堿處理風積砂物理力學試驗及加固機理研究

摘要：為了獲取堿液加固風積砂的物理力學特征，通過室內試驗，探究了堿液濃度為7%，14%和21%時，養護3，7，14，30 d和60 d后單液加固和雙液加固風積砂的物理力學參數變化規律，并簡要分析了堿液加固風積砂的作用機理。試驗結果表明：① 堿液的摻入能夠提升風積砂的力學性質和水穩性，抗剪強度參數隨養護時間的增加逐漸增大，堿液濃度為14%時加固效果最好，養護至60 d時，單液加固試樣、雙液加固試樣的黏聚力和內摩擦角較素土分別提升了48 kPa和10°、66 kPa和9°；② 雙液加固試樣強度略高于單液加固試樣，但加固的本質仍是堿-土作用，CaCl2的加入能夠幫助提升低濃度下加固試樣的初期水穩性；③ 堿液加固風積砂的作用機理大致可以分為充填過程、膠結過程和溶解過程。研究成果為風積砂的加固提供了新的方法，也為風積砂分布區的工程建設提供了基礎數據和科學指導依據。

關 鍵 詞：堿液； 風積砂； 抗剪強度； 顆粒粒徑； 微觀結構

中圖法分類號： TU446

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.11.029

0 引 言

風積砂廣泛分布于中國西北部地區，是在干旱、半干旱氣候環境下產生的一種具有特殊性質的砂土體，具有天然級配不良、孔隙率大、粉黏粒含量少、結構松散、自穩能力差等特性，往往無法滿足構筑物的承載力和變形要求，在工程建設中需要棄置換填或改良加固，給中國西北部風積砂分布區的基礎建設及維護帶來巨大挑戰^［1］。

傳統的風積砂加固方法主要以機械碾壓夯實和固化劑加固為主。僅以機械碾壓夯實通常難以滿足工程要求，因此風積砂改良主要通過加入固化劑來實現^［2-6］。固化劑分為固體固化劑和液體固化劑，常用的固體固化劑為水泥。任輝明等^［7］曾針對蒙西華中重載鐵路風積砂路段缺少優質路基填料的問題，采用水泥對風積砂進行改良，研究了不同水泥摻量、不同養護齡期及不同水泥強度等級下加固體強度的變化規律，并提出了適用的水泥等級及水泥摻量控制標準。此外，也有學者通過向風積砂中添加纖維加筋材料和廢棄礦渣^［8-9］，增強了風積砂的物理力學性質。現有的液體固化劑加固技術為微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）技術^［10］，在風積砂中注入巴士芽孢桿菌菌液和膠結液，通過微生物礦化作用在風積砂內部產生碳酸鈣沉淀并填充孔隙，從而使風積砂膠結成具有一定強度的整體。

上述提到的水泥、纖維加筋材料和廢棄礦渣等固體固化劑雖然能對風積砂起到較好的加固效果，但由于材料性質特殊，因此難以實現原位加固，應用具有局限性。MICP技術雖然可以實現原位加固，但該技術涉及復雜的生物化學反應過程，且微生物生長對環境要求極高，反應過程難以控制，加固效果具有不確定性，加固成本也相對較高。

堿液加固土體最早始于對濕陷性黃土地基的加固研究，具有施工簡單、易于掌握、加固效果好等優點，是一種可實現土體原位加固的方法^［11-12］，可用于緊急地基事故的處理或無人區基建工程的地基加固處理。隨著其成功應用和推行，相關學者也嘗試將這一種方法應用在新近堆積黃土^［13］、黃土狀粉質黏土^［14］和紅黏土^［15-16］等其他類型的土體加固中，均取得了較為理想的加固效果。但關于堿液對風積砂是否能起到類似的加固效果，尚未有學者進行過相關研究。因此，本文采用常見的NaOH粉末配制堿液，探究了不同濃度的堿液處理后風積砂物理力學性質隨養護時間的變化規律，確定了最優的堿液濃度和養護時間，研究成果對堿液加固風積砂的工程應用具有重要意義。

