生物炭改良膨胀土路基的工程特性优化与可持续性评估

本研究针对膨胀土(ES)路基易变形、承载力差等问题，创新性采用椰壳生物炭(450°C慢速热解)作为可持续改良剂。通过Design Expert软件优化配比(2%生物炭)，使膨胀率降低73.1%，抗拉强度提升67.3%，CBR值(浸水/未浸水)分别提升至7%/12.8%。SEM和IITPAVE分析证实其通过孔隙填充和阳离子交换机制增强稳定性，为低碳道路建设提供新方案。

　　

膨胀土被称为工程界的"癌症"，其高含量的蒙脱石等黏土矿物遇水膨胀、失水收缩的特性，常导致道路龟裂、建筑倾斜等灾害。传统石灰/水泥稳定法虽有效但碳排放高，而印度南部20%国土被这类"黑色棉花土"覆盖，亟需绿色解决方案。印度理工学院帕特纳分校(原National Institute of Technology Patna)的Sunil Priyadarshi和Anil Kumar Sharma团队在《Sustainable Chemistry for Climate Action》发表研究，创新性地将农业废弃物转化的椰壳生物炭(450°C热解)应用于路基改良，揭示了这种多孔碳材料如何通过物理-化学双重机制驯服"暴躁"的膨胀土。

研究采用响应面法(RSM)设计实验，通过自由膨胀率(FSI)、膨胀指数(EI)、劈裂抗拉强度(St)和加州承载比(CBR)等测试评估1-5%生物炭掺量效果，结合SEM显微观察和IITPAVE路面设计软件进行多尺度验证。

4.1 膨胀行为分析

2%生物炭使FSI从26%骤降至7%，归因于其多孔结构吸收结合水并压缩双电层(DDL)。SEM显示生物炭像"纳米海绵"填充土壤孔隙，减少黏土矿物水化空间。

4.3 力学性能提升

劈裂抗拉强度增长67.3%达87kPa，因生物炭表面负电荷增强阳离子交换容量(CEC)，促进Ca²⁺/Mg²⁺桥接作用。5%掺量时浸水CBR突破7%，满足IRC:37标准对路基的要求。

4.5 生命周期评估

该生物炭每吨生产成本比传统稳定剂低35%，且热解过程产生的生物油/合成气可循环供能。模型预测其在土壤中可稳定固碳数百年，实现"负碳排放"。

这项研究不仅为膨胀土治理提供了经济有效的解决方案(2%掺量即可减少73%膨胀)，更开创了"农业废弃物-生物炭-碳封存"的闭环技术路径。通过IITPAVE验证，改良后路基可使路面结构层总厚度减少15-20%，以印度乡村道路建设规模估算，每公里可节约成本约1.2万美元。未来结合微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术，或可进一步实现"生物-矿物"协同加固，推动土木工程向"碳中和"目标迈进。