摘 要：本发明属于岩土工程材料技术领域，具体涉及一种联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料及其制备方法。包括纤维级配砂土混合料、胶结液A、胶结液B和晶型调节剂；所述纤维级配砂土混合料由级配砂土、水和剑麻纤维组成；所述胶结液A为Na2CO3溶液；所述胶结液B为CaCl2溶液。本发明将剑麻纤维嵌入级配砂土形成的三维分散网络，在矿化胶结体中起到“桥梁”和“锚固”作用，二者联合作用，显著改善材料的韧性、抗裂性及抗剪强度。
权利要求书
1.一种联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料，其特征在于，包括纤维级配砂土混合料、胶结液A、胶结液B和晶型调节剂；
所述纤维级配砂土混合料是由92.4-95.1wt％级配砂土、4.5-6.0wt％水和0.5-1.6wt％剑麻纤维组成；所述纤维级配砂土混合料与胶结液A的总体积比为1:(1-1.5)；所述胶结液A与胶结液B用量相等；
所述胶结液A为Na2CO3溶液；所述胶结液B为CaCl2溶液；所述晶型调节剂与胶结液B中的Ca2+摩尔浓度之比为(0.5-2):1。
2.根据权利要求1所述的联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料，其特征在于，级配砂土的级配范围如下：
3.根据权利要求1所述的联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料，其特征在于，所述胶结液A的浓度为0.5-2mol/L。
4.根据权利要求1所述的联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料，其特征在于，所述晶型调节剂为有机酸聚合物类或无机酸类。
5.根据权利要求4所述的联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料，其特征在于，所述有机酸聚合物类包括但不限于聚丙烯酸；无机酸类包括但不限于硼酸。
6.根据权利要求1所述的联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料，其特征在于，剑麻纤维的粒径为0.8cm-2cm。
7.一种联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、原料准备
按照权利要求4所述准备对应的级配砂土、水、剑麻纤维、胶结液A、胶结液B和晶型调节剂；
S2、制备纤维级配砂土混合料
将级配砂土混合均匀，然后分多次加入剑麻纤维，并加入水增强剑麻纤维与级配砂土的砂粒之间的相互作用，分散均匀后压实，得到纤维级配砂土混合料；
S3、制备联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料
S3.1、将晶型调节剂加入至胶结液A中或胶结液B中；
S3.2、在压实的纤维级配砂土混合料表面，按照先胶结液A-后胶结液B的顺序循环喷洒直至胶结液无法渗入，胶结液A和胶结液B单次喷洒量相同，得到联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料。
8.根据权利要求7所述的联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3.1中，当晶型调节剂为有机酸聚合物类时，将晶型调节剂添加到胶结液A中；当晶型调节剂为无机酸类时，将晶型调节剂添加到胶结液B中。
9.根据权利要求7所述的联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，剑麻纤维在加入之前，先采用NaOH溶液浸泡15min后，再清洗、烘干。
技术领域
本发明属于岩土工程材料技术领域，具体涉及一种联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料及其制备方法。
背景技术
砂土材料在土木工程中属于无黏性土，干燥时易松散，需配合其他材料对其进行加固，增强其性能。诱导碳酸钙沉淀法作为砂土加固方法越来越受到关注，通过生成碳酸钙晶体，并诱导碳酸钙晶体沉淀并粘附在砂表面，增加表面粗糙度并占据砂土颗粒之间的空隙，将其胶结成块，从而提高强度；而仿生诱导碳酸钙沉淀技术受到其他碳酸钙沉淀技术的启发，通过外加氨基酸类调节剂直接调控土体颗粒间氯化钙和碳酸钠的复分解反应，生成碳酸钙从而加固土体。但是这种加固方法存在以下问题：
常见的仿生诱导碳酸钙沉淀技术，诱导的碳酸钙晶体都表现出脆性破坏特征；当达到应力极限时，复合材料出现裂纹，导致应力迅速降低，增强效果失效。
发明内容
针对现有仿生矿化复合材料强度较低和韧性较差的技术问题，本发明提供一种联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料及其制备方法。
本发明将剑麻纤维嵌入级配砂土后形成纤维级配砂土混合料，然后再与胶结液A、胶结液B和晶型调节剂进行混合，剑麻纤维嵌入级配砂土形成的三维分散网络，在矿化胶结体中起到“桥梁”和“锚固”作用，二者联合作用，显著改善材料的韧性、抗裂性及抗剪强度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料，包括纤维级配砂土混合料、胶结液A、胶结液B和晶型调节剂；