1 試驗材料和方案

1.1 風積砂

試驗所用風積砂取自內蒙古自治區錫林郭勒盟阿巴嘎旗境內，主要礦物化學成分為SiO2、K（AlSi3O8）、Na（AlSi3O8）和Al（PO4）（圖1）。根據顆粒粒徑分析試驗結果（圖2），中值粒徑（D₅₀）為0.43 mm，曲率系數C_u為2.36，不均勻系數C_c為0.97，屬于顆粒均勻、級配不良的中砂，其他基本物理性質見表1。

1.2 堿 液

試驗采用純度99%的NaOH粉末，根據試驗方案配置不同濃度的堿液。

1.3 試驗方案

1.3.1 試樣制備

將取回的風積砂剔除土中雜質后，放入烘箱烘干。試驗分為單液加固和雙液加固，單液加固試驗設置堿液濃度質量分數分別為7%，14%和21%。堿液加固黃土時，土中可溶性鈣、鎂離子含量是影響加固效果的重要因素之一^［17］，參考堿液加固黃土的作用機理，由于本試驗研究對象風積砂的鈣元素含量較少，因此補充雙液加固試驗研究，在單液加固試驗不變的條件下按照CaCl2與NaOH為1∶2的比例向土中添加CaCl2，增加土中鈣源含量，探究雙液加固的效果。按照最優含水率10%制備高度20 mm、直徑61.8 mm的環刀試樣（圖3），并在25 ℃室溫下分別養護3，7，14，30 d和60 d。

1.3.2 試驗方案

（1） 直剪試驗。

黏聚力和內摩擦角是表征土體抗剪強度指標的主要參數，本文采用固結快剪試驗，在上部應力荷載為100，200，300，400 kPa的條件下進行直剪試驗，轉速為12 r/min，利用線性擬合計算土體的黏聚力和內摩擦角。

（2） 崩解試驗。

抗水解能力是檢驗加固土體耐久性能的重要指標之一，將養護后的試樣放入水中，觀察試樣在水中是否發生崩解，以此判斷堿液加固風積砂的水穩性是否有所提升。

（3） 顆粒粒徑分析試驗。

顆粒形態參數是直觀反映土體顆粒特征的指標，采用Bettersize 3000Plus粒度分布儀，對試樣的顆粒粒徑進行分析，提取體積平均徑D［4，3］和比表面積兩個參數。其中，體積平均徑是指在一組顆粒中，每個顆粒的體積與其直徑的乘積之和除以總體積的比值，是顆粒尺寸分布的一個重要參數，可以用來描述顆粒的平均大小；比表面積則是指單位質量顆粒所具有的總面積，顆粒越細，比表面積越大。

（4） 電鏡掃描試驗。

土的微觀結構是影響其宏觀物理力學性質的本質因素，為探究堿液加固風積砂的微觀作用機理，開展電鏡掃描試驗。對試樣進行鍍金處理后，采用德國Zeiss電子掃描顯微鏡對不同養護時間和不同濃度堿液處理后的試樣進行觀察，獲取對應的SEM圖像。

