苹果树生物炭改良黄土力学性能的机理研究及其在岩土工程中的应用

针对黄土地区地质灾害频发和工程病害问题，研究人员通过三轴试验结合微结构分析，系统研究了苹果树生物炭(Biochar)改良黄土(BAL)的力学性能。结果表明生物炭可显著提升黄土抗剪强度、降低排水条件下体积应变并增强不排水条件下的抗液化能力，为农业废弃物在岩土工程中的资源化利用提供了理论依据。

　　

黄土高原作为全球黄土分布最广的区域，长期面临地质灾害频发、生态环境脆弱等挑战。独特的颗粒级配(GSD)和成土过程使黄土具有大孔隙、弱水稳性、强湿陷性等特征，导致填方地基和边坡易出现不均匀沉降等问题。与此同时，该地区每年产生大量苹果树枝条等农业废弃物，如何实现废弃物资源化利用成为关键课题。

长安大学(First author affiliation: Chang'an University)的研究团队在《Powder Technology》发表研究，首次系统探究了苹果树生物炭对黄土力学性能的改良机制。通过三轴剪切试验结合扫描电镜(SEM)和压汞法(MIP)等分析技术，揭示了生物炭通过改变团聚体结构和孔隙分布来提升土体性能的微观机理，为农业废弃物在岩土工程中的应用提供了科学依据。

关键技术方法包括：1) 采集陕西彬州4-6m深度的黄土样本(CL分类)；2) 设置0%-15%生物炭含量梯度，制备饱和BAL试样；3) 开展固结排水(CD)和固结不排水(CU)三轴试验；4) 采用SEM观察微观形貌，MIP测定孔隙分布。

【应力-应变曲线特征】
排水剪切试验显示，随着生物炭含量增加，应力-应变曲线从应变硬化型转变为应变软化型。当含量≥10%时，所有围压下均出现峰值强度，表明材料从塑性向脆性转变。

【体积变化与孔压响应】
生物炭使排水条件下的体积应变降低23.1%-41.7%，显著抑制土体收缩；不排水条件下孔压发展速率减缓56%，最终孔压值降低19%-34%，证实其抗液化能力提升。

【强度参数变化】
内摩擦角从28.7°增至34.5°，黏聚力从21.3 kPa升至32.6 kPa。15%生物炭含量的BAL试样，其不排水抗剪强度增幅达47.8%，显著高于排水条件(26.4%)。

【微观机制阐释】
SEM显示生物炭改变了黄土的团聚体类型和尺寸，形成更多>50μm的稳定团聚体。MIP证实生物炭使孔隙分布双峰化，新增0.1-1μm的微孔和10-50μm的中孔，孔隙曲折度增加37%，这是力学性能改善的结构基础。

该研究首次建立了生物炭-黄土体系的"微观结构-宏观力学"响应关系，证实农业废弃物衍生的生物炭可同步提升黄土的工程性能和生态效益。成果对黄土地区边坡加固、填方地基处理等工程实践具有直接指导价值，同时为"双碳"目标下的固碳型土工材料开发提供了新思路。值得注意的是，生物炭含量超过10%后会出现脆性破坏特征，这为工程应用中的配比优化提供了临界参数。