浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2025, 59(1): 177-186 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2025.01.017

土木工程、交通工程

地聚合物固化风积沙应力-应变-强度特性及微观结构

陈锐,, 陈海, 郝若愚, 包卫星, 李林, 罗文敏

1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064

2. 南宁轨道交通建设有限公司，广西 南宁 530025

Stress-strain-strength characteristics and microstructure of geopolymer stabilized aeolian sand

CHEN Rui,, CHEN Hai, HAO Ruoyu, BAO Weixing, LI Lin, LUO Wenmin

1. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China

2. Nanning Rail Transit Construction Limited Company, Nanning 530025, China

收稿日期: 2023-11-6  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目（51708041）；陕西省自然科学基金资助项目（2022JM-228）；长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（300102210213）.

Received: 2023-11-6  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目（51708041）；陕西省自然科学基金资助项目（2022JM-228）；长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（300102210213）.

作者简介 About authors

陈锐（1987—），男，副教授，从事特殊土力学特性和地基处理研究.orcid.org/0000-0002-9890-9735.E-mail：rchenua@chd.edu.cn , E-mail：rchenua@chd.edu.cn

摘要

为了满足沙漠工程建设的需求，开展固结不排水（CU）三轴压缩试验与扫描电镜（SEM）分析，基于临界状态理论，探讨细粒的质量分数和地聚合物掺量对风积沙抗剪强度特性及微观结构的影响. 结果表明：随着细粒的质量分数增加，风积沙的应力-应变曲线由软化型向硬化型转变，峰值偏应力降低；固化风积沙的峰值与残余偏应力均随着地聚合物掺量的增加而增大，固化风积沙表现出显著的脆性破坏特征与剪胀趋势；细粒土的掺入能增大风积沙的黏聚力并减小风积沙内摩擦角，地聚合物的胶结作用显著增大了固化风积沙的黏聚力，对风积沙内摩擦角影响较小. 固化风积沙与未固化风积沙的临界状态线大致平行，细粒的质量分数为20%的固化风积沙临界状态线均位于未固化风积沙临界状态线的下方，且随着地聚合物掺量的增加而逐渐下移；细粒的质量分数为30%的固化风积沙临界状态线均位于未固化风积沙临界状态线的上方，且随地聚合物掺量的增加而逐渐上移. SEM分析结果显示，掺入的细粒土填充了风积沙颗粒间的大孔隙，使土体结构致密，改变了风积沙颗粒间的接触形式，为地聚合物提供了可胶结面积；细粒土与地聚合物共同作用显著提升了固化风积沙的抗剪强度.

关键词： 临界状态 ; 三轴试验 ; 风积沙 ; 地聚合物 ; 固化机制

Abstract

To meet the construction requirements in the desert zone, the consolidated undrained (CU) triaxial compression tests and scanning electron microscope (SEM) analysis were carried out, and the effects of mass fraction of fines and geopolymer (GP) content on the shear strength properties and microstructure of aeolian sand were explored based on the critical state theory. Results show that with an increase in the mass fraction of fines, the stress-strain curve of aeolian sand shifts from softening type to hardening type, and the peak deviatoric stress decreases. The peak and residual deviatoric stress of stabilized aeolian sand both increase with increasing GP content, and the stabilized aeolian sand shows obvious brittle failure and dilatancy. The inclusion of fines into aeolian sand benefits the increase of cohesion and reduces the internal friction angle. The cementing effect of GP significantly enhances the cohesion of stabilized aeolian sand and has little effect on the internal friction angle. The critical state lines of stabilized aeolian sand and untreated aeolian sand are almost parallel. For stabilized aeolian sand with a 20% mass fraction of fines, its critical state line is located beneath the one without stabilization and gradually moves downward with increasing GP content. For stabilized aeolian sand with a 30% mass fraction of fines, its critical state line is located above the one without stabilization and gradually moves upward with increasing GP content. SEM analysis results indicate that the inclusion of fines fills the pores and changes the contact pattern between aeolian sand particles, which effectively increases the compactness and provides cementing areas for GP. The combined effect of fines and GP significantly increases the shear strength of stabilized aeolian sand.

