浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2025, 59(12): 2627-2634 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2025.12.017

交通工程、土木工程

地聚物浆体自重入渗胶结碎石的力学性能

杨祖强,, 国振,, 刘恒宇, 董常瑞, 吕蓓凤

浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058

Mechanical properties of geopolymer slurry-cemented crushed stones by self-gravity infiltration

YANG Zuqiang,, GUO Zhen,, LIU Hengyu, DONG Changrui, LV Beifeng

College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

通讯作者: 国振，男，教授. orcid.org/0000-0002-1869-8625. E-mail：nehzoug@163.com

收稿日期: 2024-12-8  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目（52401344）；博士后基金资助项目（GZC20241516）.

Received: 2024-12-8  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目（52401344）；博士后基金资助项目（GZC20241516）.

作者简介 About authors

杨祖强（2000—），男，硕士生，从事地聚物胶结碎石研究.orcid.org/0009-0001-7378-0314.E-mail：22212021@zju.edu.cn , E-mail：22212021@zju.edu.cn

摘要

公路受灾损毁后的快速抢通是保障灾后救援顺利进行的关键环节，针对这一需求，本研究提出地聚物浆体自重入渗胶结碎石的新型快速修复方式，通过开展室内试验研究地聚物浆体在自重作用下入渗胶结碎石的过程，并对试样的胶结率、单轴抗压强度进行测试. 在此基础上，分析碎石粒径、孔隙比以及胶结基质流变特性对胶结率的影响规律，并探讨试样的力学性能发展特征. 引入无量纲常数对试样的可渗度进行表征并进一步提出综合考虑上述影响因素的胶结率预测公式. 研究结果表明：试样的胶结率受碎石粒径、孔隙比和胶结基质流变特性影响显著；随着胶结率的提高，试样单轴抗压强度随之提高，试样3 h抗压强度最高达到6.72 MPa，6 h抗压强度最高达到12.44 MPa；试样破坏模式由剪切破坏逐渐转变为劈裂破坏，胶结基质在碎石空隙中的分布类型主要包括接触胶结、非接触胶结和堵塞.

关键词： 胶结颗粒材料 ; 快速加固 ; 地聚物 ; 胶结率 ; 力学特性 ; 破坏模式

Abstract

The rapid repair of disaster-damaged highways is crucial for post-disaster rescue operations. To address this need, a novel rapid repair method using geopolymer slurry to infiltrate and cement crushed stone under self-gravity was introduced. Laboratory tests were used to investigate this process, measuring the specimens’ cementation rate and uniaxial compressive strength. On this basis, the influence of crushed stone particle size, void ratio, and the rheological properties of the cemented matrix on the cementation rate was analyzed, and the development characteristics of the mechanical properties of the specimens were discussed. A dimensionless constant was introduced to characterize the permeability of the specimens, and a predictive formula for the cementation rate that comprehensively considered the above influencing factors was further proposed. The research results indicated that the cementation rate of the specimens was significantly affected by the crushed stone particle size, void ratio, and rheological properties of the cemented matrix. Uniaxial compressive strength was increased with the increase of the cementation rates, reaching up to 6.72 MPa at 3 hours and 12.44 MPa at 6 hours. Failure modes transitioned from shear to splitting, with cemented matrix distribution types being contact cementation, non-contact cementation, and clogging.

Keywords： cemented granular material ; rapid reinforcement ; geopolymer ; cementation rate ; mechanical properties ; failure mode

PDF (1570KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

杨祖强, 国振, 刘恒宇, 董常瑞, 吕蓓凤. 地聚物浆体自重入渗胶结碎石的力学性能. 浙江大学学报(工学版)[J], 2025, 59(12): 2627-2634 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2025.12.017

YANG Zuqiang, GUO Zhen, LIU Hengyu, DONG Changrui, LV Beifeng. Mechanical properties of geopolymer slurry-cemented crushed stones by self-gravity infiltration. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2025, 59(12): 2627-2634 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2025.12.017

地震、泥石流、洪水等自然灾害会损毁主要交通道路，直接影响灾区群众疏散和救援，也阻碍电力、油气和通信等生命线工程灾后修复[1]. 因此，公路灾后快速抢通意义重大. 受灾害影响，公路抢通空间狭小，物资运输不便，大型设备难以快速进场. 然而，传统的碾压[2-4]、夯实[5-7]、注浆[8-12]及铺设水泥稳定碎石[13-15]等加固处理方式对机械设备要求高、加固时间长，并不适用于公路灾后抢通.