2 試驗結果及分析

2.1 堿液濃度、養護時間和抗剪強度參數的關系

圖4和圖5分別是單液加固試驗和雙液加固試驗下試樣抗剪強度參數變化，其中養護0 d指未處理前風積砂（簡稱素土，下同）的抗剪強度參數。

由圖4（a）可以發現，單液加固試驗中經不同濃度堿液處理后，試樣的黏聚力整體均隨養護時間的增加而逐漸增大，并在30 d后基本達到穩定值，但是不同堿液濃度下黏聚力變化規律有一定差異：① 低濃度（7%）下，試樣14 d時黏聚力較處理前變化較小，但當養護至30 d時試樣黏聚力突然增大至31 kPa，較14 d時提升了近5倍；② 在中高濃度（14%，21%）下，試樣養護3 d后黏聚力急劇增大，其中當濃度為14%時，黏聚力隨著養護時間的增加持續增大，而當堿液濃度為21%時，黏聚力在養護至第14 d時達到最大值，之后緩慢減小，60 d時黏聚力較濃度14%的低，但仍明顯高于低濃度時的黏聚力。由圖4（b）可以發現，經3種濃度堿液處理后，試樣的內摩擦角變化規律基本一致，均隨養護時間的增加而逐漸增大，并在14 d后趨于穩定，且堿液濃度越高，內摩擦角越大，但差值較小，3種濃度下基本相當。

由圖5（a）可以發現，雙液加固試驗中經不同濃度堿液處理后風積砂的黏聚力值總體也隨養護時間的增加逐漸增大：① 中低濃度下（7%，14%），試樣養護至第7 d時，黏聚力略有下降，之后隨養護時間的增加繼續增大；② 高濃度下（21%），黏聚力在養護至第14 d時達到最大值，之后逐漸降低，養護至60 d時的黏聚力較濃度14%加固的試樣低，但仍明顯高于7%濃度加固后的試樣。這是由于雙液加固法額外補充了鈣源，因此未完全反應的NaOH會與多余的鈣離子反應生成沉淀物，但這種松散物質缺少膠結物的包裹作用，不能起到提升土體強度的作用，因此導致后期黏聚力降低。由圖5（b）可以發現，雙液加固后的內摩擦角總體隨養護時間的增加逐漸增大，并在養護14d后基本達到穩定，14d后高濃度（21%）下內摩擦角波動較大，而中低濃度（7%，14%）下內摩擦角基本穩定。

總之，單液和雙液加固法都能夠有效提升風積砂的抗剪強度，并且加固液的濃度存在最優值，濃度為14%時的加固效果最好。此外，當濃度為14%時，單液加固試樣和雙液加固試樣養護60 d后的內摩擦角基本相當，但雙液加固試樣的黏聚力略高于單液加固試樣，說明在堿液加固風積砂時適量補充鈣源能夠一定程度上提升加固效果，但影響加固效果的核心仍然是堿液的濃度及養護的時間。

2.2 水穩性分析

圖6和圖7分別是單液加固試樣和雙液加固試樣養護3 d時的崩解試驗結果：加固前試樣放入水中后會立刻發生崩解，大約3 min后完全崩解，濃度為7%時單液加固試樣放入水中也會立刻發生崩解，大約30 min后完全崩解，而中高濃度（14%，21%）單液加固試樣放入水中后雖然偶有碎土掉落，但整體并未完全崩解，浸水24 h后依然能夠基本維持試樣形態。不同濃度的雙液加固試樣浸水24 h后，雖然也會有碎土掉落，但都能夠維持試樣形態，并不完全崩解。

圖8為濃度7%時單液加固試樣養護7 d、14 d和30 d后的崩解試驗結果：養護7 d后試樣浸水立刻發生崩解，浸水24 h后崩解基本停止，但仍然留有部分完整土樣；養護14 d后試樣浸水并不會立刻發生崩解，浸水24 h后局部邊緣有細小土塊掉落且崩解基本停止，土樣整體形態較完整；養護30 d后試樣浸水24 h后不會發生崩解，試樣依然能夠維持完整形態。

由上述崩解試驗結果可以看出，堿液處理前風積砂試樣并不具備水穩性，放入水中后會立刻發生崩解，但經堿液處理后能夠有效提升風積砂的水穩性，且水穩性會隨試樣養護時間的增加逐漸增強。此外，雙液加固法不僅能夠在一定程度上提升風積砂的抗剪強度，還可以提升加固試樣的初期水穩性。

