《Sustainable Chemistry and Pharmacy》：Sustainable valorization of shield tunneling spoil via silane-coupled recycled mask fibers: Interfacial enhancement and engineering performance
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盾构隧道渣通过硅烷偶联剂（SCA）耦合废弃口罩纤维（WMF）和聚丙烯纤维（PPF）改性，显著提升力学性能与可工作性。宏观测试表明最佳耦合条件为浸泡法、40% SCA浓度、5小时及40℃温度，分别获得46.35%和41.01%的耦合率，0.10%纤维掺量时28天抗压强度提升13%（WMF）和15%（PPF）。微观分析证实SCA通过-Si-O-C-和-Si-O-Si-键形成界面增强，优化纤维-基体结合。
余张斌|孙新波|王春英|马天星|傅先雷|江哲远
福建农林大学资源与环境学院，福州，350002，中国
摘要
快速的城市建设和公共卫生突发事件产生了大量的盾构隧道渣土以及一次性口罩，这给废物管理带来了挑战。本研究提出了一种可持续的方法，将回收的口罩纤维（WMF）通过硅烷偶联剂（SCA）整合到盾构隧道渣土中，以增强纤维与基体的相容性，同时使用聚丙烯纤维（PPF）作为对照。研究包括宏观测试，如WMF的偶联效果（单因素）测试、工作性能测试以及增强后渣土的无约束抗压强度（
q_u）测试。微观测试包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）分析，用于研究偶联纤维和增强后渣土的结构。结果表明，WMF和PPF的最佳偶联条件为浸泡法、40%的SCA浓度、5小时处理时间和40°C的温度，分别获得了46.35%和41.01%的偶联率。工作性能测试表明，尽管流动性有所降低，但纤维的加入抑制了渗出现象并提高了新鲜状态下的稳定性。
q_u测试显示，当纤维含量为0.10%时性能达到最佳，WMF的抗压强度增加了13%，PPF的抗压强度增加了15%。通过FTIR和SEM分析的微观结构表征证实，硅烷基团通过-Si-O-C-和-Si-O-Si-共价键成功偶联，从而增强了表面粗糙度和界面粘附力，并构建了坚固的三维增强骨架。改性过程涉及四个化学演变阶段：水解、自缩合、吸附和化学偶联，其中工程性能主要受纤维含量、表面润湿性和空间分布的影响。本研究展示了一种可持续且高性能的盾构隧道渣土和废弃口罩回收利用途径。
引言
盾构隧道渣土是在隧道施工过程中由盾构机产生的，主要由砾石、沙子、粘土和水组成（Cao等人，2023年；Zhou等人，2025年）。目前，其处置方式主要依赖于堆放或填埋，这消耗了宝贵的土地资源并导致了大量的废弃物（Zhou等人，2025年；Shen等人，2025年；Wang等人，2025年）。为了解决这一问题，将渣土作为二次建筑材料进行可持续利用（如再生骨料、灌浆材料和路基填料）已成为一种有前景的途径（Cao等人，2023年；Zhou等人，2025年；Zhang等人，2020年；Wang等人，2026年；Sun等人，2025年）。最近的进展表明，通过优化混合设计和化学活化，盾构隧道渣土可以转化为低碳、高性能的地质聚合物复合材料或混凝土，与传统水泥基材料相比显著减少了生态足迹（Wang等人，2025年；Ding等人，2018年；Ye等人，2012年）。
尽管取得了这些进展，但由于原始渣土含水量高、内聚力低和机械强度不足，其直接工程应用仍然受到限制（Shen等人，2025年；Yang等人，2022a）。虽然使用无机或有机粘合剂进行化学固化可以改善其工程性能，但仅依靠粘合剂来实现高性能要求仍然具有挑战性（Cao等人，2023年）。最近关于现场改性的研究主要集中在提高流动性以及替代传统材料（如膨润土）上，然而固化渣土固有的脆性和低抗拉强度仍然限制了其更广泛的应用（Zhou等人，2025年；Shen等人，2025年；Wang等人，2025年；Zhang等人，2020年；Ling等人，2018年；Sreekrishnavilasam等人，2007年）。因此，加入离散纤维以增强固化基体已成为提高机械可靠性的关键策略（Yang等人，2022b；Ni等人，2023年；Jiang等人，2010a；Wang等人，2013年）。
全球大流行引发了废弃口罩纤维（WMF）的激增，每年产生的废弃量约为162,000吨，通过微塑料降解或有毒气体释放对生态系统构成了严重威胁（Sun等人，2023年；Cui等人，2023年；Ozdemir等人，2025年）。最近的研究探索了将切碎的WMF掺入混凝土、砂浆和道路基层中以提高刚度和柔韧性的可行性（Sun等人，2023年；Ozdemir等人，2025年；Said和Rahhal，2022年；Han等人，2023年；Wang等人，2023年）。然而，WMF增强复合材料的一个根本瓶颈是纤维表面的化学惰性和亲水性差，导致与水泥基体的界面粘附力弱（Kilmartin-Lynch等人，2022年；Zhang等人，2025年）。硅烷偶联剂（SCA）通过引入反应性官能团并改善表面润湿性，从而在纤维-基体界面建立了坚固的化学桥梁，提供了可行的解决方案（Valadez-Gonzalez等人，1999a；Girones等人，2007年）。
