生物炭粒径对黏土压缩性和铅固定化的微观结构与力学效应

《Scientific Reports》：Microstructural and mechanical effects of biochar particle size on clay compressibility and lead immobilization

　　

对可持续土壤稳定剂的需求推动了土-生物炭混合物在岩土工程应用（如垃圾填埋衬垫和路基系统）中的研究兴趣。然而，生物炭粒径在控制压缩性、剪切强度和重金属固定化方面的作用仍不清楚。本研究考察了源自竹子的细生物炭（FB）和粗生物炭（CB）在1–10%掺量下对黏性土压缩性、剪切强度和Pb²⁺固定化的影响。一维固结试验表明，相对于未处理土，10% FB使孔隙比增加了31.7%，而CB使其降低了22.7%。两种生物炭在高掺量下均降低了压缩指数和膨胀指数，其中FB处理土在较高应力下表现出更大的刚度。孔隙指数分析表明形成了稳定且抗应力的土-生物炭基质。微观结构观察显示FB混合物中颗粒堆积更密实，而CB混合物在高掺量下表现出颗粒破碎。毒性特征浸出程序（TCLP）试验表明，5% FB在14天内将Pb²⁺浓度降至监管限值以下，而CB则需要更高的掺量或更长的养护时间。这些发现强调了生物炭粒径在优化屏障应用的土壤性能和污染物固定化方面的关键作用。

软土通常表现出低强度和高压缩性，对路堤、基础系统和垃圾填埋衬垫等岩土工程构成严峻挑战。传统稳定材料如水泥、石灰和粉煤灰虽能改善土体性能，但存在能耗高、碳排放量大及成本制约等问题。生物聚合物虽环境友好，但生产成本高且来源有限。生物炭作为生物质在限氧条件下热解获得的富碳材料，凭借其多孔性、高比表面积（SSA）、活性官能团和阳离子交换容量（CEC）等特性，在岩土与环境岩土工程领域受到广泛关注。然而，生物炭粒径对土体压缩性、剪切强度及重金属固定化的协同影响机制尚不清晰，且内在压缩框架在定量表征生物炭诱导土体结构改性方面的应用仍十分有限。

针对上述空白，研究人员系统考察了竹源细生物炭（FB，粒径<75 μm）和粗生物炭（CB，粒径1.18–2 mm）在1%、2%、5%和10%掺量下对黏性土压缩性、剪切强度和Pb²⁺固定化行为的影响。研究发现：10% FB使孔隙比增加31.7%，但压缩指数（C_c）和膨胀指数（C_s）显著降低；CB使孔隙比降低22.7%但改善效果有限。5% FB在14天内使Pb²⁺浸出浓度降至美国环保署（USEPA）TCLP监管限值（5 mg/L）以下。该论文发表于《Scientific Reports》，为垃圾填埋衬垫等隔离屏障的可持续设计提供了关键理论依据与工程指导。

研究人员以印度瓦朗加尔国家理工学院职工宿舍区采集的扰动黏性土为对象（最优含水率OMC=18%，最大干密度MDD=1.77 g/cm3，液限67.8%，塑限26.6%，按USCS分类为高压缩性土）。采用一维固结试验（ASTM D2435）测定压缩曲线、直接剪切试验（ASTM D3080M）测定剪切参数、毒性特征浸出程序（TCLP，USEPA Method 1311）结合电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）测定Pb²⁺浓度，并利用扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行微观表征；Pb²⁺污染土采用Pb(NO₃)₂制备至1000 mg/kg。

**Effect of biochar particle size on compression curve（生物炭粒径对压缩曲线的影响）：**FB处理在1–5%掺量时压缩曲线下移，2% FB初始孔隙比最低（0.41），10%时上移（初始孔隙比0.83），归因于生物炭内孔隙贡献。CB处理呈非单调趋势，2%时孔隙比最高（0.81），10%时最低，与粗颗粒的宏观孔隙网络效应相关。

**Compression profile morphology of biochar-amended soil（生物炭改良土的压缩剖面形态）：**FB处理使压缩曲线拐点右移，先期固结压力从60 kPa升至266 kPa（10% FB），表明颗粒互锁和结构刚性增强；CB在2%时形成半刚性桥接结构，5%时拐点后斜率陡增，与颗粒破碎有关。

**Plastic deformation behavior（塑性变形行为）：**10% FB和2% CB塑性变形最小（Δe分别为0.03和0.06），尽管孔隙比较高，表明塑性变形主要由土-生物炭基质的界面键合与整体完整性而非孔隙比控制。

**Compression index behavior（压缩指数行为）：**FB和CB均显著降低C_c，10% FB在400 kPa时C_c低至0.05；5% CB在800 kPa时C_c达0.338，归因于剪切诱导的粗颗粒破碎与细碎片重排。

**Swell index behavior（膨胀指数行为）：**FB处理在400 kPa卸载应力下使C_s降低33%–81.3%，10% FB效果最佳；CB在2%时C_s最低（0.002），高掺量下形成松散接触网络导致回弹增加。

**Intrinsic characteristics of biochar-soil（生物炭-土的内在特征）：**基于Burland孔隙指数（I_v）框架，10% FB使I_v从未处理土的0.2升至0.93，表明结构稳定性显著提升；实验测得的内在压缩线（ICLE）与理论内在压缩线（ICLT）吻合良好。

**Microstructural investigation（微观结构研究）：**SEM显示FB处理形成致密絮凝桥接结构，10% FB形成连贯的土-生物炭骨架；CB在5%时颗粒破碎，10%时形成粗颗粒抗载骨架。

**Shear strength parameters（剪切强度参数）：**5% FB时黏聚力从28 kPa增至131.5 kPa，归因于高SSA增强的静电引力与接触面积；10% CB时摩擦角提高，与粗颗粒骨架的互锁效应一致。

**Heavy metal leachability（重金属浸出性）：**5% FB在14天内使Pb²⁺浸出浓度低于USEPA限值，90天时10% FB浸出浓度仅0.6 mg/L；CB处理效果逊于FB，2% CB需90天才达标。

**Mechanisms responsible for Pb²⁺ immobilization（Pb²⁺固定化机制）：**Pb²⁺固定化归因于表面羟基（–OH）和羧基（–COOH）的络合作用、CEC驱动的阳离子交换以及生物炭微孔结构的物理截留，FB因更高SSA和官能团暴露而表现更优。

讨论部分指出，孔隙指数分析为定量评价生物炭诱导的人工结构效应提供了有效工具；固结与剪切结果趋势一致，表明二者存在定性关联。研究结论：生物炭粒径显著影响黏性土压缩性，10% FB兼具高孔隙比和低压缩性；FB处理延迟拐点、增大先期固结压力、减小塑性应变并抑制弹性回弹；5% FB可在14天内实现Pb²⁺达标固定化；研究成果为垃圾填埋衬垫及污染隔离屏障的生物炭粒径与掺量优选提供了科学依据。