Grewia bicolor汁协同生物钙稳定热带土壤制备压缩土块（CEB）的力学与耐久性能研究

《Next Materials》：Investigation of mechanical and durability properties of bio-calcium-stabilized tropical soils with Grewia bicolor juice for compressed earth block production

　　

研究人员评估了Grewia bicolor汁（GBJ）作为热带土壤的富钙生物稳定剂（calcium-rich bio-stabilizer）。最佳GBJ掺量取决于土壤类型、黏粒分数（clay fraction）和塑性（plasticity）。GBJ改善了抗压强度（compressive strength）、耐磨性（abrasion resistance）和耐水响应（water-resistance response）。在最佳无侧限抗压强度（UCS）掺量下，抗弯强度（flexural strength）下降，显示出不同的拉伸响应（tensile response）。结果支持用于压缩土块（CEB）生产的钙-有机耦合稳定机制（coupled calcium-organic stabilization mechanism）。

研究背景：水泥基材料因力学强度高、耐久和施工适应性强而被广泛使用，但水泥生产能耗和碳排放高，约贡献全球人为CO₂排放的7–8%。压缩土块（CEB）无需烧结、可利用本地土壤，但原土存在力学强度不稳定、尺寸不稳定、表面侵蚀和湿敏降解等问题；CEB性能还受颗粒级配、黏粒含量与矿物活性、拌合水、压实压力和稳定剂剂量影响。传统水泥或石灰稳定可通过阳离子交换、双电层压缩、絮凝-团聚及水化/火山灰反应改善黏性土，但水泥稳定会提高CEB的隐含能耗和碳排放。植物源添加剂和天然生物聚合物因聚合物桥联、氢键、凝胶形成、颗粒包覆、孔隙填充、团聚和增强互锁而受到关注。Grewia bicolor树皮遇水可释放富含多糖的黏液；GBJ兼具植物有机相与含钙组分，为研究有机-矿物结合及钙辅助作用提供了基础。既往Grewia bicolor研究多集中于树皮粉配水泥或树皮汁用于道路基层红土，尚未解决新提取GBJ作为拌合水替代组分时，在不同级配、黏粒含量、塑性、氧化物组成和亲水性土壤中的最优剂量及强度-耐久平衡问题。仅以无侧限抗压强度（UCS）优化可能不足以反映CEB整体工程性能，需同时评价抗弯、耐磨、吸水、侵蚀、干密度、收缩和尺寸稳定性。研究假设高黏粒分数和高塑性土壤因比表面积大、需水量高和与稳定剂相互作用潜力大而需要更高GBJ剂量；超过最优剂量则可能因保水增加、破坏颗粒直接接触、降低密实度或增加变形而降低性能。

研究人员开展了土壤特定评价：三种热带土（lateritic、red、clay-rich）采自肯尼亚Jomo Kenyatta University of Agriculture and Technology（JKUAT）附近，Grewia bicolor纤维材料来自Chad。先表征未处理土壤及GBJ，再以GBJ占拌合液总质量0、5、10、15和20%处理，测稠度界限、线缩、压实特性和UCS；按最高UCS选择5%（lateritic）、10%（red）、15%（clay）制备CEB，比较未处理与处理块的压缩、抗弯、干密度、耐磨和吸水，并用SEM、EDXS、XRF、XRD、FTIR及pH分析解释，最后进行等权多准则排序。研究结论表明GBJ可改善压缩与湿响应，但抗弯下降，需按土壤类型和目标性能优化。

关键技术方法（不超过250字）：土壤样本来源为肯尼亚JKUAT附近，Grewia bicolor纤维来源为Chad。关键方法包括土壤比重、天然含水率、粒径分布、XRF、SEM-EDXS、XRD和FTIR表征；GBJ制备及其总固体、pH和流出时间测定；0–20% GBJ掺量下稠度、线缩、Proctor压实和UCS筛选；按UCS选定剂量制作CEB，经100 d环境调理后测压缩、抗弯、干密度、耐磨和吸水；采用ANOVA、Tukey HSD和等权多准则排序分析。

研究结果：
3.1 未处理材料特性：通过物理、化学和微结构表征发现，三种土比重2.38–2.56，天然含水率4.77–9.58%；lateritic土含15%砾、40%砂、17.8%粉粒和27.2%黏粒，分类为CL；red和clay土黏粒约50.3%和49.4%，分类为CH；AASHTO均为A-7-6。土壤以SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃为主；Grewia干物质CaO当量60.70%、MgO当量8.28%；stock GBJ总固体11.11%，pH均值5.19（24.8 °C）。SEM显示处理区团聚更致密，EDXS显示Grewia区域含14.29 at% Ca，XRD和FTIR提供矿物与官能团解释框架。