自重入渗加固技术依靠高流态胶凝材料在自重作用下流经颗粒间空隙，沉积于颗粒接触点附近，实现颗粒胶结强化. 该技术形成的胶结颗粒材料主要包括散粒体、胶结基质和粒间空隙，常见的胶结颗粒材料包括混凝土[16-17]、砂岩[18-20]、和生物胶结砂[21-26]等. Delenne等[27]开展了胶结颗粒材料的单轴压缩试验，发现强度依赖于基质体积分数和颗粒与基质的界面黏结强度. Wang等[28]对胶结颗粒材料强度与基质体积分数的数学关系进行了理论推导，并进行了室内试验验证. Qin等[29]使用X-ray微观层析成像技术对胶结颗粒材料的微观结构进行探测，结果表明胶结基质截面积的分布服从对数正态分布，胶结基质的流动性对胶结颗粒材料的微观结构影响显著. He等[30]基于双球试验结果提出自密实砂浆胶结双颗粒的单轴本构模型，并通过有限元模拟胶结颗粒试样单轴压缩过程，结果表明所建立的本构模型能够模拟胶结颗粒试样的变形破坏行为.

目前针对胶结颗粒材料的研究主要以水泥基材料作为胶结基质，多使用球形颗粒[28-32]. 但是，普通硅酸盐水泥的早期强度弱，凝结时间长，同时球形颗粒与真实碎石不规则颗粒形态不符. 因此，本研究针对公路灾后抢通场景，研发具有优异早强速凝高流动特性的地聚物胶凝材料，并开展自重入渗胶结碎石试验，考虑胶结基质的液固比和碎石颗粒的孔隙比以及粒径，研究胶结率的影响因素、胶结基质的空间分布，分析试样力学特性和破坏模式，预期可为公路灾后快速抢通提供技术支撑.

1. 试验材料和方法

1.1. 原材料

为了研究颗粒粒径对胶结碎石试样的影响，选取3组粒径碎石，分别为5~10、10~15、15~20 mm，如图1所示. 使用仪昕MDJ-600G电子密度仪测定碎石的密度为2.73 g/cm3. 参考ASTM-C192(https://store.astm.org/c0192_c0192m-19.html)制作高径比为2的圆柱形胶结碎石颗粒试样，同时该规范要求试样最大颗粒直径d与试样尺寸D的比值d/D>3，本研究选取试样直径为100 mm，高度为200 mm，d/D=5，满足规范要求.

图 1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 1   试验所用3组粒径碎石

Fig.1   Three groups of gravel with different particle sizes used in test


采用地聚物胶凝材料作为胶结基质，地聚物前驱体包括粒化高炉矿渣、Ⅰ级低钙粉煤灰、硅灰，如图2所示.

图 2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 2   地聚物前驱体

Fig.2   Geopolymer precursor


使用X射线荧光（XRF）对前驱体的化学成分进行测定，结果见表1.

表 1   前驱体化学组成成分

Tab.1  Chemical composition of precursor

前驱体wB/%
SiO2Al2O3CaOMgOK2OFe2O3Na2OSO3其他
粒化高炉矿渣28.0015.0043.008.000.500.300.402.002.80
硅灰99.000.300.03—0.030.02—0.010.61
粉煤灰47.0037.004.000.601.005.000.502.002.90

新窗口打开| 下载CSV


如图3所示为使用英国生产的Mastersizer 2000激光粒度分析仪检测3种前驱体的粒度分布情况. 其中， P为某粒径土的质量百分数，d为粒径.

图 3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 3   粒化高炉矿渣、粉煤灰、硅灰的粒度分布

Fig.3   Particle size distribution of granulated blast furnace slag, fly ash and silica fume


在前期试验的基础上，选定前驱体的配比为粒化高炉矿渣∶粉煤灰∶硅灰为10∶1∶1. 使用的碱激发剂为氢氧化钠与水玻璃的混合物，其中氢氧化钠为国药化学试剂有限公司所产的纯度(氢氧化钠质量分数)高于96%的白色片状物质，水玻璃的主要成分为SiO2和Na2O，具体参数见表2. 其中，M为模数，w(Na2O)、w(SiO2)、ws分别为NaO2、SiO2、固体的质量分数. 配制的碱激发剂模数M为1.3.

