利用椰子纤维改善纳米粘土稳定黄土的机械性能和冻融耐久性

《Results in Engineering》：Enhancing the Mechanical Properties and Freeze–Thaw Durability of Nanoclay-Stabilized Loess Using Coconut Fibers

黄土纳米黏土与椰子纤维协同改良的力学性能及抗冻融特性研究。通过制备含不同比例纳米黏土（NC）和椰子纤维的黄土样本，进行压缩、单轴抗压、间接抗拉、冻融循环及 collapse potential 测试，结合SEM、FTIR和EDS微观分析。结果表明，1.5% NC使UCS提升74.76%，0.6%纤维协同作用使UCS增加110.02%、ITS提高575.68%，CP从“中度严重”降至“轻微”，冻融循环后强度保持率优于传统方法。该技术兼具环保（降低30-70%碳足迹）和工程效益，为解决黄土地区基础设施稳定性问题提供新方案。

　　本文探讨了通过添加纳米粘土（NC）和椰子纤维对黄土进行改良的效果。黄土作为一种常见的问题性土壤，具有较低的机械强度和较高的含水率敏感性，这使其在工程建设中面临诸多挑战。传统的改良方法，如使用石灰和水泥，虽然在提高土壤强度方面表现出色，但它们的环境影响，尤其是温室气体排放，限制了其广泛应用。近年来，纳米材料和天然纤维因其环境友好性和可持续性，成为研究的热点。本研究旨在评估NC与椰子纤维联合使用的协同效应，以提高黄土的机械性能和冻融耐久性，同时降低其塌陷潜力。

在实验设计中，研究人员准备了不同比例的NC（0.5%、1%、1.5%和2%）和椰子纤维（0.3%、0.6%和0.9%）的黄土样本，并进行了压实、无侧限抗压强度（UCS）、间接拉伸强度（ITS）、塌陷潜力（CP）和冻融循环测试。此外，还使用了扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线荧光（XRF）和能量色散X射线光谱（EDS）进行微观结构分析。研究结果表明，NC显著提高了黄土的压实性能，同时增加了UCS和ITS，分别达到74.76%和184.40%。当联合使用NC和椰子纤维时，UCS和ITS进一步提升，分别达到110.02%和575.68%。此外，黄土的塌陷潜力从“中度严重”改善至“轻微”，表明这种联合处理有效降低了土壤的塌陷风险。

黄土在干燥时表现出较高的强度，但在吸水后会发生突然的体积收缩，这使其在工程建设中存在严重风险。这种特性使得黄土成为全球范围内许多基础设施项目中的问题土壤。本研究强调，NC和椰子纤维的结合不仅提升了黄土的机械性能，还增强了其在冻融循环下的耐久性。NC的高比表面积和层状结构使其能够有效填充土壤颗粒间的空隙，增强颗粒间的结合力，从而提高土壤的强度和稳定性。椰子纤维则因其高抗拉强度和韧性，有助于减少土壤的脆性，增强其延展性和抗裂能力。

在具体的实验方法中，研究人员首先对黄土样本进行了压实测试，以确定最佳含水率和最大干密度。随后，他们对不同添加剂含量的土壤样本进行了UCS和ITS测试，以评估其压缩和拉伸性能。为了研究冻融循环对土壤性能的影响，样本被置于-20°C的低温环境中进行冻融测试，随后在室温下进行UCS测试以评估其在不同循环次数下的强度变化。此外，研究人员还对土壤的塌陷潜力进行了评估，以衡量其在吸水后的体积变化情况。

微观结构分析提供了关于土壤改良机制的深入见解。SEM图像显示，添加NC后，土壤颗粒之间的空隙减少，形成了更紧密的结构。FTIR分析则揭示了土壤中氢氧键强度的降低和硅氧键的增强，这表明NC促进了土壤颗粒之间的粘结，从而改善了其物理性能。EDS分析进一步证实了NC在土壤中的均匀分布，以及其与土壤颗粒之间的化学相互作用。这些微观变化与宏观的机械性能提升相吻合，表明NC和椰子纤维的联合使用能够有效改善黄土的结构和性能。

从环境角度来看，本研究提出了一种可持续的土壤改良方案。与传统化学添加剂相比，NC和椰子纤维的使用对环境的影响较小，减少了温室气体排放和对土壤的污染。椰子纤维作为一种农业副产品，具有成本低、来源广泛和可降解等优点，为可持续土壤改良提供了新的选择。NC则因其作为天然矿物添加剂的特性，能够有效改善土壤的化学和矿物组成，从而增强其稳定性。这种结合不仅降低了对工业材料的依赖，还符合绿色建筑和可持续发展的理念。

研究还发现，随着NC和椰子纤维含量的增加，土壤的某些性能呈现出非线性变化。例如，当NC含量达到1.5%时，其对UCS的提升效果最佳，而超过这一比例后，由于颗粒聚集和孔隙率增加，土壤的性能反而有所下降。同样，椰子纤维的最优添加比例为0.6%，超过这一比例后，其增强效果减弱，可能由于纤维的过度纠缠和分布不均。这些发现表明，在实际应用中，选择合适的添加剂比例至关重要，以实现最佳的土壤改良效果。

此外，研究还探讨了冻融循环对土壤性能的影响。结果显示，未经改良的黄土在10次冻融循环后，其UCS和ITS显著下降，而添加了NC和椰子纤维的土壤表现出更高的耐久性。这一发现对于寒冷地区或经历频繁温度变化的工程环境尤为重要，因为这些地区的土壤稳定性受到显著影响。通过使用NC和椰子纤维，土壤不仅能够保持较高的强度，还能在冻融循环中维持较好的结构完整性，从而降低潜在的工程风险。

在实际应用中，这种联合改良方法具有重要的工程意义。黄土广泛分布于全球多个地区，包括中国、美国、加拿大、中欧和东欧国家、俄罗斯和伊朗等。这些地区的工程建设常常面临黄土塌陷和强度不足的问题。通过采用NC和椰子纤维进行改良，不仅可以提高土壤的工程性能，还能减少对环境的负面影响，符合当前可持续发展的趋势。因此，这种改良方法为黄土地区的基础设施建设提供了新的思路和解决方案。

综上所述，本研究通过实验和分析，证明了NC和椰子纤维联合使用对黄土性能的显著改善。这种方法不仅提升了土壤的机械强度和耐久性，还有效降低了其塌陷潜力，为可持续的土壤改良提供了新的可能性。随着对绿色建筑和环境友好材料的重视，这种结合自然材料的改良方法有望在未来的土木工程中得到更广泛的应用。