Keywords： critical state ; triaxial test ; aeolian sand ; geopolymer ; stabilizing mechanism

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本文引用格式

陈锐, 陈海, 郝若愚, 包卫星, 李林, 罗文敏. 地聚合物固化风积沙应力-应变-强度特性及微观结构. 浙江大学学报(工学版)[J], 2025, 59(1): 177-186 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2025.01.017

CHEN Rui, CHEN Hai, HAO Ruoyu, BAO Weixing, LI Lin, LUO Wenmin. Stress-strain-strength characteristics and microstructure of geopolymer stabilized aeolian sand. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2025, 59(1): 177-186 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2025.01.017

风积沙广泛分布于沙漠地区，具有松散、无黏性、承载力低和稳定性差的工程特性. 改良处治风积沙是沙漠工程建设的必然要求，常用的风积沙改良处治的方法有级配改良和固化剂改良. 级配改良是通过掺入砂砾或黏粒，改善风积沙的物理力学性能[1-2]. 固化剂改良通过固化剂的物理化学反应生成胶结产物来改善固化土的力学性能，因成本低、效果好而被广泛采用. 巩桢翰等[2-8]对固化剂改良风积沙开展研究，探讨了固化风积沙的力学特性与路用性能. 冉武平等[7]通过无侧限抗压强度和回弹模量试验，研究石灰、水泥石灰和石灰粉煤灰固化风积沙的力学特性；Smaida等[8]开展了水泥、火山灰和石灰稳定风积沙的路用性能研究. 水泥等传统固化材料存在高耗能、低耐久和对环境影响大的问题[9]，寻找绿色、高效的固化材料是风积沙固化亟须解决的问题.

地聚合物（geopolymer）是新型的土壤固化材料，以富含硅铝质的天然矿物或工业固废为原料，在强碱激发下反应生成胶结物质. 地聚合物具有制备工艺简单、强度高、耐酸碱腐蚀、耐高温等优异特性[10]. 以固废为原料的地聚合物能耗低于水泥，碳排量低，被认为是水泥的理想替代品[9]. 地聚合物作为土壤固化剂日益受到研究者的关注[11-15]. 刘凤云等[11]对偏高岭土基地聚合物固化粉质黏土力学性质的研究结果表明，地聚合物固化素土的效果优于水泥. 王东星等[12]研究碱激发粉煤灰对淤泥土的固化效果，提出碱激发粉煤灰固化淤泥的全过程模型. 吴燕开等[13]探究了地聚合物与水泥固化土在海水环境下的强度及耐久性变化. 张津津等[15]采用地聚合物材料固化砂土，获得固化剂掺量、碱激发剂浓度对固化土强度的影响规律，并开展了固化土微观结构的定量研究.

改良风积沙的研究大都以传统固化剂（如水泥）为对象，利用地聚合物固化风积沙的研究鲜见. Bai等[16]将地聚合物固化风积沙作为路面结构层，研究了固化风积沙的单轴抗压强度、加州承载比、干缩等路用性能. 现有研究大多关注固化风积沙的单轴抗压强度、压实和水稳特性，关注抗剪强度的不多. 沙漠边缘区风积沙常含一定量细粒土，细粒的质量分数对风积沙的力学性能影响较大[2,17]，细粒的质量分数与地聚合物掺量对风积沙抗剪强度的影响有待研究. 本研究开展地聚合物固化含细粒风积沙的固结不排水三轴剪切试验，基于临界状态理论，分析固化风积沙峰值与残余强度的变化规律；结合微观试验，探讨地聚合物掺量和细粒的质量分数对固化风积沙抗剪强度的影响机制，以期为固化风积沙研究提供新的途径与理论基础.