表 2   水玻璃参数

Tab.2  Water glass parameters

状态M波美度w(Na2O)w(SiO2)wspH值
液体2.35013.53043.510~13

新窗口打开| 下载CSV


为了更好地研究胶结基质对胶结碎石颗粒试样的影响，制备了3种液固比(LS)的胶结基质，从而得到具有较宽流动度范围的胶结基质. 根据GB/T 1346—2024《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(https://openstd.samr.gov.cn/bzgk/std/newGbInfo?hcno=67837B5421FD881759FAC6D2C89C7C91)测定胶结基质的初凝时间Si和终凝时间Sf，取凝结时间试样，使用仪昕MDJ-600G电子密度仪测定其密度ρ. 使用thermofisher流变仪对胶结基质进行触变环测试，并使用H-B模型对流变曲线进行拟合得到其流变参数. 参考GB/T 8077—2023《混凝土外加剂匀质性试验方法》(https://openstd.samr.gov.cn/bzgk/std/newGbInfo?hcno=37EDC5C3DCF617750493829F63FB4A88)测试胶结基质的流动度FV. 参考ASTM-C109，制作50 mm×50 mm×50 mm的胶结基质强度试样，分别养护3、6 h后进行单轴压缩测试. 胶结基质的力学特性如图4所示. 其中，UCS为抗压强度，E为弹性模量，工作性能如表3所示. 其中，τ0为屈服应力，K为稠度系数，n为幂律指数. 性能测试均在25 ℃、60%的环境湿度条件下完成.

图 4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 4   胶结基质力学特性

Fig.4   Mechanical properties of cemented matrix


表 3   地聚物胶结基质的工作性能

Tab.3  Performance of geopolymer-cemented matrix

组别LSρ/(g·cm−3)Si/minSf/minFV/mmτ0/PaK/(Pa·sn)n
GP-550.551.987182220260.083.801.27
GP-600.601.956192320838.433.301.17
GP-650.651.938202521329.592.591.13

新窗口打开| 下载CSV


1.2. 胶结碎石试样的制备

为了制备胶结碎石颗粒试样，自制了底部开孔的底盘和高度为300 mm、直径为100 mm的亚克力对开模，如图5所示，通过螺丝钉将模具拼接成一个整体.

图 5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 5   胶结碎石试模

Fig.5   Test mould for cemented crushed stones


胶结碎石颗粒试样的制备包括4个主要步骤：1)为了便于试样脱模，在亚克力对开模侧壁和底盘上涂上少许润滑油；2)使用落雨法随机将碎石颗粒填充到模具中模拟碎石的自然堆积状态，测得孔隙比e=1.00，对于紧密堆积试样，使用振动台进行制备，测得孔隙比e=0.75，并对试样顶部的碎石进行整平；3)从试样顶部倒入胶结基质，体积为1倍试样孔隙体积，胶结基质在自重作用下流过颗粒间隙并黏附在颗粒上；4)到达试样底部的地聚物浆体从开孔底盘流出. 该过程如图6所示. 为了避免试样由于顶部不平整而在荷载作用下出现应力集中的现象，影响试验结果，须在试样制备完成后使用地聚物浆体对样品顶部进行抹平.

图 6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 6   地聚物自重入渗试验过程

Fig.6   Test process of geopolymer self-gravity infiltration


1.3. 试验方案

根据碎石颗粒的粒径、孔隙比以及胶结基质液固比设计18组试验，具体试验方案见表4. 其中，e为试样孔隙比，PS为碎石粒径，每组试验样品制备6个，其中3个试样养护3 h，另外3个试样养护6 h，分别测定试样的胶结率和力学性能.

表 4   地聚物自重入渗胶结碎石试验方案

Tab.4  Test scheme of geopolymer-cemented crushed stones by self-gravity infiltration

组别ePS/mmLS
1） 注：组别编号中的N和D分别代表试样孔隙比为1.00和0.75，C、M和F分别代表粒径为15~20、10~15和5~10 mm.
NC-551)1.0015~200.55
NC-600.60
NC-650.65
NM-5510~150.55
NM-600.60
NM-650.65
NF-555~100.55
NF-600.60
NF-650.65
DC-550.750.55
DC-6015~200.60
DC-650.65
DM-550.55
DM-6010~150.60
DM-650.65
DF-550.55
DF-605~100.60
DF-650.65

新窗口打开| 下载CSV


1.4. 试验方法

1.4.1. 胶结率

胶结率ω表达式如下：

$ \omega = {{{V_{\text{c}}}}}/{V}. $

式中：Vc为胶结碎石试样中的胶结基质体积，V为试样体积.

如图6所示，在倒入胶结基质前，称量模具和碎石总重量m1，当地聚物浆液停止流动时，测量模具总重量记为m2，用m2减去m1，得到黏附沉积在试样中的胶结基质的重量m3，以浆液停止流动5 min后为流动结束. 因此，Vc可以由m3和胶结基质密度ρ得到.

1.4.2. 胶结碎石颗粒力学性能

对试样进行单轴压缩测试的伺服液压试验机为上海百若试验仪器有限公司生产的WAW-300微机控制电液伺服万能试验机，所有压缩试验均在加载速率为每分钟1%应变率的条件下进行，在每次试验中先对试样进行预加载至加载力达到0.5 kN，以保证试样与上部位置良好接触，然后进行正式加载至试样破坏.

