纳米SiO2改性高炉矿渣-粉煤灰地质聚合物固化土力学性能

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0958

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (5): 1626-1637.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0958

纳米SiO₂改性高炉矿渣-粉煤灰地质聚合物固化土力学性能

胡建林¹^,²(), 陶喜龙¹, 李雅儒¹, 贾天尧¹, 吴春平³, 孟志鹏²(), 周永祥²

^1.河北建筑工程学院土木工程学院，张家口 075000
^2.北京工业大学桥梁工程安全与韧性全国重点实验室，北京 100124
^3.张家口市第十建筑工程有限公司，张家口 075000

收稿日期:2025-09-28 修订日期:2026-01-04 出版日期:2026-05-15 发布日期:2026-06-10
通信作者: 孟志鹏，博士研究生。E-mail：mengzp@emails.bjut.edu.cn
作者简介:胡建林（1986—），男，博士，副教授。主要从事地质聚合物材料方面的研究。E-mail：1065644325@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(52378213);河北省高等学校科学技术研究项目资助(QN2024070)

Mechanical Properties of Nano-SiO₂ Modified GGBS-Fly Ash Geopolymer-Stabilized Soil

HU Jianlin¹^,²(), TAO Xilong¹, LI Yaru¹, JIA Tianyao¹, WU Chunping³, MENG Zhipeng²(), ZHOU Yongxiang²

^1.College of Civil Engineering，Hebei University of Architecture，Zhangjiakou 075000，China
^2.National Key Laboratory of Bridge Safety and Resilience，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China
^3.Zhangjiakou 10th Construction Engineering Co.，Ltd.，Zhangjiakou 075000，China

Received:2025-09-28 Revised:2026-01-04 Published:2026-05-15 Online:2026-06-10

摘要/Abstract

摘要：

为了解决水泥固化土耗能高、碳排放量大、前期强度低、水稳定性差等问题，本研究采用高炉矿渣和粉煤灰作为前驱体，水玻璃作为激发剂，制备地质聚合物，并添加纳米SiO₂进行土体固化，通过无侧限抗压强度和水稳定性试验，结合扫描电子显微镜、能量色散光谱及氮气吸附等微观分析，探究了纳米SiO₂掺量和养护龄期对地质聚合物固化土力学性能的影响。结果表明：随着纳米SiO₂掺量的增加，地质聚合物固化土无侧限抗压强度呈先增加后降低的趋势，且纳米SiO₂最优掺量为0.6%（质量分数），在高炉矿渣与粉煤灰质量比为5∶5、7∶3和9∶1时，无侧限抗压强度较未掺纳米SiO₂试件分别提升了16.0%、22.4%和26.5%；高炉矿渣掺量越高，纳米SiO₂对地质聚合物固化土无侧限抗压强度的提升效果越显著；随着养护龄期的增长，地质聚合物固化土无侧限抗压强度逐渐提升，但纳米SiO₂对无侧限抗压强度的提升作用呈下降趋势，高炉矿渣与粉煤灰质量比为7∶3时，较未掺纳米SiO₂的试件7、14和28 d的强度增长率分别为22.4%、15.4%和6.0%；掺入纳米SiO₂可以提高试件的水稳定性并降低其强度损失率；微观分析发现纳米SiO₂通过化学反应、颗粒填充和晶种成核作用提高了地质聚合物固化土的抗压强度和水稳定性；氮气吸附试验结果表明，随着纳米SiO₂掺量的增加，试样的积分孔体积及大孔比例均呈先下降后上升的变化趋势，与力学性能变化趋势一致。

关键词: 高炉矿渣-粉煤灰地质聚合物, 纳米SiO₂, 固化土, 无侧限抗压强度, 水稳定性, 微观分析

Abstract:

To address the issues of high energy consumption， significant carbon emissions， low early strength， and poor water stability in cement-stabilized soil， this study used ground granulated blast-furnace slag （GGBS） and fly ash as precursors， water glass as activator to prepare geopolymer， and added nano-SiO₂ to solidify the soil. Through unconfined compressive strength tests and water stability tests， combined with microscopic analyses including scanning electron microscopy， energy-dispersive spectroscopy， and nitrogen adsorption， the effects of nano-SiO₂ content and curing age on the mechanical properties of geopolymer-stabilized soil were investigated. The results indicate that the unconfined compressive strength of geopolymer-stabilized soil initially increases and then decreases with increasing nano-SiO₂ content， with an optimal nano-SiO₂ content of 0.6% （mass fraction）. When the mass ratio of GGBS to fly ash is 5∶5， 7∶3， and 9∶1， the unconfined compressive strength is 16.0%， 22.4% and 26.5%， respectively， higher than that of the undoped nano-SiO₂ specimen. The higher the content of GGBS is， the more significant the effect of nano-SiO₂ on the unconfined compressive strength of geopolymer-solidified soil is. With the increase of curing age， the unconfined compressive strength of geopolymer-stabilized soil gradually increases， but the effect of nano-SiO₂ on the unconfined compressive strength decreases. When the mass ratio of GGBS to fly ash is 7∶3， the strength growth rates at 7， 14， and 28 d for specimens with nano-SiO₂ are 22.4%， 15.4%， and 6.0%， respectively， relative to those without nano-SiO₂. The incorporation of nano-SiO₂ improves the water stability and reduces the strength loss rate of the specimens. Microscopic analysis reveales that nano-SiO₂ enhances the compressive strength and water stability of geopolymer-stabilized soil through chemical reactions， particle filling， and nucleation effects. Nitrogen adsorption test results show that with increasing nano-SiO₂ content， the cumulative pore volume and the proportion of large pores in the specimens first decrease and then increase， which is consistent with the change of mechanical properties.

Key words: GGBS-fly ash geopolymer, nano-SiO₂, stabilized soil, unconfined compressive strength, water stability, microscopic analysis

中图分类号:

TU447

胡建林, 陶喜龙, 李雅儒, 贾天尧, 吴春平, 孟志鹏, 周永祥. 纳米SiO₂改性高炉矿渣-粉煤灰地质聚合物固化土力学性能[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(5): 1626-1637.

HU Jianlin, TAO Xilong, LI Yaru, JIA Tianyao, WU Chunping, MENG Zhipeng, ZHOU Yongxiang. Mechanical Properties of Nano-SiO₂ Modified GGBS-Fly Ash Geopolymer-Stabilized Soil[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(5): 1626-1637.