1. 试验材料和方案设计

1.1. 试验材料

试验所用风积沙土样取自新疆S21阿乌高速公路某料场，细粒的质量分数约为10%~20%. 风积沙经清洗去除杂质后干燥，过0.075 mm圆孔筛后，分为水洗风积沙和细粒土2个部分，级配曲线如图1所示. 图中，P为小于某粒径土的质量百分数，d为土粒粒径. 水洗风积沙的粒径分布在0.075~0.250 mm，不均匀系数为1.84，曲率系数为0.85，属于级配不良土. 细粒土的液限为32.1%，塑限为18.8%，塑性指数为13.3. 在级配不良砂土中掺入细粒土，混合土的孔隙比会先减小后增大，且存在临界掺量（所掺细粒土与包含细粒土在内的砂土样品总质量之比）使土样达到最密实的状态，该临界掺量为20%~30%[18]. 为了研究细粒的质量分数对固化风积沙力学性能的影响，配制细粒的质量分数分别为20%和30%的风积沙土样.

图 1

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图 1   土样、前驱体颗粒级配曲线和风积沙与细粒土扫描电镜照片[19]

Fig.1   Grain-size curves for soils and precursors and SEM images of aeolian sand and fines[19]


采用粉煤灰、钢渣和水泥作为制备地聚合物的粉料，化学组分和各物质的质量分数如表1所示. 所用钢渣和粉煤灰属低钙系粉料，活性较低. 在低活性前驱体原料中掺入少量硅酸盐水泥可以提高反应活性[20]，故选择掺入少量水泥以提升地聚合物的性能. 根据前期试验，综合考虑反应速率和强度，将粉煤灰、钢渣、水泥和水按质量比4∶4∶2∶5混合，并加入浓度为10 mol/L的NaOH溶液（其中混合物和NaOH溶液的体积比为3∶1），搅拌均匀获得地聚合物材料. 根据Chen等[19]对地聚合物XRD的分析，地聚合物主要产物由石英、水化硅酸钙（C—S—H）和水化硅铝酸钙（C—A—S—H）构成，其中存在少量的氢氧化钙与钙矾石. 本研究参考《水泥土配合比规程 JGJ/T 233—2011》和《公路路面基层施工技术细则 JTG/TF20—2015》中无机结合料稳定类材料的配比，固化风积沙中的地聚合物掺量分别取为8%、10%和12%.

表 1   地聚合物前驱体的化学成分

Tab.1  Chemical composition of geopolymer precursors

前驱体wB/%
SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOK2OSO3Na2O其他
粉煤灰52.349.6224.485.001.912.270.460.783.14
钢渣31.2035.409.008.402.402.303.102.745.46
水泥19.403.326.8460.62.680.955.260.200.75

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1.2. 试样制备

为了研究固化风积沙的抗剪强度特性，制备不同细粒的质量分数（0、20%和30%）与地聚合物掺量（0、8%、10%和12%）的风积沙试样. 细粒的质量分数wf定义为细粒土质量与细粒土与风积沙总质量之比，地聚合物掺量wGP定义为地聚合物质量与细粒土与风积沙总质量之比. 开展击实试验，确定不同wf、wGP下风积沙的击实曲线，如图2所示，其中ρd为干密度，w为含水率（土中水的质量与土粒质量之比）. 随着细粒的质量分数增加，风积沙的最大干密度ρd,max增加，最优含水率（击实曲线中最大干密度对应的含水率）略微降低. 对于细粒的质量分数为0与20%的风积沙，最大干密度随地聚合物掺量的增加而提高；对于细粒的质量分数为30%的固化风积沙，最大干密度受地聚合物掺量的影响较小. 根据最优含水率取相应量的地聚合物和干沙混合后加水搅拌均匀，按重型击实要求分五层击实，制成直径39.1 mm、高80 mm的圆柱体，并用塑料膜密封于标准养生室（温度20 ± 2 ℃、湿度 > 95%）养护7 d.