2. 试验结果与分析

2.1. 试样胶结率

如表5所示给出了每组试样的胶结率，可以发现，胶结基质的流动度与屈服应力成反比，试样胶结率受碎石粒径、孔隙比和胶结基质的液固比影响较大. 对于孔隙比为0.75，粒径为10~15 mm的试样，当胶结基质屈服应力超过38.43 Pa时，胶结基质在自重作用下无法到达试样底部，呈现出不可完全入渗的状态；对于孔隙比为1.0，粒径为5~10 mm的试样，当胶结基质的屈服应力大于29.59 Pa时，试样同样不可入渗. 总体来说，随着颗粒粒径和液固比的降低，试样孔隙比降低，胶结率也随之提高.

表 5   地聚物胶结碎石试样胶结率

Tab.5  Cementation rate of geopolymer-cemented crushed stone samples

组别FV/mmτ0/Paω/%
注：1）胶结率为试样的平均胶结率，括号中的数值为平均差；2）“—”代表浆液无法完全入渗
NC-5520260.0819.0(1.4)1）
NC-6020838.439.1(0.2)
NC-6521329.596.7(0.4)
NM-5520260.0845.1(0.8)
NM-6020838.4319.2(0.8)
NM-6521329.5910.8(0.5)
NF-5520260.08—2）
NF-6020838.43—
NF-6521329.5930.0(1.6)
DC-5520260.0830.8(1.6)
DC-6020838.4313.5(0.7)
DC-6521329.597.5(0.2)
DM-5520260.08—
DM-6020838.4329.3(0.9)
DM-6521329.5915.9(1.3)
DF-5520260.08—
DF-6020838.43—
DF-6521329.59—

新窗口打开| 下载CSV


粒径和孔隙比对胶结率的影响主要是由于改变了碎石颗粒间孔隙大小. 为了量化颗粒间平均孔隙尺寸，可通过如下公式计算[33-34]：

$ {r_{\text{h}}} = {{{V_{\text{p}}}}}/{{{S_{\text{p}}}}} .$

式中：rh为平均孔隙尺寸；Vp为试样孔隙体积；Sp为碎石颗粒总表面积，Sp=NaggAagg，Nagg为试样碎石数量，Aagg为碎石表面积. 孔隙比的降低导致Vp降低，而当碎石粒径减小时，浆体与碎石的接触面积增加，Sp随之增加，导致rh降低. 同时，从表5可以看出，随着液固比的降低，胶结基质的屈服应力增加，导致浆液与碎石颗粒之间的黏附能力增加，因此浆液在流经颗粒表面时会有更多胶结基质沉积下来，从而导致胶结率的增加.

通过上述分析，发现试样胶结率与碎石粒径成反比，与胶结基质的屈服应力成正比. 为了更直观表征试样的胶结率与两者的关系，通过引入无量纲常数N来表征试样可渗度，从而建立胶结率的预测公式. 试样可渗度参数N用以描述胶结基质在试样中的渗入能力，N越大，胶结基质在碎石中的流动速度越快，试样胶结率越低. N的表达式如下：

$ N = {{\rho g\bar de}}/{{{\tau _0}}} \;.$

式中：g为重力加速度；$\bar d$为碎石平均粒径，对于5~10、10~15、15~20 mm的碎石，平均粒径分别取7.5、12.5、17.5 mm.

如图7所示给出了试样胶结率与可渗度参数N的关系，可以看出试样胶结率与可渗度存在非线性下降的关系，胶结率随着可渗度的增加表现出先快速下降后缓慢下降的特点.

图 7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 7   地聚物胶结碎石试样的胶结率与可渗度的关系

Fig.7   Relationship between cementation rate and permeability of geopolymer-cemented crushed stone samples


如图7所示，可通过计算试样可渗度参数N来预测胶结率，拟合公式如下：

$ \omega = 749{N^{ - 2.1}}. $

试样胶结率会影响胶结基质分布. 如图8所示，在低胶结率时，胶结基质的分布主要有接触胶结和非接触胶结. 接触胶结指的是胶结基质在颗粒接触部位沉积胶结，非接触胶结指的是胶结基质胶结的颗粒间没有紧密接触，2种胶结模式共同作用，从而将颗粒黏结成整体. 随着胶结率的增加，试样中的胶结基质开始沉积在颗粒间的孔隙处，出现孔隙堵塞与底部沉积现象，产生胶结沉积区，增大了试样的异质性. 随着胶结率进一步增加，堵塞现象开始均匀出现在试样中，试样的均匀性反而提高，试样外观与混凝土试样类似，十分密实.

