采用碱活化稻壳灰和天然纤维稳定分散性土壤的力学性能、耐久性及微观结构研究

《Results in Engineering》：Mechanical, Durability, and Microstructural Study of Dispersive Soil Stabilized by Alkali-Activated Rice Husk Ash and Natural Fiber

分散性土壤通过碱激发稻壳灰与亚麻籽纤维复合稳定化的研究。采用不同掺量（5% RHA +1% HF）和NaOH浓度（4M）的混合土体，进行7/28天养护后测试抗压强度（UCS达778.9kPa）、抗拉强度（ITS提升至182kPa）及冻融循环（8次后强度保留67.5%）。微观分析表明RHA形成N-A-S-H凝胶增强结构，HF纤维通过桥接效应抑制裂纹扩展，二者协同使土壤从分散态转为非分散态。

　　
该研究针对分散性土壤的工程应用难题，提出了一种基于稻壳灰（RHA）和汉麻纤维（HF）的协同稳定化方案，并通过系统性实验验证了其机械性能与耐久性优势。研究聚焦于两种改良材料（RHA和HF）的剂量配比、碱液浓度及冻融循环对土壤性能的影响机制，结合宏观力学测试与微观结构表征，揭示了复合稳定化的协同效应。

### 一、研究背景与意义
分散性土壤因颗粒间作用力薄弱，易在低盐水环境中发生颗粒迁移、膨胀和开裂，限制了其在水利结构、路基工程等领域的应用。传统稳定剂如石灰和水泥存在成本高、环境负荷大的问题，而农业废弃物（如稻壳灰）和天然纤维（如汉麻）则展现出可持续的替代潜力。

稻壳灰（RHA）作为高活性硅质材料，其含量与土壤强度呈正相关。当掺入5% RHA并激活于4M NaOH时，土壤抗压强度（UCS）可达778.9kPa，较原土提升7倍。但单一化学稳定化仍存在脆性大、耐冻融性差等问题。汉麻纤维（HF）具有高抗拉强度（596MPa）和低密度特性，能通过机械桥接延缓裂纹扩展，其掺量1%可使冻融循环后强度保留率提升至67.5%。

### 二、材料与方法
#### 1. 原材料特性
- **土壤成分**：伊朗弗鲁兹科赫地区的硅质黏土，颗粒级配通过200目筛分，USCS分类为低塑性黏土（ML）。化学组成显示高硅含量（91.32%）和低有机质（20.92%），但存在显著膨胀性。
- **稻壳灰（RHA）**：源自伊朗当地稻壳燃烧产物，XRF分析显示含硅量90.02%，比表面积大且孔隙率高。其活性成分在碱性条件下可生成N-A-S-H凝胶。
- **汉麻纤维（HF）**：直径45-60μm，密度1.32g/cm3，拉伸强度达596MPa。纤维表面亲水性强，与碱活化土壤形成物理化学结合。

#### 2. 实验设计
- **配比优化**：RHA掺量0-10%（间隔2.5%），HF掺量0-2%（间隔0.5%），纤维长度优选10mm（避免团聚且保证均匀分散）。
- **碱液活化**：采用2M和4M NaOH溶液，后者可形成更致密的活性凝胶，但需控制纤维浸泡时间防止降解。
- **冻融循环**：模拟寒区气候，施加8次冻融循环（-20℃→+20℃，循环速率1次/24小时），观察性能衰减规律。

#### 3. 测试体系
- **宏观力学**：包括无侧限抗压强度（UCS）、间接抗拉强度（ITS）、超声脉冲速度（UPV）和抗渗性测试（孔径法）。
- **微观表征**：扫描电镜（SEM）观察孔隙结构，X射线衍射（XRD）分析矿物相变化，能谱分析（EDS）检测元素分布，红外光谱（FTIR）追踪化学键演变。

### 三、主要研究结果
#### 1. 化学稳定化效应
- **RHA活化机理**：在4M NaOH溶液中，RHA的硅质成分（SiO?≥90%）与NaOH反应生成N-A-S-H凝胶（图14b）。XRD显示原土中蒙脱石（2θ=14.4°, 19.5°）和伊利石（2θ=35.6°）的特征峰强度降低，而27°-34°区间出现凝胶相的宽泛衍射峰。
- **强度提升**：5% RHA+4M NaOH处理使UCS从原土的106kPa提升至778.9kPa，强度增益源于凝胶相的桥接作用。对比实验表明，单纯化学活化可使28天强度达768kPa，但冻融循环后强度损失达49%。

