使用石灰、纳米氧化镁和回收PET纤维增强粘土的力学和抗剪性能：实验与超声波时差法评估

在软土地基上建设

许多城市正在向含有天然弱、易膨胀、收缩和开裂的粘土覆盖的地区扩展。此类土壤会导致道路破损、管道渗漏以及建筑物地基随时间倾斜。本研究探讨了一种更清洁、更智能的方法，将问题粘土转变为更坚固、更可靠的施工基础——同时降低碳排放并回收废弃塑料瓶。

一种更强土体的新配方

研究者将重点放在高塑性粘土上，这是一种在遇水或干燥时体积容易变化的顽固土类。传统上，工程师通过掺入石灰来加固和稳定这类土壤。石灰效果良好，但其生产会释放大量二氧化碳。为减少碳足迹并提升性能，研究团队开发了一种三元混合体系：石灰、超细纳米氧化镁（纳米MgO）和由回收聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，饮料瓶塑料）制成的短纤维。设计思路是石灰和纳米MgO通过化学作用“胶结”土粒，而PET纤维像微小的增强丝线，在土体开裂或变形时把混合物连接起来。

土样的测试方法

将粘土样品按不同比例掺入石灰、纳米MgO和PET纤维，压实后养护至多90天。团队测量了每种配合比的抗压性能（无侧限抗压强度）、抗拉性能（间接抗拉强度）以及抗剪性能（直接剪切试验以获得摩擦角和粘聚力）。他们还使用超声脉冲速度（UPV）方法：向样品发送声波并记录传播速度。波速越快意味着内部结构越致密、连续。与传统破坏性强度试验不同，UPV为非破坏性，提示可能在现场快速检查土体质量而无需破坏样品。

找到最佳配比

实验显示混合比例存在明显的“最佳点”。提高石灰含量可使强度提升，直到约占干土重的10%；超过该量，过多石灰会生成脆弱晶体，反而削弱土体。用少量纳米MgO替代部分石灰（大约以石灰重量的2%计）可进一步提升强度和刚度。经过90天养护，这种石灰+纳米配方使抗压强度相比未处理粘土提高了八倍以上，且比单用石灰提高约40%至50%。按土重加入0.9% PET纤维则在抗裂和抗拉破坏方面提供了额外增益，但再多加入纤维收益有限，纤维团聚甚至可能产生弱区。

窥见土体内部

显微与表面成像证实了力学试验的结论。未经处理的粘土显得疏松多孔，呈片状颗粒并有大量空隙。相比之下，掺入10%石灰和2%纳米MgO的样品呈现致密结构：粘土颗粒被胶凝状反应产物包裹并粘结，孔隙被填充、颗粒相互连接。可见PET纤维穿插于该基体中，纤维表面黏附有胶结土体，形成三维网络，有助于分散荷载并阻止裂缝扩展。UPV测量很好地反映了这些内部变化：随着土体变得致密且粘结性增强，超声波传播更快。研究发现波速与强度、粘聚力和摩擦角等关键参数之间存在稳健的数学关联，表明可利用UPV在不破坏样品的情况下估算土体的稳定化效果。

这对实际工程为何重要

对于工程师和规划者而言，优化后的配方——10%石灰、2%纳米MgO和0.9%回收PET纤维——在性能、成本与可持续性之间提供了有吸引力的平衡。它显著提高了强度和抗剪抗力，帮助地基和土工结构在粘土地基上更安全地承载，同时减少了所需石灰量并为废弃塑料提供了有用的二次利用途径。利用简单超声测试监控土体质量还可让施工现场的质量控制更快、更便宜。尽管该研究在受控实验室条件下进行，尚需在真实气候与荷载循环下进行现场放大验证，但其指向了在挑战性地基上建造更耐久且更环保途径的可能性。

引用: Amiri, A.A., Ranjbar Malidarreh, N., Soleimani Kutanaei, S. et al. Enhancing the mechanical and shear behavior of clay soil using lime, Nano-MgO, and recycled PET fibers: experimental and UPV-based assessment. Sci Rep 16, 7548 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38956-z

关键词: 粘土固结/稳定化, 纳米氧化镁, 回收PET纤维, 超声检测, 岩土工程