2.3 顆粒粒徑分析

圖9和圖10為堿液處理后試樣顆粒體積平均徑和比表面積的變化規律，可以發現，兩種加固方法任一濃度下試樣的顆粒體積平均徑隨養護時間增加逐漸增大，較加固前增大了約50%，而試樣的顆粒比表面積隨養護時間增加逐漸減小，較加固前減小了約60%。當養護至60 d時，兩種加固方法處理后，均是濃度14%加固后的試樣顆粒體積平均徑最大，而顆粒比表面積最小。

雙液加固試樣在養護7 d時顆粒體積平均徑較養護3 d時均出現了明顯的降低，之后再逐漸增大。同樣地，顆粒比表面積在養護7d時較3 d時略增大，之后逐漸降低。這是由于養護7 d時，NaOH與CaCl2的反應占據主導，生成大量的Ca（OH）2沉淀，從而使得顆粒體積平均徑和顆粒比表面積變化出現了異常。

2.4 微觀結構分析

以濃度為14%、養護14 d時單雙液加固試樣和素土的500倍SEM圖像為例（圖11）。可以看出，加固前土顆粒僅為簡單的接觸連接，顆粒間無物質膠結。加固后，粒間孔隙中生成了大量的物質牢牢將顆粒膠結包裹在了一起，形成一種穩定的結構，從而增強了試樣的整體強度。進一步增大SEM圖像的倍數（圖12），可以觀察到生成物的形態特征，以片狀或顆粒狀物質為主，這些生成物充填粒間孔隙并牢牢附著于土顆粒表面，隨著生成物的增多，它們逐漸膠連在一起將顆粒牢牢包裹住^［18］。

3 作用機理分析

堿液加固法在黃土加固中取得了較為明顯的效果并得到廣泛應用。相關學者^［17］也分析了對應的加固機理，并認為黃土中可交換性鈣（鎂）離子的存在是影響堿液加固效果的重要因素之一，適時補充一定的鈣鹽可以進一步提升加固效果。本試驗研究所用風積砂鈣元素含量較低，但補充鈣源后雙液加固試樣的抗剪強度較單液加固試樣并沒有較大比例的提升。因此，堿液加固風積砂的作用機理與黃土之間有一定的差異，大致可以分為以下3個階段。

（1） 充填過程。

與堿液加固黃土的反應類似，風積砂中的游離鈣、鎂離子與堿液發生置換反應，生成沉淀物顆粒充填于孔隙之中。這一反應過程較為迅速，在風積砂與堿液混合接觸后會立即開始，當土中游離的鈣、鎂離子消耗完后反應進程會逐漸變緩并趨于停止。

（2） 膠結過程。

土中游離的二氧化硅和硅鋁酸鹽類與NaOH反應生成膠結物，將土顆粒與置換反應后生成的沉淀物膠結包裹在一起，宏觀表現為顆粒體積平均徑的增大和顆粒比表面積的減小^［19-21］。

但由于黃土和風積砂的礦物組成并非完全相同，因此堿液與風積砂反應生成的膠結物和在黃土中并不完全一樣。對加固后試樣表面生成物進行電鏡掃描和能譜分析，可以發現加固試樣顆粒表面生成物主要有兩種形態，一種呈顆粒狀（圖13（a））附著于顆粒表面并相互膠結將數個土顆粒單元連接在一起，另一種呈片狀附著于土顆粒表面（圖13（b））。生成物物質成分除了以O、Na、Al、Si、Ca為主外，還出現了Nb、Sn等微量元素的富集。

此外，將加固后試樣浸入水中后，還能發現明顯的白色絮狀物質析出（圖14（a））。提取白色絮狀物進行電鏡掃描和能譜分析，微觀下觀察到是一種顆粒狀或條狀的物質，主要以O、Na、Nb元素為主（圖14（b）），與圖13中粒狀生成物的元素特征類似。因此，推測堿液與風積砂發生化學反應后，會在土顆粒表面生成一種Na、O與Nb或Sn組成的特殊鹽類，這類物質能夠穩定存在，并且將土顆粒膠結在一起，進而提升整體的強度^［22-23］。