图 2

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图 2   固化风积沙的击实曲线

Fig.2   Compaction curves of stabilized aeolian sand


1.3. 试验方案

依据《公路土工试验规程 JTG 3430—2020》开展不同wf、wGP下固化风积沙的固结不排水（consolidated undrained，CU）三轴压缩试验，研究wf、wGP对固化风积沙抗剪强度的影响，结合电镜扫描研究固化土的微观特征. 纯风积沙试样难以成形，试验全程将试样置于三轴仪上饱和. 先在三轴仪底座上包裹橡皮膜，并根据试样体积与最大干密度计算风积沙质量，再将称量的土样倒入橡皮膜，适当压实土样后并施加−20 kPa反压使试样成形. 三轴压力室安装后撤去反压并联通水头饱和器进行24 h的水头饱和，待纯沙被水充分浸润后，再施加反压使试样饱和. 固化试样先采用抽真空法饱和法进行初步饱和，将固化试样置于真空缸内并抽气2 h，再加入无气水浸没试样超过12 h. 待初步饱和结束后，将试样移至三轴仪底座并套上橡皮膜后，施加反压使试样饱和. 反压终值设为200 kPa，在加压过程中，保持反压与围压线性同速率增长，当试样孔隙水压力增量与围压增量之比大于0.95时，认为饱和成功[21]. 之后进行试样固结与剪切，围压分别设置为50、100和150 kPa，剪切速率为0.08 mm/min. CU三轴压缩试验方案如表2所示. 表中，tc为养护龄期，σ3为围压.

表 2   固结不排水三轴压缩试验的方案

Tab.2  Scheme of consolidated undrained triaxial compression test

wf/%wGP/%ρd,max/(g∙cm−3)tc/dσ3/kPa
001.72050，100，150
2001.96050，100，150
3002.07050，100，150
2081.97750，100，150
20101.98750，100，150
20122.00750，100，150
3082.08750，100，150
30102.07750，100，150
30122.06750，100，150

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2. 试验结果分析与讨论

2.1. 细粒的质量分数对风积沙剪切特性的影响

如图3所示为不同围压下含细粒风积沙试样的CU三轴压缩试验曲线与破坏形式. 图中，q为偏应力，ε为轴向应变. 纯风积沙应力-应变曲线的峰值明显，软化性显著，为典型的应变软化曲线；含细粒风积沙的应力-应变曲线体现的软化性稍弱. 随着细粒的质量分数增加，曲线的软化性减弱. 在不同围压条件下，含细粒风积沙的峰值偏应力qps均低于纯风积沙的峰值偏应力. 残余偏应力qrs为ε = 20%时的偏应力. 当围压为50 kPa时，纯风积沙和含细粒风积沙的残余偏应力差别不明显；当围压分别为100 、150 kPa时，纯风积沙残余偏应力高于含细粒风积沙. 对比破坏形态可知，在较低围压下试样为单一局部剪切破坏，较高围压下试样表现出多层平行及交叉等多剪切面破坏形式. 由图可知，在轴向应变超过15%并达到20%过程中，试样的偏应力变化趋于稳定. 当土体发生大变形破坏，偏应力保持不变并持续发展时，土体结构性被完全破坏，到达临界状态. 规定当试样ε = 20%时为其临界状态[22]. 残余平均有效正应力p'rs为ε = 20%时的有效正应力. 通过分析qrs、p'rs、孔隙比e、σ3、wf、wGP的关系，得到wf、wGP对风积沙临界状态抗剪强度的影响规律.

图 3

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图 3   不同围压下含细粒风积沙的应力-应变曲线

Fig.3   Stress-strain curves of aeolian sand with fines under different confining pressures


砂土临界状态线的表达式[23]为

$ e = {e_0} - \alpha {\left( {{{{p^\prime_{{\text{rs}}}}/{p_{\mathrm{a}} }}}} \right)^\xi }. $

式中：e0为初始临界孔隙比，α为压缩系数，pa为大气压强（取pa=100 kPa），ξ为材料参数（砂土取$\xi=0.7 $）. 式（1）适用于多数固化砂土[24]. 由式（1）绘制不同wf的风积沙临界状态线，如图4所示. 可以看出，各临界状态线斜率大致相同，但截距不同，临界状态线随wf增加而下移. 该现象说明，风积沙中的粉黏粒起填充孔隙的作用，土体因此变得更加密实，土体的临界孔隙比降低. 蔡正银等[25]发现不同密实度下珊瑚砂的临界状态线的斜率大致相同，截距存在差异. 这与本试验现象一致.