聚丙烯纤维（PPF）因其化学稳定性和可用性而被广泛认为是理想的合成增强材料，其在提高无约束抗压强度（q_u）、抗变形能力和峰值后的延展性方面已被证明有效（Yang等人，2022b；Ni等人，2023年；Zhu等人，2025年；Niu等人，2025年）。现有文献表明，纤维增强材料的机械性能通常呈现单峰趋势：当纤维含量达到某个临界值时强度会增加，之后由于纤维聚集作用逐渐下降（Zhu等人，2025年；Niu等人，2025年；Yang等人，2017年；Xiao等人，2022年；Duan和Zhang，2019年）。例如，关于PPF增强水泥土的研究强调了这一最佳纤维含量的重要性（例如，增强土的最佳PPF含量为0.4%）。然而，WMF增强盾构隧道渣土是否也表现出类似的临界阈值，以及控制这种行为的潜在机制，目前尚未得到充分探索。此外，在相同的岩土条件下，SCA改性的WMF与传统合成纤维（如PPF）之间的比较研究仍然很少，SCA诱导的界面增强对盾构隧道渣土的工作性能和机械性能的协同效应也尚未系统研究。
本研究通过一系列宏观实验和微观结构表征来评估SCA偶联WMF增强渣土的性能。通过优化偶联过程，本研究旨在全面理解界面增强机制，并为隧道渣土和WMF的高价值回收提供可持续的解决方案。
实验材料
本研究中使用的硅烷偶联剂偶联的废弃口罩纤维增强渣土主要由盾构隧道渣土、硅烷偶联剂（SCA）、废弃口罩纤维（WMF）和波特兰水泥组成。盾构隧道渣土来源于中国重庆地铁5号线北延段中央公园西路与春轩大道之间的盾构隧道（Cao等人，2023年）。收集后，盾构隧道渣土在强制空气干燥箱中进行了干燥。
偶联效果（单因素）测试结果
图3展示了偶联率（
CR）/吸水率（
WAR）与偶联方式、SCA浓度、偶联时间和偶联温度之间的关系。如图3（a）所示，当采用浸泡法时，WMF和PPF均达到了最高的偶联率和吸水率。WMF的偶联率为46.35%，PPF的偶联率为41.01%，相应的吸水率分别为92.57%和86.78%。图3（b–d）展示了SCA的影响。
WMF/PPF的偶联机制分析
图9展示了SCA偶联WMF/PPF的机制图。SCA对纤维的改性经历了四个协同作用的化学演变阶段：水解、自缩合、吸附和化学偶联。（1）水解：最初，SCA的硅烷单体在无水乙醇中水解形成反应性的硅醇基团，同时释放出酒精（见图9中的水解过程）（Ganetri等人，2016年）。（2）自缩合：然后，这些硅醇基团...
结论
本研究探讨了使用通过硅烷偶联剂（SCA）改性的回收口罩纤维（WMF）增强盾构隧道渣土的方法。通过将宏观工程性能与微观结构表征相结合，研究表明SCA诱导的界面增强有效地优化了复合材料的性能。主要结论如下：
局限性
尽管本研究提供了一些见解，但目前的机制分析主要是定性的。未来的研究将结合定量技术（如无损CT成像、纤维分散分析和孔隙率测量），以更严格地验证SCA偶联WMF增强渣土的增强机制。
CRediT作者贡献声明
余张斌：撰写——初稿，资源获取。
孙新波：撰写——初稿，资金获取。
王春英：撰写——初稿，调查。
马天星：可视化，方法学。
傅先雷：形式分析，概念化。
江哲远：撰写——审稿与编辑，验证，项目管理。
伦理批准
不适用于不涉及人类或动物的研究。
临床试验编号
不适用。
手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用了ChatGPT来提高语言的可读性。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。
资助
本研究得到了以下机构的财政支持：
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国家自然科学基金（42502277）
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国家地质灾害防治与地质环境保护重点实验室开放基金（SKLGP2025K004）
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福建省绿色化学技术重点实验室开放基金（WYKF-GCT2024-5）
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福建省自然科学基金（2025J08066）
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澳门青年学者计划（AM2025011）
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了以下机构的财政支持：
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国家自然科学基金（42502277）
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国家地质灾害防治与地质环境保护重点实验室开放基金（SKLGP2025K004）
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福建省绿色化学技术重点实验室开放基金（WYKF-GCT2024-5）
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福建省自然科学基金（2025J08066）
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澳门青年学者计划（AM2025011）
