活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭穩固紅土的抗壓和抗剪強度

　　土壤的行為和特性顯著影響許多土木工程項目的經濟性、安全性和成功。土壤穩定和土壤加固在許多工程結構中被廣泛用于提高巖土特性，例如天然土壤的可塑性、耐久性、抗剪強度、密度和滲透性。必須考慮環境控制的各個方面，包括水污染控制、水資源、圍堵和廢物處理，以及減輕地震和滑坡等自然災害對建筑物的影響。因此，穩定下墊土對于建立穩定的系統至關重要。本研究使用活性炭和椰殼纖維作為環保粘合劑來穩定紅土。進行了包括無側限抗壓強度試驗和直接剪切試驗在內的實驗，以研究不同百分比活性炭穩定土的力學性能。

　　實驗材料和方法

　　本次采用的活性炭是由椰殼作為原料生產的，具有微孔特征和高比表面積，圖1顯示了紅土、活性炭和椰殼纖維的圖像。椰棕纖維具有更高的抗拉強度，更輕，含有更多的半纖維素、纖維素和木質素，并且比其他天然纖維具有更慢的降解速度。

　　圖1：(a)紅土、(b)活性炭和(c)椰殼纖維的圖像。

　　使用無側限壓縮試驗研究活性炭和椰棕纖維的穩定試樣的機械特性。測試按照特定的速率進行，以確定穩定土的抗壓強度(qu)。試樣被壓實三層，類似于壓實試驗。圖2顯示了本次調查中用于UCS測試的機器。

　　圖2：UCS測試(a)壓縮前和(b)壓縮后。

　　無側限抗壓強度試驗

　　天然土壤、活性炭穩固土壤和椰殼纖維穩固土壤的應力-應變曲線如圖3所示。首先，檢查土壤中1%、2%和3%的活性炭含量。然后，對土壤進行了1%、2%、3%的活性炭和0.5%的椰殼纖維測試，因為添加椰殼纖維會使壓實密度降低5%以上，因此會降低土壤強度。如圖3a所示，土壤強度隨著活性炭含量的增加而提高，與之前的研究相似。例如，對于1%、2%和3%活性炭，未經處理的UCS值分別為200.87kPa、243.65kPa、306.31kPa和545.40kPa，如圖3所示一個。0.5%椰殼纖維的組合進一步增加了活性炭穩固土壤的UCS，如圖3b所示。同樣，還發現添加活性炭提高了土壤的UCS值。

　　圖3：(a)活性炭試樣和(b)椰殼纖維試樣的UCS結果。

　　活性炭的高強度取決于土壤孔隙度的減少。膠結鍵和更致密的織物是UCS值和剪切強度提高的主要原因。圖3b表明，活性炭穩定土中的添加纖維將活性炭穩定土的脆性行為轉變為柔性行為，同時提高了抗壓強度。活性炭試樣的應力-應變曲線顯示出快速硬度達到峰值，然后軟化。然而，通過在活性炭試樣中添加0.5%的椰殼纖維，增強試樣顯示出延展性行為。活性炭試樣中添加的纖維通過將纖維周圍的顆粒緊密包裹起來作為橋面來增強土壤強度。

　　直接剪切試驗

　　活性炭試樣的剪切強度與剪切應變的關系。峰值剪切強度隨著正應力的增加而提高，特別是300kPa正應力。此外，添加活性炭增加了峰值剪切強度，并且增強率隨著法向應力的增加而增加，如圖4a所示。同樣，添加0.5%的椰殼纖維進一步提高了活性炭穩定土的峰值剪切強度，如圖4b所示。雖然在天然紅土中添加活性炭會增加峰值強度，但對于超過2%的活性炭，增加率并不顯著。例如，活性炭穩定土的峰值強度分別為2%和3%活性炭的121.8kPa和123.72kPa。總體而言，與本研究的結果相似。發現在石灰穩定土壤中使用椰殼纖維可進一步提高抗拉強度和抗壓強度。還觀察到，椰殼纖維的加入提高了膨脹土中的兩個剪切參數。

　　圖4：(a)不同百分比的活性炭對不同法向應力下剪切強度的影響，(b)活性炭穩定土中夾雜纖維對不同法向應力下抗剪強度的影響。

　　活性炭穩固紅土的抗壓和抗剪強度，研究了一種用于紅土土壤穩定的技術，包括活性炭和椰殼纖維。本研究通過很多方法測試評估了用活性炭和椰殼纖維穩定的土壤。根據測試結果，發現未經處理的紅土不能用作小流量道路的路面，除非用活性炭和椰殼纖維進行穩定。總的來說，根據本實驗工作的發現，得出以下結論：

　　1、隨著活性炭含量的增加和椰殼纖維的添加，土壤樣品的抗壓強度顯著增強。這種改進是由于纖維、活性炭和土壤之間的有效聯鎖。

　　2、在活性炭土中添加椰殼纖維可改善力學參數，例如峰值剪切強度、摩擦角、內聚性、柔韌性和剩余強度，這些是建筑工程中的關鍵參數。

　　3、椰殼纖維改性試樣的內聚力高于未經處理的試樣。活性炭在穩定過程中填充微孔和多孔結構。當均勻分散在土壤中時，椰殼纖維可以填補一些空隙并提供互鎖效果。因此，由于增加的內聚力和摩擦角，椰殼纖維和活性炭可以顯著提高土壤的剪切強度。因此，這些材料會產生復雜的土壤混合物，由于過載，地面上的突然破壞會減少。

　　4、活性炭和椰殼纖維的結果顯示了哪些孔隙被活性炭填充。因此，由于材料的原因，礦物質和添加劑之間的反應結合了土壤顆粒，從而提高了內聚性、壓縮和剪切強度。

　　5、活性炭的多孔結構和微孔在穩定過程中充滿了紅土。因此，活性炭在紅土中的孔徑和孔體積減小。

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