图/表 13

参考文献 21

[1]	魏福强. 软土地基处理技术的研究进展［J］. 工业建筑， 2023， 53（）： 445-447.
	WEI F Q. Research progress in soft soil ground improvement techniques［J］. Industrial Construction， 2023， 53（supplement 1）： 445-447 （in Chinese）.
[2]	刘敏辉，刘安龙，张晓波，等. 矿渣基地聚物固化黄土干湿耐久性机理研究［J］. 硅酸盐通报， 2025， 44（6）： 2210-2221.
	LIU M H， LIU A L， ZHANG X B， et al. Mechanism of dry and wet durability of slag-based geopolymer-cured loess［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2025， 44（6）： 2210-2221 （in Chinese）.
[3]	骆展鹏，熊春林，韩泽军，等. 矿渣-粉煤灰-玻璃粉复合固化盾构土力学性能及固化机制［J］. 硅酸盐通报， 2025， 44（5）： 1803-1812.
	LUO Z P， XIONG C L， HAN Z J， et al. Mechanical properties and solidification mechanism of slag-fly ash-glass powder composite solidified shield soil［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2025， 44（5）： 1803-1812 （in Chinese）.
[4]	周益凡，张伟业，陈安见，等. 地聚合物注浆材料性能增强及工程应用研究综述［J］. 硅酸盐通报， 2025， 44（8）： 2873-2890.
	ZHOU Y F， ZHANG W Y， CHEN A J， et al. Review on performance enhancements and engineering applications of geopolymer grouting materials［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2025， 44（8）： 2873-2890 （in Chinese）.
[5]	俞家人，陈永辉，陈庚，等. 地聚物固化软黏土的力学特征及机理分析［J］. 建筑材料学报， 2020， 23（2）： 364-371.
	YU J R， CHEN Y H， CHEN G， et al. Mechanical behaviour of geopolymer stabilized clay and its mechanism［J］. Journal of Building Materials， 2020， 23（2）： 364-371 （in Chinese）.
[6]	MOZUMDER R A， LASKAR A I. Prediction of unconfined compressive strength of geopolymer stabilized clayey soil using artificial neural network［J］. Computers and Geotechnics， 2015， 69： 291-300.
[7]	CRISTELO N， GLENDINNING S， TEIXEIRA PINTO A. Deep soft soil improvement by alkaline activation［J］. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Ground Improvement， 2011， 164（2）： 73-82.
[8]	CRISTELO N， GLENDINNING S， FERNANDES L， et al. Effects of alkaline-activated fly ash and Portland cement on soft soil stabilisation［J］. Acta Geotechnica， 2013， 8（4）： 395-405.
[9]	CRISTELO N， GLENDINNING S， MIRANDA T， et al. Soil stabilisation using alkaline activation of fly ash for self compacting rammed earth construction［J］. Construction and Building Materials， 2012， 36： 727-735.
[10]	王振军，翁优灵，杜少文. 矿渣粉加固粉土的理论分析及路用性能研究［J］. 工程地质学报， 2006， 14（5）： 709-714.
	WANG Z J， WENG Y L， DU S W. Theoretical analysis and field performance of silt soil reinforced with slag powder［J］. Journal of Engineering Geology， 2006， 14（5）： 709-714 （in Chinese）.
[11]	张大捷，田晓峰，侯浩波，等. 矿渣胶凝材料固化软土的力学性状及机制［J］. 岩土力学， 2007， 28（9）： 1987-1991.
