热带黏土加筋用阿萨伊纤维的力学性能与耐久性研究

《Journal of Natural Fibers》：Mechanical Performance and Durability of A?aí Fibers as Reinforcement in Tropical Clay Soil

本文系统评估了阿萨伊纤维（A?aí fibers）作为可持续加筋材料在热带黏土中的力学性能演变规律。研究表明，掺入1%-2%纤维可显著提升土体无侧限抗压强度（UCS）超205%，并通过FTIR、SEM等表征手段揭示了纤维素降解导致的强度衰减机制。2%纤维含量可延缓复合材料性能退化，为临时岩土工程提供了技术可行且环境友好的解决方案。

　　

引言

人类活动与环境相互作用引发的污染问题日益受到关注，特别是在巴西等自然资源丰富的发展中国家，固体废弃物管理面临严峻挑战。岩土工程为改善土体性能，近年来开始探索天然纤维作为加筋材料的可行性。阿萨伊纤维（Euterpe oleracea）作为亚马逊地区大规模农产品加工的副产品，其纤维层约占果实质量的5.3%，单根纤维长度约21.2±7.5 mm，直径0.12±0.03 mm，具有轻质（密度约1.3 g/cm³）和良好拉伸强度的特性，其木质纤维素组成（纤维素46%，木质素25%）为土体增强提供了理论依据。

材料与方法

研究采用巴西利亚热带黏土（黏粒含量41.3%，塑性指数15）与阿萨伊纤维，通过标准击实试验确定最佳含水率（ω_opt）和最大干重度（γ_dmax）。制备直径50 mm、高100 mm的圆柱试样，纤维掺量按土体干重设置为1%（SR1%）和2%（SR2%），并以未加筋土（SP）作为对照。试样在自然气候下暴露0、2、4、6个月后，进行无侧限抗压强度（UCS）测试，并结合X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电镜（SEM）等分析纤维化学结构与微观形貌演变。

力学性能与耐久性

纤维加入使土体最大干重度从15.92 kN/m³降至15.26 kN/m³，最佳含水率由22.54%升至23.02%。初始状态下，2%纤维掺量使UCS从346.7 kPa提升至1271.3 kPa（增幅267%），应变能吸收能力达49.6 kJ/m³（较未加筋土提升470%）。暴露6个月后，纤维抗拉强度从249.72 MPa降至127.41 MPa，弹性模量从3.73 GPa降至2.08 GPa，而断裂伸长率仅从7.83%降至6.49%。统计学分析（ANOVA与Tukey检验）表明，2%纤维组在4个月内的强度仍显著高于未加筋土，且降解速率缓于1%纤维组。

微观机制解析

XRD显示纤维结晶度指数为50.79%，FTIR谱图中3400 cm^?1处羟基峰及1750 cm^?1处羰基峰强度随暴露时间减弱，表明纤维素与半纤维素降解。SEM图像显示纤维表面粗糙度随暴露时间增加，内部出现孔洞结构，XRF检测到铝、铁元素含量上升，证实土壤胶体颗粒在纤维孔隙中的沉积。这些微观变化直接导致纤维-土体界面粘结性能衰退。

结论与展望

阿萨伊纤维可显著提升热带黏土的短期力学性能，但纤维素降解导致长期耐久性下降。2%纤维掺量能有效延缓性能衰减，适用于临时边坡加固、填方工程等场景。未来需通过表面改性技术提升纤维抗降解能力，并结合生命周期评估（LCA）验证其环境效益，推动该生物质材料在可持续岩土工程中的规模化应用。