所述纤维级配砂土混合料是由92.4-95.1wt％级配砂土、4.5-6.0wt％水和0.5-1.6wt％剑麻纤维组成；所述纤维级配砂土混合料与胶结液A的总体积比为1:(1-1.5)；所述胶结液A与胶结液B用量相等；
所述胶结液A为Na2CO3溶液；所述胶结液B为CaCl2溶液；所述晶型调节剂与胶结液B中的Ca2+摩尔浓度之比为(0.5-2):1；晶型调节剂为聚合物时使用聚合物单体的摩尔质量进行换算。
进一步限定，级配砂土的级配范围如下：
进一步限定，所述胶结液A的浓度为0.5-2mol/L。
进一步限定，所述晶型调节剂为有机酸聚合物类或无机酸类。
进一步限定，所述有机酸聚合物类包括但不限于聚丙烯酸；无机酸类包括但不限于硼酸。
进一步限定，剑麻纤维的粒径为0.8cm-2cm。
本发明还提供了上述联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、原料准备
按照所述准备对应的级配砂土、水、剑麻纤维、胶结液A、胶结液B和晶型调节剂；
S2、制备纤维级配砂土混合料
将级配砂土混合均匀，然后分多次加入剑麻纤维，并加入水增强剑麻纤维与级配砂土的砂粒之间的相互作用，分散均匀后压实，得到纤维级配砂土混合料；
S3、制备联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料
S3.1、将晶型调节剂加入至胶结液A中或胶结液B中；
S3.2、在压实的纤维级配砂土混合料表面，按照先胶结液A-后胶结液B的顺序循环喷洒直至胶结液无法渗入，胶结液A和胶结液B单次喷洒量相同，得到联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料。
进一步限定，所述步骤S3.1中，当选用有机酸聚合物类作为晶型调节剂时，将晶型调节剂添加到胶结液A中；当选用无机酸类作为晶型调节剂时，将晶型调节剂添加到胶结液B中。
进一步限定，所述步骤S2中，剑麻纤维在加入之前，先采用NaOH溶液浸泡15min后，再清洗、烘干。通过浸泡、清洗和烘干，可以除去剑麻纤维表面的果胶和植物脂等杂质，使剑麻纤维与砂粒更好的粘结。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料的机理是：剑麻纤维和砂粒通过晶型调节剂-碳酸钙晶体粘结在一起，形成有效的粘结。剑麻纤维最初填充由砂粒积聚产生的空隙，然后调节剂改性的碳酸钙晶体占据含有纤维的空隙，形成锚状结构；之后，剑麻纤维通过调节剂改性的碳酸钙晶体粘合在一起，形成三维网状结构(参见图1)。最后，碳酸钙晶体在纤维表面成核并不断生长，形成碳酸钙块状或不规则的碳酸钙晶体突起。该结构保持无应力，直到材料经历显著变形，随着压力逐渐增加，纤维开始拔出，导致纤维和砂表面上的碳酸钙块和突起摩擦并互锁，从而产生强度(参见图2)。
2、本发明中，采用联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料在保证其较高的力学强度的同时，增强了材料的韧性，减小了脆性破坏带来的危害；提高了工程结构的安全性和稳定性，具有良好的经济性和工程应用价值。
3、本发明中，剑麻纤维属于天然资源，具有原材料廉价易得、制备工艺简单、加工处理方便、环境友好无毒等优点。
4、本发明在制备时，向按照级配拌和均匀的级配砂土中分四次洒入剑麻纤维，并加入水提供额外的毛细力，增强剑麻纤维与级配砂土的砂粒之间的相互作用，从而使剑麻纤维更好地分散在级配砂土的砂粒中，提升仿生矿化加固级配砂土材料的强度和韧性。
5、本发明通过试验证明，采用剑麻纤维和仿生矿化联合，使得级配砂土材料的无侧限抗压强度得到13.51MPa、劈裂强度达到1.84MPa、韧性达到27.51MPa，大幅度提高仿生矿化加固级配砂土材料的力学强度和韧性。
附图说明
图1为联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料的电镜扫描图；
图1
图2为联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料的微观机理图；其中：(a)材料破坏前；(b)为材料破坏后。
图2
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。根据本发明反应条件做一些常规的修改，用于制备本发明的化合物的其它方法都被认为是在本发明的范围之内。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作为详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
还应当理解，以上所述的具体实施例仅用于解释本发明，本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明提供一种联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料，包括纤维级配砂土混合料、胶结液A、胶结液B和晶型调节剂。
本发明中，纤维级配砂土混合料是由92.4-95.1wt％级配砂土、4.5-6.0wt％水和0.5-1.6wt％剑麻纤维组成。
示例性的，纤维级配砂土混合料是由95wt％级配砂土、4.5wt％水和0.5wt％剑麻纤维组成。
