花生壳粉（PSP）稳定土坯的矿物学、微观结构、物理、水理与热行为研究

《South African Journal of Chemical Engineering》：Mineralogical, microstructural, physical, hydric and thermal behavior of adobe stabilized with peanut shells powder

　　

花生壳粉（peanut shells powder, PSP）稳定土坯（adobe）的矿物学、微观结构、物理、水理（hydric）与热（thermal）行为。花生壳粉被成功用于土坯稳定化；水理行为（hydric behavior）随花生壳粉掺入而改善；当花生壳粉掺量至5 wt.%时，土坯的力学抗力（mechanical resistance）增强；热导率（thermal conductivity）随花生壳粉掺入而降低。

研究背景方面，布基纳法索属炎热干燥热带气候，基础设施建设加快，但多数基础设施采用水泥基材料，水泥生产能耗约4.9 GJ·t^?1，每吨熟料约排放1 t CO₂，且水泥建筑维持热舒适能耗较高。土坯（adobe，以黏土质土制成的未烧制砖）建筑因材料生产与建造能耗较低、热舒适较好而成为可持续替代方案，但在小城镇和农村仍多依赖传统经验制砖，对原料性质认识不足，砖体力学强度不足，雨后需反复修补。当地民众常将植物纤维、秸秆、花生壳、牛粪和植物煎剂等加入土中以改善砖体力学和热性能；已有研究多关注植物纤维、牛粪和植物煎剂，花生壳虽在西非和中非大量产生并传统用于建筑，科学关注仍有限。花生壳热导率约0.09 W·m^?1·K^?1，具有改善土坯热性能的潜力。因此，Ouanmini Bobet等研究花生壳粉（peanut shells powder, PSP）对土坯物理、力学、水理、热性能及矿物学和微观结构的影响，所用黏土取自Lougouri，当地已用于住房建造和陶器生产。研究人员将黏土与0、5、10、20 wt.% PSP混合制备土坯并系统表征，得出PSP可降低表观密度和热导率、改善水理行为、在5 wt.%以内提高力学强度，超过5 wt.%后力学强度下降但所有试样抗压强度仍高于1.5 MPa；X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）、差示扫描量热（differential scanning calorimetry, DSC）和扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）结果还表明PSP引起蒙脱石层间多酚插入、孔隙结构变化以及5 wt.%时致密化。该研究为花生壳农业副产物资源化和可持续土坯材料开发提供了依据，5 wt.% PSP在力学性能与减重之间较平衡，更高掺量在热性能和抗侵蚀方面更具优势。

关键技术方法方面，所用黏土来自Lougouri（2°35′ W，13°54′ N，瓦希古亚东南约10 km），花生壳来自Laye（瓦加杜古以北约35 km）。原料表征采用湿筛与沉降粒度分析、Atterberg界限、比表面积（Brunauer–Emmett–Teller, BET）、波长色散X射线荧光（wavelength-dispersive X-ray fluorescence, WDXRF）、XRD、傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR）及差热/热重分析（differential thermal and thermogravimetric analyses, DTA/TGA）。将黏土和花生壳粉碎至<100 μm，按0、5、10、20 wt.% PSP与黏土混合，加水至最佳含水量，手工揉捏10 min，在4×4×16 cm³模具中双层压实，每层30击，24 h脱模，室内养护21 d。测试包括表观密度与闭孔率、线性收缩、抗折和抗压强度（NF P 18-406，10 kN，0.2 kN/s）、毛细吸水（NF EN 1015-18）、喷淋雨蚀（105 °C干燥，30°角，2 bar，10 min，再105 °C干燥24 h）、热导率（TR-1探针，KD2分析仪，32 °C）、XRD/FTIR、DSC及SEM-能量色散X射线光谱（energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS）。