图 8

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 8   不同胶结率下地聚物胶结碎石试样胶结基质分布形貌

Fig.8   Distribution morphology of geopolymer-cemented matrix in cemented crushed stone samples with different cementation rates


2.2. 胶结碎石颗粒试样的破坏模式

试样养护3 h的应力应变曲线如图9所示. 其中，ε为应变，σ为应力. 在加载开始阶段，试样表现出明显压密现象，体现为加载曲线呈现非线性凹形增长趋势，这一现象在许多单轴压缩曲线中都可以看到[35-37]；之后曲线表现出线性增加的趋势直至达到峰值，此时试样发生弹性变形，同时逐渐产生微小裂缝并逐渐扩展，当到达峰值时，出现贯通的破坏面；在峰后阶段，不同胶结率试样呈现不同的力学响应，低胶结率试样在峰后阶段出现一定的延性，即应力不随应变快速下降，而高胶结率试样表现出明细的脆性. 对试样峰后阶段进行分析，大部分试样的破坏裂缝从试样顶部开始发育，对于低胶结率的试样，破坏模式主要以剪切破坏为主，裂缝角度（裂缝与水平面的夹角）约为45°，破坏时试样不发生鼓胀现象，随着胶结率的增加，裂缝角度逐渐增加至接近与水平面垂直，破坏模式从剪切破坏转变为拉伸破坏，试样出现从上到下的贯通裂缝，破坏时伴随鼓胀现象.

图 9

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 9   地聚物胶结碎石试样应力应变曲线及破坏形态

Fig.9   Stress-strain curves and failure patterns of geopolymer-cemented crushed stone samples


地聚物胶结碎石试样应力应变曲线及破坏形态随胶结率的变化如图9所示. 可以看出，对于胶结率为30.5%的试样，破坏裂缝集中出现在胶结率相对较低的薄弱部分，这也解释了为什么胶结率的增加对于强度的增加并不明显，因为增加的胶结基质主要沉积于底部，对薄弱区的强度增加没有明显贡献，而薄弱区的强度决定了试样的整体强度.

2.3. 胶结碎石试样抗压强度

每组试样的抗压强度如图10所示. 可以看出，胶结基质的液固比和养护时间对试样的抗压强度有显著影响，原因在于胶结基质的强度会影响胶结碎石试样整体强度，而液固比的降低和养护时间的增加会提高胶结基质的抗压强度. 同时，当试样孔隙比降低时，试样的抗压强度有显著提高，一方面这是由于低孔隙比试样的胶结率高于相同条件下的高孔隙比试样，并且孔隙比的降低增加了试样中的配位数，颗粒之间相互嵌挤形成更加密实合理的承力体系，从而显著提高试样的抗压强度.

图 10

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 10   地聚物胶结碎石试样抗压强度

Fig.10   Compressive strength of geopolymer-cemented crushed stone samples


在3 h养护龄期下，试样抗压强度最高达到6.72 MPa，平均强度为1.69 MPa，在6 h养护龄期下，试样抗压强度最高达到12.44 MPa，平均强度为3.01 MPa，这表明该方法制备的试样具有良好的短期强度，同时该方法较传统加固方法具有工艺简单、易于施工、节省用料的优点，表明研发的地聚物材料和使用的自重入渗工艺能够在公路基层快速修复中发挥关键作用.

参考JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》(https://xxgk.mot.gov.cn/2020/jigou/glj/202006/t20200623_3312274.html)，对于二级及以下公路中、轻交通所用水泥稳定碎石的7 d单轴抗压强度的规定强度为2.5~3.5 MPa，建议使用本试验中的NM55、DC55和DM60，养护时间为3 h；对一级公路重交通所用水泥稳定碎石的7 d单轴抗压强度的规定强度为4.0~6.0 MPa，建议使用本试验中的NM55、DC55和DM60，养护时间为6 h.

试样3 h单轴抗压强度与胶结率的关系如图11所示，不同养护龄期试样单轴抗压强度变化趋势相同. 总的来说，抗压强度随胶结率的增加而增加.

图 11

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 11   地聚物胶结碎石试样抗压强度与胶结率的关系

Fig.11   Relationship between compressive strength of geopolymer-cemented crushed stone samples and cementation rate


从图8(a)、(b)可以看出，当胶结率较低时，胶结基质在试样中分布均匀，胶结基质沉积在碎石颗粒之间，将其胶结成一个整体，随着胶结率的提高，颗粒间沉积的浆体数量随之增加，试样强度提高，继续增加胶结率，试样中的胶结基质开始沉积在试样底部，对试样的破坏形态进行观察发现试样的破坏裂缝集中在试样上部胶结率相对较低的薄弱部位，试样中胶结基质的不均匀性造成了抗压强度增加速率变缓的现象. 随着胶结率继续增加，试样如图8(d)所示，胶结基质均匀填充试样的孔隙，形成类似“混凝土”的均质材料，由于试样的孔隙被填充，材料性质由胶结体向充填体发生转变，碎石与基质之间的荷载传递更加均匀，试样的抗压强度显著增加.