本发明中，纤维级配砂土混合料与胶结液A的总体积比为1:(1-1.5)。
优选地，胶结液A与胶结液B用量相等。胶结液A的浓度为0.5-2mol/L。
优选地，胶结液A为Na2CO3溶液；胶结液B为CaCl2溶液；晶型调节剂与胶结液B中的Ca2+摩尔浓度之比为(0.5-2):1。
本发明中，级配砂土的级配范围如下：
本发明中，剑麻纤维的粒径为0.8cm-2cm。实施中，将剑麻纤维破碎，然后收集粒径在0.8cm-2cm范围内的剑麻纤维备用。
本发明中，晶型调节剂可为有机酸聚合物类或无机酸类。
优选地，有机酸聚合物类包括但不限于聚丙烯酸。
优选地，无机酸类包括但不限于硼酸。
本发明还提供一种联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、原料准备
按照上述联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料的原料和配比要求，准备对应的级配砂土、水、剑麻纤维、胶结液A、胶结液B和晶型调节剂；
S2、制备纤维级配砂土混合料
将级配砂土混合均匀，然后分多次加入剑麻纤维，并加入水增强剑麻纤维与级配砂土的砂粒之间的相互作用，分散均匀后压实，得到纤维级配砂土混合料。
优选地，粒径0.8cm-2cm的剑麻纤维在加入之前，先采用NaOH溶液浸泡15min后，再清洗、烘干。
S3、制备联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料
S3.1、将晶型调节剂加入至胶结液A中或胶结液B中；具体的，当晶型调节剂为有机酸聚合物类时，将晶型调节剂添加到胶结液A中；当晶型调节剂为无机酸类时，将晶型调节剂添加到胶结液B中。
由于钙离子是反应的核心，要保证晶型调节剂加入后优先和钙离子螯合的，但是大分子类的晶型调节剂，比如有机酸聚合物类，先加到氯化钙中时会提前反应生成混浊物或者沉淀，因此大分子类的晶型调节剂要先加入到胶结液A为Na2CO3溶液中；反之，小分子类的晶型调节剂不与钙离子产生不利于渗透的沉淀，则加入至胶结液B中。
S3.2、在压实的纤维级配砂土混合料表面，按照先胶结液A-后胶结液B的顺序循环喷洒直至胶结液无法渗入，胶结液A和胶结液B单次喷洒量相同，得到联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料。
优选地，先计算压实的纤维级配砂土混合料的体积，然后按照纤维级配砂土混合料与胶结液A的总体积比为1:(1-1.5)计算出胶结液A的总体积，胶结液A和胶结液B单次喷洒量相同，然后再确定出胶结液B的体积。将胶结液A和胶结液B分成多次(例如5次、10次或15次)喷洒。每次喷洒时，先喷洒胶结液A待完全渗入后；再喷洒胶结液B，以此循环直至胶结液无法渗入为止。
下面以两组具体的联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料及其制备方法对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
本实施例提供一种联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料，由以下质量百分比含量构成：
胶结液A为1mol/L的Na2CO3溶液；
胶结液B为1mol/L的CaCl2与0.5mol/L硼酸混合溶液(晶型调节剂)；
级配砂土：94.4wt%;
饮用水：4.9wt%;
剑麻纤维：0.7wt％。
上述剑麻纤维的长度为0.8-2cm，用质量浓度为1％的NaOH溶液浸泡15min后清水洗净并烘干。
上述级配砂土具有以下级配如下：
实施时，将所用的破碎石英砂按照全筛孔从0.075-2.5mm逐级筛分，将集料从小到大分为单档粒径，得到上述级配的级配砂土。
本实施例中，联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、原材料准备
S2、制备纤维级配砂土混合料
将上述级配砂土拌和均匀；将剑麻纤维切割成0.8-2cm，用质量浓度为1％的NaOH溶液浸泡15min后清水洗净并烘干；向拌和均匀的级配砂土(94.4％)中分四次洒入质量百分比为0.7％剑麻纤维，并加入质量百分比4.9％的水，从而使纤维更好地分散在砂粒中；采用振动压实法将级配砂土压实，得到纤维级配砂土混合料。
S3、制备联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料
根据压实的纤维级配砂土混合料体积，按照纤维级配砂土混合料与胶结液A的总体积比为1:1计算出胶结液A的总体积，且胶结液A的用量胶结液B的体积相等。在压实的纤维级配砂土混合料的表面上循环喷洒适量的两种胶结液(先喷洒胶结液A，后喷洒胶结液B)，保证砂土被两种胶结液完全浸透，待胶结液完全渗入级配砂土后，重复以上循环10次直至胶结液无法渗入砂土，得到联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料。
本实施例中，还以不加入剑麻纤维形成的仿生矿化加固级配砂土材料作为对照，即纤维级配砂土混合料中不加入剑麻纤维，纤维级配砂土混合料为4.9wt％的水和级配砂土95.1wt％；然后参照上述方法得到仿生矿化加固级配砂土材料。