研究结果如下。3.1 土坯的物理性能：通过表观密度、闭孔率和线性收缩测试，发现PSP显著改变土坯物理性质。3.1.1 土坯的表观密度与闭孔率：表观密度由2.03降至1.53 g·cm^?3，随PSP掺量增加而降低；闭孔率由约20%升至32%。3.1.2 线性收缩：参考土坯线性收缩为17.4%，PSP掺入降低线性收缩并改善尺寸稳定性，所有试样未见可见裂缝。3.1.3 土坯的水理性能：通过毛细吸水和喷淋雨蚀评价，PSP改善水理行为。3.1.3.1 毛细吸收：毛细吸水随PSP掺量增加而降低，吸水系数逐步下降，作者归因于细颗粒填充及毛细孔连通性降低。3.1.3.2 雨蚀试验：喷淋后质量损失由参考土坯约35 wt.%降至5 wt.% PSP约16 wt.%，10和20 wt.% PSP时接近0 wt.%，20 wt.%试样几乎完整。3.1.4 土坯的热性能：热导率由参考土坯1.2 W·m^?1·K^?1降至20 wt.% PSP约0.7 W·m^?1·K^?1，降低约42%。3.1.5 土坯的力学性能：抗折和抗压强度在PSP掺量至5 wt.%时提高，超过5 wt.%后降低；所有试样抗压强度均超过1.5 MPa，参考土坯和5 wt.% PSP试样满足2.068 MPa要求。3.2 土坯的矿物学性能：XRD未见新生相，峰强度随PSP增加而降低；蒙脱石6°（2θ）峰半高宽增加，作者认为多酚插入层间导致蒙脱石无序度增加；DSC中约100 °C水分去除峰随PSP增加而变宽，蒙脱石脱水峰向低温移动，高岭石脱羟基峰略向高温移动，PSP特征峰至10 wt.%仍明显。3.3 土坯的微观结构：SEM显示参考土坯存在连通或孤立孔隙，5 wt.% PSP时孔隙显著减少、材料致密；超过5 wt.%后孔隙重新出现并增多，材料呈海绵状；600倍SEM显示5 wt.%以内仍有未参与填充的PSP残留；EDS元素强度降低与PSP掺入后的稀释效应有关。

讨论部分总结：作者认为PSP密度较低导致表观密度下降；细颗粒PSP的填充作用可改变孔隙结构并降低毛细孔连通性，从而改善水理行为；热导率降低但幅度中等，与PSP吸水和细粉填充减少空气孔有关；5 wt.%时填充效应及黏土-颗粒相互作用改善力学性能，多酚与铁等金属离子络合可能影响凝聚但尚需进一步证据；超过5 wt.%后孔隙增加、颗粒接触减弱和PSP高吸水性导致力学强度下降。结论部分翻译为：来自布基纳法索的原料黏土主要由33 wt.%高岭石、40 wt.%石英、10 wt.%伊利石、8 wt.%蒙脱石和7 wt.%针铁矿组成，具有适合土坯生产的地质技术性能。将黏土与0至20 wt.% PSP混合，研究其对土坯物理、热、水理和力学性能的影响。结果表明，PSP掺入改善了土坯的若干性能：表观密度和热导率随PSP增加而降低，表明该农业副产物可用于生产更轻且隔热性能改善的土坯；水理行为改善，毛细吸水显著降低，模拟降雨侵蚀试验中质量损失显著降低，10和20 wt.% PSP时质量损失接近零，抗雨蚀性能显著提高；抗折和抗压强度在PSP掺量至5 wt.%时提高，超过后降低，但含PSP试样仍高于1.5 MPa最低抗压强度。总体而言，这些结果突出表明花生壳粉作为农业副产物可改善用于可持续建筑的土坯的选定性能；5 wt.% PSP在力学性能与降低密度之间提供有利平衡，更高掺量可能在热性能和抗侵蚀方面提供更大改善。实际应用前仍需进一步研究长期耐久性、湿度相关热性能和不同环境条件下的力学行为；PSP使用还可促进农业废弃物资源化并发展更环境友好的建筑材料，但需评估经济可行性和环境影响。