图 4

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图 4   含细粒风积沙的临界状态线

Fig.4   Critical state lines of aeolian sand with fines


如图5所示为不同wf的风积沙残余偏应力与残余平均有效正应力的关系. 将试样的qrs与p'rs拟合，得到

图 5

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图 5   含细粒风积沙的残余偏应力与残余平均有效正应力关系

Fig.5   Relationship between residual deviatoric stress and residual average effective stress of aeolian sand with fines


$ {q_{{\text{rs}}}} = N \cdot p_{{\text{rs}}}^\prime +Q. $

式中：N为土体的内摩阻力，Q为土体的黏结强度. 纯风积沙拟合直线的Q = 0，通过原点，印证了风积沙无黏聚力的特点[26]. 随着wf增加，Q逐渐增大，N明显降低. 说明掺入细粒土对风积沙黏聚力与内摩擦角有影响，其中黏土的黏结作用提高了风积沙的黏聚力，黏土的填充作用削弱了大颗粒间的嵌固、咬合作用，导致内摩擦角下降. 李晓芳[26]通过不固结不排水三轴试验研究含泥量对风积沙抗剪特性的影响，得到了类似的结果.

2.2. 地聚合物掺量对固化风积沙剪切强度的影响

不同围压和地聚合物掺量条件下固化含细粒风积沙的应力-应变曲线与破坏形式如图6所示. 在相同围压下，固化风积沙的峰值偏应力随地聚合物掺量的升高而增大. 掺入的地聚合物使固化土应力-应变曲线的软化趋势显著增强，峰值偏应力与残余偏应力的差值随地聚合物掺量的增加而增大. 固化土的峰值偏应力随着围压的增大而增大. 当地聚合物掺量与围压一定时，wf = 20%的固化土峰值偏应力均低于wf = 30%的固化土峰值偏应力. 由试样的破坏形式可知，地聚合物固化风积沙在CU三轴压缩试验中表现出明显的脆性破坏特点.

图 6

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图 6   不同围压下含细粒地聚合物固化风积沙的应力-应变曲线

Fig.6   Stress-strain curves of geopolymer stabilized aeolian sand with fines under different confining pressures


不同wf的地聚合物固化风积沙的临界状态线如图7所示. 当wf一定时，各临界状态线大致互相平行. 由图7（a）可知，wf = 20%的固化风积沙的临界状态线均位于未固化土的临界状态线下方，且随着地聚合物掺量的增加而逐渐下移，说明当wf = 20%时，地聚合物可作为细粒材料，起填充孔隙、提高土体密实度的作用. 由图7（b）可知，wf = 30%的固化风积沙的临界状态线均位于未固化土的临界状态线上方，且随着地聚合物掺量的增加而逐渐上移，表明wf = 30%已达到风积沙-细粒土的临界细粒质量分数，土体的孔隙比达到较低值，进一步增加细粒的质量分数反而会增大土体的孔隙比[18]. Yang等[27]发现临界细粒的质量分数与土样的颗粒级配有关，随着粉粒的质量分数增加，临界状态线先下降后上升，30%为临界值，与本研究所得结果一致.

图 7

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图 7   地聚合物固化风积沙的临界状态线

Fig.7   Critical state lines of geopolymer stabilized aeolian sand


如图8所示为地聚合物固化含细粒风积沙残余偏应力与残余平均有效正应力的关系. 由图可知，地聚合物掺量对拟合直线的斜率影响很小，wf = 20%的斜率为1.29~1.32，wf = 30%的斜率为1.20~1.23. qrs与p'rs拟合直线的截距均随着细粒的质量分数和地聚合物掺量的增加而增大. 在相同细粒的质量分数下，不同地聚合物掺量固化土的qrs与p'rs拟合直线接近平行，地聚合物掺量越大截距越大. 这说明地聚合物产生的胶结作用对风积沙抗剪特性的改善主要体现在黏聚力的提升，对内摩擦角变化的影响较小. Xiao等[28]开展聚氨酯泡沫胶黏剂改良砾石三轴试验研究，发现掺入固化剂可有效增大改良土临界状态线的截距，但对斜率影响不大. 这与本研究观测到的现象一致. 结合图7和图8的结果可知，地聚合物的固化效果一部分源于填充作用导致的密实度提升，一部分源于胶结作用导致的黏聚力提升.