	ZHANG D J， TIAN X F， HOU H B， et al. Mechanical behavior and mechanism of stabilizing soft soil by slag cementitious material［J］. Rock and Soil Mechanics， 2007， 28（9）： 1987-1991 （in Chinese）.
[12]	刘鑫，彭泽川，潘晨豪，等. 纳米二氧化硅改性粉煤灰地聚合物力学性能及微观分析［J］. 材料导报， 2020， 34（22）： 22078-22082.
	LIU X， PENG Z C， PAN C H， et al. Mechanical properties and microscopic analysis of nano-silica modified fly ash geopolymer［J］. Materials Review， 2020， 34（22）： 22078-22082 （in Chinese）.
[13]	张秀芝，刘明乐，杜笑寒，等. 纳米SiO₂与粉煤灰协同改性水泥基材料性能研究［J］. 材料导报， 2017， 31（24）： 50-55+62.
	ZHANG X Z， LIU M L， DU X H， et al. Synergistic effect of nano silica and fly ash on the cement-based materials［J］. Materials Review， 2017， 31（24）： 50-55+62 （in Chinese）.
[14]	李刊，魏智强，乔宏霞，等. 纳米SiO₂改性聚合物水泥基材料性能试验研究［J］. 湖南大学学报（自然科学版）， 2021， 48（11）： 150-159.
	LI K， WEI Z Q， QIAO H X， et al. Experimental study on property of polymer cement based composite modified by nano-SiO₂ ［J］. Journal of Hunan University （Natural Sciences）， 2021， 48（11）： 150-159 （in Chinese）.
[15]	DE SILVA P， SAGOE-CRENSTIL K. Medium-term phase stability of Na₂O-Al₂O₃-SiO₂-H₂O geopolymer systems［J］. Cement and Concrete Research， 2008， 38（6）： 870-876.
[16]	MOHMMAD S H， SHAKOR P， MUHAMMAD J H， et al. Sustainable alternatives to cement： synthesizing metakaolin-based geopolymer concrete using nano-silica［J］. Construction Materials， 2023， 3（3）： 276-286.
[17]	WENG L， SAGOE-CRENTSIL K. Dissolution processes， hydrolysis and condensation reactions during geopolymer synthesis： part I. low Si/Al ratio systems［J］. Journal of Materials Science， 2007， 42（9）： 2997-3006.
[18]	SAGOE-CRENTSIL K， WENG L. Dissolution processes， hydrolysis and condensation reactions during geopolymer synthesis： part II. high Si/Al ratio systems［J］. Journal of Materials Science， 2007， 42（9）： 3007-3014.
[19]	周彦森，徐钟，刘兵兵，等. 纳米SiO₂/钢纤维改性煤矸石地聚物混凝土性能研究［J］. 人民长江， 2025， 56（2）： 201-208.
	ZHOU Y S， XU Z， LIU B B， et al. Study on mechanical properties of coal gangue geopolymer concrete modified by nano-SiO₂ and steel fiber［J］. Yangtze River， 2025， 56（2）： 201-208 （in Chinese）.
[20]	黄华，郭梦雪，张伟，等. 粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土力学性能与微观结构［J］. 哈尔滨工业大学学报， 2022， 54（3）： 74-84.
	HUANG H， GUO M X， ZHANG W， et al. Mechanical property and microstructure of geopolymer concrete based on fly ash and slag［J］. Journal of Harbin Institute of Technology， 2022， 54（3）： 74-84 （in Chinese）.
[21]	HU J L， MENG Z P， GAO T T， et al. Optimization of proportions of alkali-activated slag-fly ash-based cemented tailings backfill and its strength characteristics and microstructure under combined action of dry-wet and freeze-thaw cycles［J］. Materials， 2024， 17（20）： 4945.

