0.5
3	0.5	1.8	6	0.6
4	0.6	2.0	8	0.7