稻壳灰改良黑棉土的微结构演化与工程性能强化机制研究

　　本研究针对膨胀性黑棉土(BCS)在水分变化下的剧烈胀缩行为导致的工程病害问题，通过集成氮气吸附技术(BET/Langmuir/吸附等温线分析)和多种微观表征方法，系统探究了稻壳灰(RHA)稳定化处理对土壤微观结构及力学性能的改良机制。研究发现6% RHA添加量可显著促进钙硅 hydrate(C-S-H)凝胶生成，使无侧限抗压强度(UCS)提升7.5倍，膨胀压力降低59.8%，同时氮气吸附量减少39.3%，证实了孔隙填充效应与火山灰活性的定量关联。该研究为农业废弃物资源化利用和膨胀土治理提供了创新性解决方案。

　　

膨胀性土壤被称为地质工程领域的"隐形杀手"，其中黑棉土(Black Cotton Soil, BCS)因其高蒙脱石含量和显著胀缩特性，给全球基础设施建设带来严峻挑战。这种土壤在雨季吸水膨胀产生巨大顶托力，旱季失水收缩形成裂缝，导致道路变形、地基失稳、建筑开裂等病害，仅印度每年造成的经济损失就高达10-20亿美元。传统稳定化材料如水泥、石灰虽有效但存在高能耗、高碳排放问题，而工业废料又面临重金属溶出风险，亟需开发可持续的新型稳定剂。

发表于《Spanish Journal of Legal Medicine》的这项创新研究，将目光投向了农业废弃物——稻壳灰(Rice Husk Ash, RHA)。稻壳是稻米加工的副产物，全球年产量约1.3亿吨，其燃烧产生的RHA富含85-90%无定形二氧化硅，具有优异的火山灰活性。研究团队通过多尺度表征手段，首次系统揭示了RHA改性黑棉土的微观机制与宏观工程性能的内在联系。

研究人员采用了一系列先进技术方法：通过X射线荧光光谱(XRF)分析材料化学组成，扫描电镜-能谱联用(SEM-EDS)观察微观形貌和元素分布，X射线衍射(XRD)鉴定矿物相变化，傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测化学键演变，特别是创新性地应用氮气吸附技术（BET、Langmuir和吸附等温线分析）定量表征火山灰活性。力学性能测试包括无侧限抗压强度(UCS)、加州承载比(CBR)、间接抗拉强度(ITS)和锥入阻力(CPT)等指标，样本来源于印度Warangal地区的典型黑棉土。

材料特性分析表明：XRF显示RHA富含SiO₂(85.38%)，BCS以SiO₂(57.24%)和Al₂O₃(15.81%)为主；SEM显示RHA具有多孔层状结构，比表面积达110.5 m²/g；XRD证实RHA为无定形结构，BCS主要含蒙脱石、石英和白云母。

微观结构演化规律：SEM图像显示6% RHA处理28天后形成致密的C-S-H凝胶基质；EDS分析表明Ca、Si、Al元素含量减少，证实其参与火山灰反应；XRD显示蒙脱石特征峰(5.65°)强度显著降低；FTIR检测到硅氧烷(Si-O-Si)键增强，形成疏水保护层。

表面特性定量表征：BET分析表明N₂吸附量从0.0635 mg/g(未处理)降至0.0385 mg/g(6% RHA)；Langmuir吸附量从1.69降至1.26 mg/g；平均孔径从6.91 nm减小至5.57 nm，证实孔隙填充效应。

工程性能提升：UCS从183 kPa提升至1370 kPa(7.5倍)；CBR从1.81%提升至11.2%；膨胀压力从90.83 kPa降至36.44 kPa；膨胀幅度从1.25 mm降至0.43 mm，综合性能在6% RHA时达到最优。

研究结论表明，RHA通过双重机制改良膨胀土：一是火山灰反应生成C-S-H凝胶填充孔隙并增强颗粒粘结；二是形成疏水硅氧烷膜抑制水分侵入。6%为最佳掺量，过高会导致未反应灰分削弱基质连续性。氮气吸附量的减少与力学性能提升呈强相关性，为评估火山灰活性提供了定量指标。

该研究的重大意义在于：首次建立氮气吸附技术与火山灰活性的定量关系；为农业废弃物资源化利用开辟新途径；研发了低碳高效的膨胀土治理方案；提出的6%优化配比为工程应用提供了直接依据。这项成果不仅对发展中国家基础设施建设具有重要价值，也为全球可持续岩土工程发展提供了创新范式。