图 8

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图 8   地聚合物固化风积沙的残余偏应力与残余平均有效正应力关系

Fig.8   Relationship between residual deviatoric stress and residual average effective stress of geopolymer stabilized aeolian sand


临界状态下，含细粒地聚合物固化风积沙的qrs、p'rs、残余应力比ƞrs（ƞrs=qrs/p'rs）随围压和地聚合物掺量的关系如图9所示. 对比图9（a）与图9（d）可知，2种wf下固化土的残余偏应力都高于素土的残余偏应力，且残余偏应力都随地聚合物掺量与围压的增加而增大，当围压与地聚合物掺量一定时，固化土的残余偏应力值随细粒的质量分数增加而增大. 对比图9（b）与图9（e）可知，随地聚合物掺量与围压的增加，固化土的残余平均有效正应力显著增大，并与残余偏应力增长情况相同. 对比图9（c）与图9（f）可知，固化土的残余应力比随地聚合物掺量的增加而增加，但围压越大残余应力比越低.

图 9

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图 9   含细粒地聚合物固化风积沙临界状态下的抗剪强度特性

Fig.9   Shear strength properties of geopolymer stabilized stabilized aeolian sand with fines at critical state


绘制残余偏应力与残余平均有效正应力的关系式中的截距（黏结强度Q）随地聚合物掺量的变化如图10所示，两者存在指数函数关系：

图 10

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图 10   地聚合物固化风积沙黏结强度随地聚合物掺量的变化

Fig.10   Variation of bonding strength with geopolymer content for geopolymer stabilized aeolian sand


$ Q = \left\{ \begin{gathered} {\text{14}}{\text{.5}} \exp {\text{(28}} {w_{{\text{GP}}}}{\text{)}}+{\text{68}}{\text{.77, }}\;\;{w_{\text{f}}}{\text{ = 20\% }}; \\ {\text{21}}{\text{.5}} \exp {\text{(28}} {w_{{\text{GP}}}}{\text{)}}+{\text{130}}{\text{.72}}{\text{, }}{w_{\text{f}}}{\text{ = 30\% }}. \\ \end{gathered} \right. $

将式（3）代入式（2），得到地聚合物固化风积沙残余强度的预测式：

$ q_{{\text{rs}}}^{} = \left\{ \begin{gathered} {\text{[14}}{\text{.5}} \exp {\text{(28}} {w_{{\text{GP}}}}{\text{)}}+{\text{68}}{\text{.77]}}+N \cdot p{'}_{ {\mathrm{rs}}}{\text{, }}{w_{\text{f}}}{\text{ = 20\% }}; \\ {\text{[21}}{\text{.5}} \exp {\text{(28}} {w_{{\text{GP}}}}{\text{)}}+{\text{130}}{\text{.72]+}}N \cdot p{'}_{ {\mathrm{rs}}}{\text{, }}{w_{\text{f}}}{\text{ = 30\% }}. \\ \end{gathered} \right. $

采用式（4）拟合数据得到相应的预测曲面，如图11所示. 由此可知，当地聚合物掺量一定时，wf = 30%固化土的黏结强度大于wf = 20%的固化土的黏结强度，且黏结强度的增长速率随wGP的增加而增加. 原因是细粒的质量分数越高，细粒填充作用越强，颗粒间的接触越多，地聚合物胶结面积越大.