对未仿生矿化加固前的剑麻纤维级配砂土(即步骤S2制备的纤维级配砂土混合料)、联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料以及仿生矿化加固级配砂土进行力学性能实验，包括无侧限抗压强度和劈裂强度。
本实施例中，进行无侧限抗压强度试验和韧性检测的试样纤维级配砂土混合料尺寸为直径35mm、高80mm圆柱体，体积为76.93mL；所用胶结液A总体积为77mL。
进行劈裂试验的试样纤维级配砂土混合料尺寸为直径35mm、高40mm圆柱体，体积为38.47mL；所用胶结液A总体积为38mL。
实验结果如下表所示。
本发明的联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料，由于剑麻纤维通过硼酸改性的碳酸钙晶体与砂粒有效胶结，在纤维与砂粒之间形成多种胶结结构。同时，附着在纤维表面的碳酸钙块之间的摩擦相互作用促进了耦合效应，使得联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料的抗压强度和劈裂强度较仿生矿化加固级配砂土都有了很大的提高。
实施例2
本实施例提供的一种联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料，由以下质量百分比含量构成：
胶结液A：1mol/L的Na2CO3与3g/L聚丙烯酸混合溶液(晶型调节剂)
胶结液B：1.5mol/L的CaCl2溶液
级配砂土：94.1wt%;
饮用水：5.1wt%;
剑麻纤维：0.8wt％。
上述剑麻纤维的长度为0.8-2cm，用质量浓度为1％的NaOH溶液浸泡15min后清水洗净并烘干。
上述级配砂土具有以下级配如下：
本实施例中，联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、原材料准备
S2、制备纤维级配砂土混合料
将上述级配砂土拌和均匀；将剑麻纤维切割成0.8-2cm，用质量浓度为1％的NaOH溶液浸泡15min后清水洗净并烘干；向拌和均匀的级配砂土中分四次洒入质量百分比为0.8％剑麻纤维，并加入质量百分比5.1％的水，从而使纤维更好地分散在砂粒中；采用振动压实法将级配砂土压实，得到纤维级配砂土混合料。
S3、制备联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料
根据压实的纤维级配砂土混合料体积，按照纤维级配砂土混合料与胶结液A的总体积比为1:1计算出胶结液A的总体积用量，且胶结液A的用量胶结液B的体积相等。在压实的纤维级配砂土混合料的表面上循环喷洒适量的两种胶结液(先胶结液A，后胶结液B)，保证砂土被胶结液完全浸透，待胶结液完全渗入级配砂土后，重复以上循环10次直至胶结液无法渗入砂土，得到联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料。
本实施例中，还以不加入剑麻纤维形成的仿生矿化加固级配砂土材料作为对照，即纤维级配砂土混合料中不加入剑麻纤维，纤维级配砂土混合料为5.1wt％的水和级配砂土94.9wt％；然后参照上述方法得到仿生矿化加固级配砂土材料。
对未仿生矿化加固前的剑麻纤维级配砂土(即步骤S2制备的纤维级配砂土混合料)、联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料以及仿生矿化加固级配砂土进行力学性能实验，包括无侧限抗压强度和劈裂强度。
本实施例中，进行无侧限抗压强度试验和韧性检测的试样纤维级配砂土混合料尺寸为直径35mm、高80mm圆柱体，体积为76.93mL；所用胶结液A总体积为77mL。
本实施例中，进行劈裂试验的试样纤维级配砂土混合料尺寸为直径35mm、高40mm圆柱体，体积为38.47mL；所用胶结液A总体积为38mL。
实验结果如下表所示。
本发明的联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料，由于剑麻纤维通过聚丙烯酸改性的碳酸钙晶体与砂粒有效胶结，在纤维与砂粒之间形成多种胶结结构。同时，附着在纤维表面的碳酸钙块之间的摩擦相互作用促进了耦合效应，使得联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料的抗压强度和劈裂强度较仿生矿化加固级配砂土都有了很大的提高。
综上所述，本发明提供的一种联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料，具有良好的力学性能、耐久性能与生态环境适应性，适用于多种岩土工程与生态工程场景，尤其可广泛应用在岩土加固(道路、高速公路、水库等)、生态防护(矿山、弃土场等退化地表生态重建)、水利支护(水库、河岸等边坡的加固)及地质灾害治理(地震或滑坡后紧急加固)等多个领域，具备良好的推广价值和应用前景。
以上为本发明制备方法的几种比较优选的实施方式，但是不能以此作为对本发明保护的技术方案的限制，任何基于本发明的技术思路，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有替换方案，都应落在本发明的保护范围内。
文章摘自国家发明专利，一种联合剑麻纤维的仿生矿化加固级配砂土材料及其制备方法，发明人:黄建友，胡海阔，刁钰等，申请号:202511162226.6，申请日:2025.08.19。
