活性炭穩(wěn)固紅土的抗壓和抗剪強(qiáng)度
活性炭穩(wěn)固紅土的抗壓和抗剪強(qiáng)度
土壤的行為和特性顯著影響許多土木工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性、安全性和成功。土壤穩(wěn)定和土壤加固在許多工程結(jié)構(gòu)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(qiáng)度、密度和滲透性。必須考慮環(huán)境控制的各個(gè)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(zāi)害對(duì)建筑物的影響。因此，穩(wěn)定下墊土對(duì)于建立穩(wěn)定的系統(tǒng)至關(guān)重要。本研究使用活性炭和椰殼纖維作為環(huán)保粘合劑來穩(wěn)定紅土。進(jìn)行了包括無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)，以研究不同百分比活性炭穩(wěn)定土的力學(xué)性能。
實(shí)驗(yàn)材料和方法
本次采用的活性炭是由椰殼作為原料生產(chǎn)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(qiáng)度，更輕，含有更多的半纖維素、纖維素和木質(zhì)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(cè)限壓縮試驗(yàn)研究活性炭和椰棕纖維的穩(wěn)定試樣的機(jī)械特性。測(cè)試按照特定的速率進(jìn)行，以確定穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度(qu)。試樣被壓實(shí)三層，類似于壓實(shí)試驗(yàn)。圖2顯示了本次調(diào)查中用于UCS測(cè)試的機(jī)器。
圖2：UCS測(cè)試(a)壓縮前和(b)壓縮后。
無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)
天然土壤、活性炭穩(wěn)固土壤和椰殼纖維穩(wěn)固土壤的應(yīng)力-應(yīng)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(duì)土壤進(jìn)行了1%、2%、3%的活性炭和0.5%的椰殼纖維測(cè)試，因?yàn)樘砑右瑲だw維會(huì)使壓實(shí)密度降低5%以上，因此會(huì)降低土壤強(qiáng)度。如圖3a所示，土壤強(qiáng)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(duì)于1%、2%和3%活性炭，未經(jīng)處理的UCS值分別為200.87kPa、243.65kPa、306.31kPa和545.40kPa，如圖3所示一個(gè)。0.5%椰殼纖維的組合進(jìn)一步增加了活性炭穩(wěn)固土壤的UCS，如圖3b所示。同樣，還發(fā)現(xiàn)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(jié)果。
活性炭的高強(qiáng)度取決于土壤孔隙度的減少。膠結(jié)鍵和更致密的織物是UCS值和剪切強(qiáng)度提高的主要原因。圖3b表明，活性炭穩(wěn)定土中的添加纖維將活性炭穩(wěn)定土的脆性行為轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝孕袨?，同時(shí)提高了抗壓強(qiáng)度。活性炭試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示出快速硬度達(dá)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(qiáng)試樣顯示出延展性行為?；钚蕴吭嚇又刑砑拥睦w維通過將纖維周圍的顆粒緊密包裹起來作為橋面來增強(qiáng)土壤強(qiáng)度。
直接剪切試驗(yàn)
活性炭試樣的剪切強(qiáng)度與剪切應(yīng)變的關(guān)系。峰值剪切強(qiáng)度隨著正應(yīng)力的增加而提高，特別是300kPa正應(yīng)力。此外，添加活性炭增加了峰值剪切強(qiáng)度，并且增強(qiáng)率隨著法向應(yīng)力的增加而增加，如圖4a所示。同樣，添加0.5%的椰殼纖維進(jìn)一步提高了活性炭穩(wěn)定土的峰值剪切強(qiáng)度，如圖4b所示。雖然在天然紅土中添加活性炭會(huì)增加峰值強(qiáng)度，但對(duì)于超過2%的活性炭，增加率并不顯著。例如，活性炭穩(wěn)定土的峰值強(qiáng)度分別為2%和3%活性炭的121.8kPa和123.72kPa?？傮w而言，與本研究的結(jié)果相似。發(fā)現(xiàn)在石灰穩(wěn)定土壤中使用椰殼纖維可進(jìn)一步提高抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。還觀察到，椰殼纖維的加入提高了膨脹土中的兩個(gè)剪切參數(shù)。
圖4：(a)不同百分比的活性炭對(duì)不同法向應(yīng)力下剪切強(qiáng)度的影響，(b)活性炭穩(wěn)定土中夾雜纖維對(duì)不同法向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度的影響。
活性炭穩(wěn)固紅土的抗壓和抗剪強(qiáng)度，研究了一種用于紅土土壤穩(wěn)定的技術(shù)，包括活性炭和椰殼纖維。本研究通過很多方法測(cè)試評(píng)估了用活性炭和椰殼纖維穩(wěn)定的土壤。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)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(jìn)行穩(wěn)定?？偟膩碚f，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)工作的發(fā)現(xiàn)，得出以下結(jié)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(qiáng)度顯著增強(qiáng)。這種改進(jìn)是由于纖維、活性炭和土壤之間的有效聯(lián)鎖。
2、在活性炭土中添加椰殼纖維可改善力學(xué)參數(shù)，例如峰值剪切強(qiáng)度、摩擦角、內(nèi)聚性、柔韌性和剩余強(qiáng)度，這些是建筑工程中的關(guān)鍵參數(shù)。
3、椰殼纖維改性試樣的內(nèi)聚力高于未經(jīng)處理的試樣?；钚蕴吭诜€(wěn)定過程中填充微孔和多孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)均勻分散在土壤中時(shí)，椰殼纖維可以填補(bǔ)一些空隙并提供互鎖效果。因此，由于增加的內(nèi)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(qiáng)度。因此，這些材料會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的土壤混合物，由于過載，地面上的突然破壞會(huì)減少。
4、活性炭和椰殼纖維的結(jié)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(zhì)和添加劑之間的反應(yīng)結(jié)合了土壤顆粒，從而提高了內(nèi)聚性、壓縮和剪切強(qiáng)度。
5、活性炭的多孔結(jié)構(gòu)和微孔在穩(wěn)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。
本文作者：董帝豪
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