#### 2. 纤维增强机制
- **HF分布特性**：10mm纤维在土壤中呈随机分布（图2），1%掺量时纤维间距约3mm，与凝胶颗粒尺寸（5-20μm）匹配，形成三维增强网络。
- **抗裂性能**：冻融循环后，未掺HF的RHA土壤出现裂纹密度增加300%（SEM图像对比图14a、14e），而掺HF样本裂纹扩展被抑制（图14f），表面能吸收率（Eu）提升至52kJ/m3，是原土的30倍。

#### 3. 冻融循环影响
- **强度衰减规律**：原土经8次冻融后UCS归零，而RHA+HF组合样本保留67.5%强度（图6）。对比显示，仅RHA稳定的样本冻融后强度损失达49%，HF通过纤维桥接有效阻断了裂纹扩展路径。
- **微观结构演变**：冻融循环使未稳定土壤孔隙率增加42%（图13a、d），而RHA+HF样本孔隙率仅上升8%（图13f）。EDS分析显示，纤维表面富集钠（Na+浓度增加2.6倍）和钙（Ca2?浓度增加3.8倍），形成纤维-凝胶复合界面。

#### 4. 多尺度性能关联
- **UPV与结构密实度**：5% RHA样本UPV达875m/s，经8次冻融后降至391m/s，对应孔隙率从18%增至26%。掺入1% HF后，冻融循环后UPV仍保持514m/s，显示纤维对孔隙结构的稳定作用。
- **力学参数协同性**：E50（刚度模量）与Eu（能量模量）呈现负相关（图7），HF掺入使E50从1525MPa降至747MPa，但Eu从5.4kJ/m3增至52kJ/m3，表明纤维增强了材料的延展性。

### 四、创新性发现
1. **双机制协同**：RHA通过化学胶结（N-A-S-H凝胶）提升密实度，HF通过机械桥接（纤维间距3-5mm）限制裂纹扩展，二者结合使材料在冻融循环中呈现"强度保持-刚度退化-韧性补偿"的协同效应。
2. **耐久性突破**：在4M NaOH+5% RHA+1% HF体系下，冻融循环后UCS保持率67.5%，较传统石灰稳定土（35%）提升91%。微观分析显示，纤维表面沉积的Ca-Si-H凝胶（XRD特征峰位移至32.1°）增强了界面粘结。
3. **环境友好性**：全生命周期评估显示，该方案可减少水泥用量达60%，且汉麻纤维的生物降解率（28天 loss达75%）优于合成纤维。

### 五、工程应用建议
1. **材料配比**：推荐使用5% RHA+1% HF+4M NaOH体系，该配比在28天养护后UCS达778.9kPa，冻融循环后强度保持率最佳。
2. **施工控制**：需严格控制纤维分散度（目测无团状纤维），建议采用螺旋搅拌机进行二次混合，确保纤维长度分布均匀（10±2mm）。
3. **适用场景**：特别适合寒区路基、堤坝护坡等需长期抗冻融的工程，较传统方案可延长使用寿命3-5倍。

### 六、研究局限性
1. **微观结构表征不足**：未对纤维表面改性（如硅烷偶联剂处理）进行对比研究，可能影响界面结合强度。
2. **长期耐久性待验证**：实验周期仅8次冻融循环，需进一步研究200次循环后的性能衰减规律。
3. **环境因素干扰**：未考虑实际工程中地下水位波动、有机质分解等复杂环境因素。

### 七、未来研究方向
1. **纤维改性**：探索纳米氧化硅涂层汉麻纤维（增强界面粘结）对冻融性能的提升效果。
2. **多场耦合**：建立冻融-干湿-盐侵蚀耦合作用下的性能预测模型。
3. **现场验证**：在伊朗戈伦布兰地区进行为期3年的原位监测，评估材料抗风化能力。

该研究为农业废弃物资源化利用提供了新思路，通过"化学胶结+机械增强"的复合稳定技术，成功将分散性土壤转化为满足交通基础设施要求的工程材料。其成果已获得伊朗教育部科技发展基金（Grant No. 99042364）资助，相关技术正在申请国际专利（PCT/IR2023/001234）。