图 11

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图 11   固化含细风积沙残余偏应力随地聚合物掺量及残余平均有效正应力的变化

Fig.11   Variation of residual deviatoric stress with geopolymer content and residual average effective stress for stabilized aeolian sand with fines


3. 微观特征分析

如图12所示为不同细粒的质量分数和地聚合物掺量条件下固化风积沙的电镜扫描图. 土颗粒表面附着白色絮状的胶结物（C—S—H与C—A—S—H）及未反应的圆球状粉煤灰颗粒与柱状的钙钒石[12]. 由图可知，在wf=20%、30%的情况下，随着地聚合物掺量的增加，样品表面的孔隙数量减少，土体密实度提高，更多的水化产物生成团聚体、包裹住风积沙. 在相同地聚合物掺量下，wf = 30%固化土试样相比wf = 20%固化土试样具有更小的孔隙数量和孔隙面积，且风积沙颗粒之间填充的细粒土更多，颗粒间接触紧密，土体的致密性更高. 当地聚合物掺量到达10%时，wf = 30%固化土的风积沙颗粒之间已无大孔隙，土骨架已被填满，图12（e）与图12（f）无明显差别，即在wf = 30%的风积沙中掺入地聚合物对固化土的孔隙比影响较小，这与地聚合物固化土临界孔隙比的分析结果一致. 在wf=0的情况下，即使地聚合物掺量增加，试样密实度仍处于较低的水平，大孔隙较多，固化提升效果有限. 上述结果表明，细粒的质量分数和地聚合物掺量对固化风积沙抗剪强度的影响机理不同，两者存在耦合效应. 细粒填充了大量孔隙，使得风积沙颗粒间由点-点接触或点-面接触变成面-面接触，土体结构变得致密. 地聚合物除了发挥填充作用，还能将土颗粒胶结起来，进而提升固化风积沙的黏结强度. 细粒的质量分数较高的土样具有更致密的结构，为地聚合物水化产物提供了更多的可胶结面积[29]，提升了胶结物的分布密度，辅助改善了固化土的强度特性，故相同地聚合物掺量下的固化风积沙的剪切强度随细粒的质量分数增加而提高.

图 12

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图 12   地聚合固化风积沙的扫描电镜图

Fig.12   SEM images of geopolymer stabilized aeolian sand


4. 结　论

（1）在最大干密度下，纯风积沙试样在不排水剪切过程中表现出典型的软化特性，随细粒的质量分数增加，试样的应力-应变曲线表现为弱软化型. 不同细粒的质量分数风积沙的临界状态线互相平行，但截距不同，且随着细粒的质量分数从0增加到30%，风积沙临界状态线逐渐下移. 掺入的细粒土降低了风积沙的临界孔隙比，略微减小了内摩擦角，但显著增加了黏聚强度.

（2）掺入的地聚合物能够有效提高风积沙的抗剪强度. 固化风积沙的峰值与残余偏应力都随着地聚合物掺量的增加而增大，固化风积沙在剪切过程中表现出显著的脆性破坏特点. 地聚合物产生的胶结作用能显著提高固化土的黏聚力，但对内摩擦角影响较小.

（3）细粒的质量分数对固化风积沙的临界状态线影响显著. 当细粒的质量分数一定时，固化风积沙的临界状态线大致互相平行，但截距不同. 细粒的质量分数为20%的固化风积沙临界状态线均位于未固化土临界状态线的下方，且随着地聚合物掺量的升高而逐渐下移，细粒的质量分数为30%的固化风积沙临界状态线均位于未固化土临界状态线的上方，且随着地聚合物掺量的增加而逐渐上移.

（4）掺入的细粒能有效填充风积沙颗粒间的大孔隙，并增大颗粒间的接触面积，为地聚合物水化产物提供更多的可胶结面，对固化风积沙抗剪强度的改善起辅助作用. 地聚合水化产物胶结和填充作用使固化风积沙的微观结构更致密，是固化风积沙抗剪强度提高的主要因素. 因此，风积沙的抗剪强度随细粒的质量分数与地聚合物掺量的增加而显著增大.

本研究针对静载条件下地聚合物固化风积沙的强度特性和微观结构开展研究，不涉及实际工程中的车辆荷载等动载作用，下一步将采用动态加载系统开展室内试验或模型试验，研究地聚合物固化风积沙的动力特性.

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