3.2 GBJ对稠度和线性收缩的影响：通过稠度界限和线缩试验发现，GBJ使三种土液限和塑限均提高；lateritic土液限由42.2%升至20% GBJ时55.0%，red由53.1%升至59.8%，clay由51.3%升至59.24%。clay的塑性指数随GBJ增加而下降，lateritic和red则中度增加；线缩总体降低或稳定，说明稠度界限提高未导致更大干燥收缩。

3.3 GBJ对压实特性的影响：通过标准Proctor压实发现，lateritic土最大干密度由约1.70 g cm^?3升至10% GBJ时约2.20 g cm^?3后稳定，最佳含水率由约18.5%降至约14%；red和clay最大干密度变化小，约1.40–1.50 g cm^?3；clay最佳含水率约22–23%，red约31–33%。

3.4 UCS响应与土壤特定GBJ剂量选择：通过UCS筛选发现非线性先升后降响应；lateritic土在5% GBJ达最高均值1.48 MPa，red土在10%达1.32 MPa，clay土在15%达1.82 MPa，并据此选择制块剂量。

3.5 CEB力学性能：通过块尺度压缩、抗弯和干密度试验发现，GBJ提高三种CEB压缩强度：red由4.233升至4.904 MPa（+15.9%），lateritic由3.731升至3.980 MPa（+6.7%），clay由3.230升至3.681 MPa（+14.0%）；抗弯强度均下降：red由0.730降至0.650 MPa（?11.0%），lateritic由0.363降至0.280 MPa（?22.9%），clay由0.270降至0.190 MPa（?29.6%）；干密度分别增加4.9%、0.7%和3.3%。结果表明UCS最佳剂量提高压缩和密度，但未提高弯曲性能，存在压缩-弯曲权衡。

3.6 CEB耐久性能：通过XP P13-901耐磨和吸水试验发现，磨耗损失降低：red 33.9%、lateritic 6.8%、clay 86.6%；吸水降低：red 23.2%、lateritic 55.1%、clay 33.0%，但处理后clay仍达25.62%。表明GBJ增强表面颗粒保持并降低吸水，但clay残余吸水仍高，耐磨与耐水需分别评价。

3.7 选定土壤-剂量系统的统计比较：通过描述统计、ANOVA和Tukey HSD发现，三种土壤-剂量系统在压缩强度、磨耗系数和吸水率上差异显著（F=26.126、51.694、33.633；p≤0.001；η²=0.897–0.945）。等权多准则排名red土0.888居首，lateritic土0.415第二，clay土0.333第三；但土壤类型与剂量混杂，不能分离独立效应，排名亦受指标和权重影响。

讨论总结：作者将改善解释为颗粒缔合、干燥黏液膜、聚合物桥联、氢键和离子作用以及潜在钙辅助有机-矿物相互作用的综合结果；SEM、FTIR、XRF、XRD和EDXS提供解释框架，但未定量孔隙闭合、溶解活性组分或新形成水合物。UCS最优不等于抗弯或耐久最优；多准则排名对指标、归一化和权重敏感；块尺度土壤与剂量混杂，需完整土壤×剂量设计。局限包括未单独测定活性多糖和溶解钙、未评估长期湿干循环、侵蚀、淋滤和生物老化，需匹配SEM、处理界面分析和长期耐久验证。

研究结论（翻译）：新鲜提取的Grewia bicolor汁提高了三种热带土壤压缩土块（CEB）系统的抗压强度、表面耐磨性和吸水响应，有效剂量随土壤类型变化。UCS筛选确定最佳剂量为lateritic土5% GBJ、red土10%、clay土15%。在块尺度，压缩强度增加6.7–15.9%，磨耗损失和吸水降低；但抗弯强度下降11.0–29.6%。red土系统在压缩、耐磨和耐水之间取得最佳平衡，得分0.888；lateritic块吸水最低，clay块耐磨最强但仍高度吸水。这些发现表明GBJ剂量和土壤选择应按目标性能定制，而非统一浓度。XRF、XRD、FTIR和局部EDXS及比较SEM支持基于颗粒缔合和潜在有机-矿物相互作用的解释。stock GBJ含11.11%总固体，24.8 °C平均pH 5.19；Grewia EDXS区域含14.29 at%钙。处理区SEM显示致密团聚，符合压缩接触和表面保持改善。这些观察提供机制框架，但不量化孔隙闭合、溶解活性负载或新形成水合物相；匹配成像和处理界面直接分析将增强对微观过程与块尺度性能联系的理解。总体而言，在需要改善压缩和湿响应且抗弯降低可接受的场合，GBJ具有作为本地来源CEB稳定剂的潜力；其实践贡献在于表明土壤特定优化和多性能验证对土壤稳定剂的负责任应用至关重要。