Material	Mass fraction/%
Material	SiO₂	Al₂O₃	CaO	MgO	Fe₂O₃	Na₂O	SO₃
FA	56.20	24.75	1.63	0.92	4.70	0.51	—
GGBS	33.50	7.12	49.21	3.73	0.62	0.33	—
Portland cement	20.54	6.23	65.59	2.54	2.38	0.42	2.33

Material	Mass fraction/%
Material	SiO₂	Al₂O₃	CaO	MgO	Fe₂O₃	Na₂O	SO₃
FA	56.20	24.75	1.63	0.92	4.70	0.51	—
GGBS	33.50	7.12	49.21	3.73	0.62	0.33	—
Portland cement	20.54	6.23	65.59	2.54	2.38	0.42	2.33

Silicate modulus	Mass fraction/%
Silicate modulus	Na₂O	SiO₂	H₂O
3.2	8.3	26.2	65.5
1.0	21.8	21.1	57.1

Silicate modulus	Mass fraction/%
Silicate modulus	Na₂O	SiO₂	H₂O
3.2	8.3	26.2	65.5
1.0	21.8	21.1	57.1

Group	Experiment number	m（GGBS）∶m（FA）	Water-solid ratio	Alkali dosage/%	NS/%	Curing age/d
A	A+NS0	5∶5	0.25	15	0	7， 14， 28
	A+NS0.3	5∶5	0.25	15	0.3	7
	A+NS0.6	5∶5	0.25	15	0.6	7， 14， 28
	A+NS0.9	5∶5	0.25	15	0.9	7
	A+NS1.2	5∶5	0.25	15	1.2	7
	A+NS1.5	5∶5	0.25	15	1.5	7
B	B+NS0	7∶3	0.25	15	0	7， 14， 28
	B+NS0.3	7∶3	0.25	15	0.3	7
	B+NS0.6	7∶3	0.25	15	0.6	7， 14， 28
	B+NS0.9	7∶3	0.25	15	0.9	7
	B+NS1.2	7∶3	0.25	15	1.2	7
	B+NS1.5	7∶3	0.25	15	1.5	7
C	C+NS0	9∶1	0.25	15	0	7， 14， 28
	C+NS0.3	9∶1	0.25	15	0.3	7
	C+NS0.6	9∶1	0.25	15	0.6	7， 14， 28
	C+NS0.9	9∶1	0.25	15	0.9	7
	C+NS1.2	9∶1	0.25	15	1.2	7
	C+NS1.5	9∶1	0.25	15	1.5	7
D	CG	—	0.25	—	—	7， 14， 28

纳米SiO₂改性高炉矿渣-粉煤灰地质聚合物固化土力学性能

Mechanical Properties of Nano-SiO₂ Modified GGBS-Fly Ash Geopolymer-Stabilized Soil

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 13

参考文献 21

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	郑佳红, 郭康. 基于铕金属有机框架封装Cs₃Bi₂Br₉量子点的土霉素比率荧光检测[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(5): 1790-1800.
[2]	苑晓青, 赵祥铭, 牛岑岑, 刘田田, 勾乙林. 电石渣改良膨胀土工程特性与微观机理研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(4): 1445-1458.
[3]	张世瑜, 周阳, 李志强, 陈雨闲, 周树斌, 楚永焱, 沈鹏程. 粉煤灰与水库淤泥制备烧结砖及性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(4): 1256-1265.
[4]	舒畅, 陈振中, 王伟, 梅友静, 王宁宁, 张亚梅. 流态固化土的固化机理及性能调控研究综述[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(2): 503-516.
[5]	蔡银, 李睿, 包天鹏. 细粒式磷渣在公路基层中的应用研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 202-211.
[6]	鲁依萍, 黄修林, 周紫晨, 刘仕琪. 聚丙烯酸丁酯-丙烯酸/水玻璃复合改性淤泥的流变特性与力学性能[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 325-335.
[7]	岳鹏飞, 郭思标, 丁秀娟, 王玉松, 王大周, 胡悦, 张蓉蓉, 章纲, 丁金孟. 粉煤灰-矿渣-赤泥基胶凝材料固化土强度和微观机理研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 336-345.
[8]	何兆益, 邹萌, 姚启文, 曹东伟, 秦猛. 高掺量磷石膏-水泥-固化剂稳定碎石基层材料的性能及强度形成机理[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 346-358.
[9]	王盼盼, 孙津津, 张培冉, 杨琦, 万星, 封旭, 王志华, 丁建文. 盾构渣土基免烧陶粒的制备与性能优化研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 237-245.
[10]	胡建林, 李智林, 周永祥, 冷发光, 杜修力. 生石灰激发高炉矿渣-粉煤灰地质聚合物固化土力学特性研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(8): 2912-2923.
[11]	谢来坤, 秦晓晗, 郭文斌, 周明凯. CFB灰渣的抗碳化侵蚀性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(7): 2528-2537.
[12]	赫明胜, 秦庆金, 高慧, 曲春雨, 秦永, 房奎圳, 郝建帅. 减水剂对镁渣-粉煤灰基流态固化土流变性及强度的影响[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(7): 2710-2719.
[13]	苏瑛, 龚伟, 刘川北, 张俊. 基于机器学习的磷石膏轻骨料混凝土配合比设计与力学性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(5): 1656-1665.
[14]	魏贤华, 王得林, 李超, 钟海军, 郭龙龙. 粉煤灰基地质聚合物及含水率对固化土力学性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(5): 1949-1956.
[15]	邱明明, 杨萌, 李晓敏, 李盛斌. 水泥固化高填方黄土抗压强度特性及其影响因素[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(5): 1927-1938.