3. 结　论

针对公路损毁后快速抢通需求，使用地聚物净浆作为胶结基质，使用自重入渗工艺制备不同孔隙比、不同粒径的胶结碎石试样，研究试样胶结率及力学特性，分析胶结基质分布规律和破坏模式，结论如下.

(1)试样胶结率受碎石粒径、孔隙比和胶结基质的屈服应力影响显著，引入无量纲常数可渗度N，用于描述胶结基质在试样中的渗入能力，基于此提出试样胶结率的预测公式.

(2)当试样胶结率较低时，胶结基质的分布主要有接触胶结和非接触胶结，随着胶结率的增加，试样开始出现堵塞现象并在底部沉积，试样的不均匀性提高，随着胶结率的进一步增加，试样的不均匀性逐渐减弱.

(3)试样的强度与破坏模式受胶结率影响显著. 对于峰前阶段，试样加载曲线表现出压密阶段和线性阶段. 在峰后阶段，试样的破坏模式与胶结率密切相关，低胶结率的试样，应力随着应变的增加缓慢下降，表现出剪切破坏的特征，而随着胶结率的增加，应力随着应变的增加迅速下降，呈现出劈裂抗拉破坏的特征.

(4)试样具有良好的短期强度，其中3 h抗压强度最高达到6.72 MPa，平均强度为1.69 MPa，6 h抗压强度最高达到12.44 MPa，平均强度为3.01 MPa. 在6 h养护龄期下，大部分试样抗压强度符合《公路路面基层施工技术细则》中二级及以下公路中、轻交通所用水泥稳定碎石的7 d单轴抗压强度的规定强度(2.5~3.5 MPa).

本研究提出地聚物自重入渗胶结加固碎石工艺，为公路灾后快速修复提供了新的技术思路，但研究内容基于室内小尺度模型试验，其结论在真实公路修复场景中的适用性有待进一步验证. 为了将该工艺从实验室推广向工程应用，今后考虑开展现场足尺试验，以验证地聚物浆体在现场复杂环境下的流动与胶结效能，并评估其经济可行性.

参考文献

张杰茹. 公路受灾损毁应急恢复策略优化研究 [D]. 重庆: 重庆科技学院, 2023.

[本文引用: 1]

ZHANG Jieru. Study on optimization of emergency recovery strategy for highway damage [D]. Chongqing: Chongqing University of Science and Technology, 2013.

[本文引用: 1]

郑刚, 龚晓南, 谢永利, 等

地基处理技术发展综述

[J]. 土木工程学报, 2012, 45 (2): 127- 146

[本文引用: 1]

ZHENG Gang, GONG Xiaonan, XIE Yongli, et al

State-of-the-art techniques for ground improvement in China

[J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45 (2): 127- 146

[本文引用: 1]

谢康, 陈晓斌, 尧俊凯, 等

高铁路基填料振动压实试验参数标准化方法与应用研究

[J]. 岩石力学与工程学报, 2023, 42 (7): 1799- 1810

XIE Kang, CHEN Xiaobin, YAO Junkai, et al

Study on standardization method and application of vibration compaction test parameters of high-speed railway subgrade filler

[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2023, 42 (7): 1799- 1810

XIE K, LI T F, ZHAO Y M, et al

Microstructure evolution of coarse-grained soil fillers during subgrade compaction-operation period based on CT technology

[J]. Transportation Geotechnics, 2024, 47: 101279

DOI:10.1016/j.trgeo.2024.101279      [本文引用: 1]

黄达, 金华辉, 吴雄伟

碎石土强夯加固效果荷载试验分析

[J]. 西南交通大学学报, 2013, 48 (3): 435- 440,454

[本文引用: 1]

HUANG Da, JIN Huahui, WU Xiongwei

Plate load test investigation of dynamic compaction effect of gravel soil

[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2013, 48 (3): 435- 440,454

[本文引用: 1]

黄达, 金华辉

土石比对碎石土强夯地基加固效果影响规律瑞利波检测分析

[J]. 岩土力学, 2012, 33 (10): 3067- 3072

HUANG Da, JIN Huahui

Influences of soil-rock ratio on foundation with detritus soil under dynamic compaction based on Rayleigh wave detection

[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33 (10): 3067- 3072

周冲. 土基强夯动力加固机理与效果评价研究 [D]. 济南: 山东大学, 2021.

[本文引用: 1]

ZHOU Chong. Research of strengthening mechanism and effect evaluation of foundation by dynamic compaction [D]. Jinan: Shandong University, 2021.

