《Environmental Research》：Mechanical properties and micromechanisms of solid waste stabilized aeolian sand improved by nano- CaCO
3 and fibers
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•协同纳米碳酸钙与玄武岩纤维体系显著提升了风积砂的强度、韧性和耐久性。•DIC揭示纳米碳酸钙引起应变局部化，而玄武岩纤维促进应变弥散。•纳米界面增强与纤维桥接的微机理有效抑制了裂纹扩展。引言风积砂广泛分布于干旱和半干旱地区，由于其松散颗粒结构、级配不良、缺乏内聚力和高渗透性，
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协同纳米碳酸钙与玄武岩纤维体系显著提升了风积砂的强度、韧性和耐久性。
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DIC揭示纳米碳酸钙引起应变局部化，而玄武岩纤维促进应变弥散。
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纳米界面增强与纤维桥接的微机理有效抑制了裂纹扩展。
引言
风积砂广泛分布于干旱和半干旱地区，由于其松散颗粒结构、级配不良、缺乏内聚力和高渗透性，对岩土工程构成了重大挑战（Dong等，2026；Kazmi等，2026；Gao等，2025）。在天然状态下，风积砂承载力低、水稳定性差，未经处理不适合高速公路路基、边坡防护和基础系统等高标准基础设施工程（Barrera等，2026；Darsanj等，2026；Wu等，2021）。因此，开发高效且经济可行的改良技术对于提高区域基础设施的韧性同时最小化施工活动的生态足迹至关重要。
风积砂自身强度不足，需要改性固化处理才能满足路基填筑要求（Wang等，2026；Chen等，2024）。现有固化技术各有局限。物理稳定化工艺简单但性能提升有限。传统的化学固化方法使用水泥和石灰，应用广泛，但水泥碳排放高，石灰固化产生较大的干缩变形，不适合多冻融循环的寒冷干旱地区（Zhang等，2026；Chen等，2023）。利用工业固废的碱激发固化可消纳大宗固废，兼具技术经济和环境效益，是当前研究热点（Zhang等，2026；Quan等，2024）。虽然单一掺入纤维或纳米材料可以改善材料脆性，但通常面临难以同时实现高强度和良好韧性的瓶颈。
近年来，利用水渣和粉煤灰等工业固废制备碱激发胶凝材料来稳定问题土已成为岩土工程领域的研究热点（Chen等，2026；Cao等，2026；Xia等，2025）。该技术不仅实现了工业副产物的大规模资源化利用，有效缓解了废弃物堆放造成的环境压力，还通过地质聚合反应形成高强度胶凝网络，显著改善了土的物理力学性能（Guo等，2024；Amin等，2023）。然而，单一碱激发固废稳定材料往往表现出脆性破坏特征。在复杂环境荷载（如冻融循环和干湿交替）和长期应力作用下，容易产生微裂纹并快速扩展，导致耐久性和韧性不足（Gawwad等，2026；Hu等，2025）。
为突破传统稳定材料"强度足够但韧性不足"的瓶颈，引入纳米材料和纤维进行多尺度复合改良已成为提升岩土材料性能的重要途径（Zhang等，2025；Wu等，2025；Wang等，2022）。纳米碳酸钙（Nano-CaCO?）凭借其独特的纳米尺寸效应和高表面活性，在物理填充微孔隙、提供成核位点和诱导水化产物生成方面发挥多重作用，从而优化基体微观结构，提高其致密性和早期强度（Zheng等，2026；Shah等，2025）。另一方面，纤维材料（如玄武岩纤维）在基体中形成随机分布的三维空间网络，提供有效的桥接和增强作用。这显著抑制了裂纹的萌生和扩展，改善了脆性缺陷，赋予材料优异的抗裂性和延性破坏特征（Zhang等，2024；Ogasawara等，2023）。
目前，虽然纳米材料或纤维单一改性土体的研究已有所成就，但大多采用纤维和纳米材料单一掺杂改性。关于纳米-纤维多尺度协同改性碱激发固废稳定风积砂的研究较少，协同机理尚不明确。寒冷干旱地区的冻融耐久性研究不足。大多数研究仅关注初始力学性能，缺乏冻融条件下劣化规律和机理的微观分析。多尺度改性后材料失效演变的定量观测不足，对纳米和纤维变形及抑裂机理的理解需要深化。为此，本研究以阜新风积砂为研究对象，以碱激发水渣/粉煤灰为胶凝体系，引入纳米碳酸钙和玄武岩纤维构建复合改良体系。本研究从宏观、介观和微观多尺度视角揭示纳米-纤维协同改性固废固化风积砂的力学和冻融耐久性能。采用DIC和介观Abaqus模拟揭示裂纹演化和剪切带发展规律。阐明了协同介观机理：纳米颗粒界面从拉伸脱粘转变为剪切脱粘，纤维拔出和桥接实现能量耗散。本研究为寒冷干旱地区固废资源化和风积砂路基工程性能优化奠定了坚实的理论基础，提供了技术支持。
章节摘要
实验原材料
实验用砂取自阜新市张武县风积砂，呈黄褐色。光学显微镜观察显示其表面光滑圆润，未经处理难以直接作为建筑材料使用。其宏观形貌如图1(a)所示。采用土工振动筛分机通过筛分法测试了风积砂的颗粒组成，获得颗粒级配曲线，如图1(b)所示。其
纤维增强单轴抗压强度实验结果与分析
应力-应变曲线能够清晰表征BF改性碱激发水渣-粉煤灰稳定风积砂的峰值强度和破坏应变等力学指标，以及其加载阶段的演化规律，如图3所示。整个加载过程可分为五个主要阶段：初始压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段、达到极限荷载前阶段和残余应力维持
TG-DTG分析
图15展示了不同条件下的TG和DTG曲线。所有样品在加热过程中均表现出显著的质量损失，归因于水化产物的脱水和分解以及碳酸盐的分解。曲线随不同改性条件的变化而变化，凸显了改性方法对材料化学成分和结构稳定性的关键作用（Li等，2026）。
从热响应行为的角度来看，所有
结论
本研究以碱激发水渣/粉煤灰（NSF）为基体，掺入纳米碳酸钙和玄武岩纤维制备了复合改性风积砂材料。系统研究了纤维含量、纤维长度和纳米碳酸钙替代率对力学性能、冻融耐久性和破坏机理的影响。主要结论如下：
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纳米碳酸钙改善了基体的致密性和界面粘结性能。玄武岩纤维可形成三维
作者贡献声明
李文亮：撰写——初稿、方法论。张向东：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念化。李宇航：资源获取、项目管理。苏立娟：验证、软件。董尧：可视化、监督、形式化分析
未引用参考文献
Chen等，2024；De Aza等，2024；Jiang等，2026；John Shaise等，2023；Li等，2026；Li等，2024；Li等，2026；Tang和Wang，2022；Wu等，2025；Zhang等，2026；Zhang等，2023；Zheng等，2026。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：51774166、52104132和52374091）的资助。
李文亮|张向东|李宇航|苏立娟|董尧