（3） 溶解過程。

隨著反應的持續進行，當土中活性物質及堿液逐漸消耗殆盡后，生成物減少，強度逐漸趨于穩定。但當堿液濃度過高時，生成物在強堿性環境下會被溶解，顆粒之間的連接被打斷，宏觀表現為土體黏聚力的降低及顆粒比表面積的增大。溶解過程伴隨反應全過程一直存在，但只有當充填過程和膠結過程變弱后才逐漸占據主導作用。

4 結 論

本文通過室內試驗，探究了不同堿液濃度下堿處理風積砂物理力學特性隨養護時間的變化規律，主要結論如下：

（1） 堿液摻入后由于堿-土作用能夠增加風積砂的力學強度，以7%，14%和21%三個不同堿液濃度探究了加固后風積砂的力學特性隨養護時間的變化規律，總體均表現為黏聚力、內摩擦角隨養護時間的增加逐漸增大，但堿液濃度并非越大越好，存在一個最優值。雙液加固法對加固體強度的增強有一定的輔助作用，但影響加固效果的核心仍是堿-土作用的時間和堿液的濃度。

（2） 堿液加固還可以提升風積砂的水穩性，低濃度（7%）下單液加固試樣養護3，7 d后的水穩性較差，浸水后會發生崩解破壞，但隨著養護時間的增加，水穩性也能得到增強，其余濃度下單液加固試樣和所有雙液加固試樣在養護3 d時就能表現出較好的水穩性，說明雙液加固法能夠較好地提升加固體初期的水穩性。

（3） 堿液加固風積砂的作用機理與加固黃土并不完全相同，主要分為充填過程、膠結過程和溶解過程，堿-土作用會生成大量沉淀物和膠結物，重塑了土體的結構，從而提升了土體的強度。同時，堿液的加入除了能夠在堿-土作用下生成膠結物外，還會破壞膠結物結構，因此堿液濃度越高，加固效果并不會越好，堿液加固濃度存在最優值。

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（編輯：郭甜甜）

Physical and mechanical tests on aeolian sand by alkali solution treatment and reinforcement mechanism

CHEN Taixu¹，LI Jianwu¹，CHEN Jun²，ZHANG Chongchong³，ZHAO Daiyao¹

（1.PowerChina Guiyang Survey，Design and Research Institute Co.，Ltd.，Guiyang 550081，China； 2.School of Continuing Education，Guizhou Institute of Technology，Guiyang 550003，China； 3.College of Resources and Environmental Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

Abstract：

In order to obtain physical and mechanical characteristics of aeolian sand reinforced with alkali solution，laboratory tests were conducted to explore the changes in physical and mechanical parameters of aeolian sand after being treated with single alkali solution reinforcement and composite alkali solution reinforcement for durations of 3，7，14，30，and 60 days at alkali solution concentrations of 7%，14%，and 21%.The mechanism of how alkali solution reinforces aeolian sand was briefly analyzed.The experimental results show that：① The addition of an alkali solution can improve the mechanical properties and water stability of aeolian sand.The shear strength parameters gradually increase with the duration of maintenance.The best reinforcement effect is achieved when the alkali solution concentration is 14%.After 60 days of maintenance，the cohesive force and internal friction angle of the single alkali solution reinforcement samples and the composite alkali solution reinforcement samples have increased by 48 kPa and 10°，and 66 kPa and 9°，respectively，compared to plain soil.② The strength of the composite alkali solution reinforcement samples is slightly higher than that of the single alkali solution reinforcement samples，but the essence of the reinforcement is still the alkali-soil interaction.③ The mechanism of alkali solution reinforcement of aeolian sand can be roughly divided into three phases：the filling phase，the cementation phase，and the dissolution phase.The research findings provide a new method for the reinforcement of aeolian sand and also offer fundamental data and scientific guidance for engineering construction in aeolian areas.

Key words：

alkali solution； aeolian sand； shear strength； particle size； micro-structure