[本文引用: 1]

杨溢, 卢杰, 杨志全, 等

花管注浆加固松散碎石土层试验与效果参数预测模型

[J]. 农业工程学报, 2018, 34 (24): 151- 157

[本文引用: 1]

YANG Yi, LU Jie, YANG Zhiquan, et al

Experiments and effect parameters prediction model of reinforcement loose gravel soil-layers by flower pipe grouting

[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018, 34 (24): 151- 157

[本文引用: 1]

雷进生. 碎石土地基注浆加固力学行为研究 [D]. 武汉: 中国地质大学, 2013.

LEI Jinsheng. Research on mechanical behavior of grout in gravelly soil foundations [D]. Wuhan: China University of Geosciences, 2013.

路乔, 杨智超, 杨志全, 等

考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制

[J]. 岩土力学, 2022, 43 (2): 385- 394

LU Qiao, YANG Zhichao, YANG Zhiquan, et al

Penetration grouting mechanism of Binham fluid considering diffusion paths

[J]. Rock and Soil Mechanics, 2022, 43 (2): 385- 394

彭鹏, 彭峰, 孙振宇, 等

基于分形理论和Mori-Tanaka方法的颗粒土渗透注浆加固体性能预测方法及应用

[J]. 力学学报, 2022, 54 (11): 3099- 3112

PENG Peng, PENG Feng, SUN Zhenyu, et al

Property prediction methods of granular soil penetration grouting reinforced body based on fractal theory and moritanaka method

[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2022, 54 (11): 3099- 3112

KHAN M I

Robust prediction models for flow and compressive strength of sustainable cement grouts for grouted macadam pavement using RSM

[J]. Construction and Building Materials, 2024, 448: 138205

DOI:10.1016/j.conbuildmat.2024.138205      [本文引用: 1]

孙兆辉, 王铁斌, 许志鸿, 等

水泥稳定碎石强度影响因素的试验研究

[J]. 建筑材料学报, 2006, 9 (3): 285- 290

[本文引用: 1]

SUN Zhaohui, WANG Tiebin, XU Zhihong, et al

Trial study on influence factors of cement-stabilized macadam strength

[J]. Journal of Building Materials, 2006, 9 (3): 285- 290

[本文引用: 1]

吕松涛, 郑健龙, 仲文亮

养生期水泥稳定碎石强度、模量及疲劳损伤特性

[J]. 中国公路学报, 2015, 28 (9): 9- 15,45

LV Songtao, ZHENG Jianlong, ZHONG Wenliang

Characteristics of strength, modulus and fatigue damage for cement stabilized macadam in curing period

[J]. China Journal of Highway and Transport, 2015, 28 (9): 9- 15,45

WANG C, LIU S, LIU L, et al

Deformation properties improvement of cement stabilized gravel using rubber: laboratory and field study

[J]. Construction and Building Materials, 2023, 393: 131975

DOI:10.1016/j.conbuildmat.2023.131975      [本文引用: 1]

余睿, 丁梦茜, 程书凯, 等

海洋环境混凝土材料的耐久性评价及对策分析

[J]. 防护工程, 2020, 42 (2): 71- 78

[本文引用: 1]

YU Rui, DING Mengxi, CHENG Shukai, et al

Durability assessment and strategy analysis of concrete materials in marine environment

[J]. Protective Engineering, 2020, 42 (2): 71- 78

[本文引用: 1]

肖建庄, 李佳彬, 孙振平, 等

再生混凝土的抗压强度研究

[J]. 同济大学学报: 自然科学版, 2004, 32 (12): 1558- 1561

[本文引用: 1]

XIAO Jianzhuang, LI Jiabin, SUN Zhenping, et al

Study on compressive strength of recycled aggregate concrete

[J]. Journal of Tongji University: Natural Science, 2004, 32 (12): 1558- 1561

[本文引用: 1]

王佩玺, 许金余, 白二雷, 等

水热循环作用对红砂岩动态力学特性的影响规律研究

[J]. 防护工程, 2018, 40 (6): 5- 10

[本文引用: 1]

WANG Peixi, XU Jinyu, BAI Erlei, et al

Study on the dynamic mechanics behavior of red sandstone subjected to heating and water-cooling cycles

[J]. Protective Engineering, 2018, 40 (6): 5- 10

[本文引用: 1]

乔丽苹, 刘建, 冯夏庭

砂岩水物理化学损伤机制研究

[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26 (10): 2117- 2124

QIAO Liping, LIU Jian, FENG Xiating

Study on damage mechanism of sandstone under hydro-physico-chemical effects

[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26 (10): 2117- 2124

彭瑞东, 谢和平, 鞠杨

砂岩拉伸过程中的能量耗散与损伤演化分析

[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26 (12): 2526- 2531

[本文引用: 1]

PENG Ruidong, XIE Heping, JU Yang

Analysis of energy dissipation and damage evolution of sandstone during tensile process

[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26 (12): 2526- 2531

[本文引用: 1]

FU T, SARACHO A C, HAIGH S K

Microbially induced carbonate precipitation (MICP) for soil strengthening: a comprehensive review

[J]. Biogeotechnics, 2023, 1 (1): 100002

DOI:10.1016/j.bgtech.2023.100002      [本文引用: 1]

LI Y, LI Y, GUO Z, et al

Durability of MICP-reinforced calcareous sand in marine environments: laboratory and field experimental study

[J]. Biogeotechnics, 2023, 1 (2): 100018

DOI:10.1016/j.bgtech.2023.100018     

LI Y, GUO Z, WANG L, et al

Numerical study of MICP infiltration and mineralization in unsaturated soils: CaCO3 distribution and critical depth

[J]. International Journal of Geomechanics, 2024, 24 (11): 04024258

DOI:10.1061/IJGNAI.GMENG-9257     

LIU H, ZHANG J, XIAO Y, et al

Bacterial attachment by crystal in MICP

[J]. Biogeotechnics, 2024, 2 (4): 100109

DOI:10.1016/j.bgtech.2024.100109     

LIU H, CHU J, KAVAZANJIAN E

Biogeotechnics: a new frontier in geotechnical engineering for sustainability

[J]. Biogeotechnics, 2023, 1: 100001

DOI:10.1016/j.bgtech.2023.100001     

XIAO Y, ZHANG Z, STUEDLEIN A W, et al

Liquefaction modeling for biocemented calcareous sand

[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2021, 147 (12): 04021149

DOI:10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0002666      [本文引用: 1]

DELENNE J Y, TOPIN V, RADJAI F

Failure of cemented granular materials under simple compression: experiments and numerical simulations

[J]. Acta Mechanica, 2009, 205 (1): 9- 21

[本文引用: 1]

WANG W, PAN J, JIN F, et al

Effect of cement matrix on mechanical properties of cemented granular materials

[J]. Powder Technology, 2019, 350: 107- 116

DOI:10.1016/j.powtec.2019.03.040      [本文引用: 2]

QIN W, JIN F, YANG S, et al

X-ray microtomography study on the cemented structure of cemented granular materials

[J]. Journal of Advanced Concrete Technology, 2023, 21 (1): 1- 16

DOI:10.3151/jact.21.1      [本文引用: 1]

HE J, JIANG H, ZHOU Y, et al

Elementary behavior of dual-particle composites cemented by self-compacting mortar: experimental and constitutive modelling

[J]. Construction and Building Materials, 2022, 320: 126232

DOI:10.1016/j.conbuildmat.2021.126232      [本文引用: 1]

王卫. 浆体附着规律、胶结结构特征与胶结颗粒料力学特性研究 [D]. 北京: 清华大学, 2019.

WANG Wei. Study on adhesion rule of cement paste, characteristics of cementing structure and mechanical behavior of cemented granular materials [D]. Beijing: Tsinghua University, 2019.

QIN W, LIN N, JIN F, et al

Effects of cementing matrix characteristics and particle size on the adhesion rule and mechanical properties of cemented granular materials

[J]. Construction and Building Materials, 2024, 411: 134630

DOI:10.1016/j.conbuildmat.2023.134630      [本文引用: 1]

JORNE F, HENRIQUES F M A, BALTAZAR L G

Injection capacity of hydraulic lime grouts in different porous media

[J]. Materials and Structures, 2015, 48 (7): 2211- 2233

DOI:10.1617/s11527-014-0304-9      [本文引用: 1]

OZGUMUS T, MOBEDI M, OZKOL U

Determination of kozeny constant based on porosity and pore to throat size ratio in porous medium with rectangular rods

[J]. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 2014, 8 (2): 308- 318

DOI:10.1080/19942060.2014.11015516      [本文引用: 1]

ZHANG N, HEDAYAT A, FIGUEROA L, et al

Physical, mechanical, cracking, and damage properties of mine tailings-based geopolymer: experimental and numerical investigations

[J]. Journal of Building Engineering, 2023, 75: 107075

DOI:10.1016/j.jobe.2023.107075      [本文引用: 1]

AL-DOSSARY A A S, AWED A M, GABR A R, et al

Performance enhancement of road base material using calcium carbide residue and sulfonic acid dilution as a geopolymer stabilizer

[J]. Construction and Building Materials, 2023, 364: 129959

DOI:10.1016/j.conbuildmat.2022.129959     

LI Z, SUN W, GAO T, et al

Experimental study on evolution of pore structure of inclined layered cemented tailings backfill based on X-ray CT

[J]. Construction and Building Materials, 2023, 366: 130242

DOI:10.1016/j.conbuildmat.2022.130242      [本文引用: 1]

/

〈 〉