用于超级电容器应用的碳化硼增强聚乳酸-聚丁ylene己二酸对苯二甲酸酯膜的制备与性能表征

《Next Materials》：Fabrication and characterization of boron carbide-reinforced poly (lactic acid)-poly(butylene adipate terephthalate) membranes for supercapacitor applications

本研究评估了稻壳灰（RHA）对四种不同液限（36%-64.5%）膨胀土壤的强度、耐久性、膨胀潜势及微观结构的影响。通过添加7%-15% RHA，发现28天养护后UCS提升74%-192%，冻融循环次数增加至8-14次，自由膨胀指数和膨胀压力分别降低50%-71%和30%-47%。微观分析表明RHA诱导的C-S-H凝胶形成使土壤致密化，孔隙率降低，且液限与RHA最佳掺量呈线性关系（R2=0.9976）。

　　本研究探讨了稻壳灰（RHA）对不同液限（LL）的膨胀土的强度、耐久性、膨胀潜力和微观结构的影响。研究中使用了四种自然土壤（S1、S2、S3 和 S4），分别采用 7%、10%、12% 和 15% 的最佳 RHA 含量进行处理。通过一系列实验室测试，评估了这些处理土壤与原始土壤在不同条件下的性能变化，包括无侧限抗压强度（UCS）在 0 天和 28 天的固化效果、湿干循环（W-D）和冻融循环（F-T）中的质量损失、UCS 和耐久性指数（DI），自由膨胀（FS）、膨胀压力（SP），以及扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、能量色散X射线光谱（EDS）和X射线衍射（XRD）等微观结构分析。研究结果表明，RHA 的添加显著提高了 S1 和 S4 的 UCS，分别提升了 74% 和 192%。在湿干和冻融循环中，RHA 处理的土壤表现出质量损失和 DI 的减少，同时能承受更多的循环次数，最佳性能出现在最佳 RHA 含量下。此外，S4 在 15% RHA 处理后，FS 从 15% 显著降低至 6.6%，SP 从 187.4 kPa 显著下降至 99.9 kPa。SEM、FTIR、EDS 和 XRD 分析显示，天然土壤具有多孔、弱结合的结构，而 RHA 处理后的土壤则呈现更密集、具有凝聚力的结构，这表明 RHA 在改善土壤微观结构方面具有重要作用。研究还表明，RHA 是一种有效的、可持续的稳定剂，能够提高土壤的强度、耐久性和膨胀阻力。同时，研究提供了新的见解，将 RHA 的最佳比例与液限比较联系起来，并将这些微观结构变化与耐久性和膨胀减少联系起来。

土壤的工程性质往往决定了其在建筑和基础设施长期性能中的表现。其中，膨胀土因其对水分含量变化的反应而表现出体积变化，这会引发土壤的膨胀和收缩，从而导致结构的不均匀变形。膨胀土通常含有高含量的黏土矿物，如蒙脱石，这些矿物在湿润时膨胀，在干燥时收缩，进而影响土壤的稳定性。这种现象在道路建设中尤为突出，因为季节性水分变化会导致道路损坏，如裂缝、沉降和结构失效。因此，研究 RHA 对膨胀土的耐久性和膨胀特性的影响，对于开发经济有效和可持续的土壤改良技术至关重要。

传统的土壤稳定方法包括机械稳定（如压实、排水）和化学稳定（如石灰、水泥和粉煤灰）。然而，这些方法往往伴随着较高的成本和显著的环境影响。近年来，农业和工业废弃物副产品逐渐被用作土壤稳定材料，不仅提供了环境和经济上的好处，还展示了其在土壤改良中的潜力。例如，低水泥稳定剂通过改善土壤性能、限制裂缝扩展和提供环境效益，成为一种可行的替代方案。此外，一些研究发现，低碱活性黏土-粉煤灰能够通过铝硅酸盐凝胶的形成，有效减少污染物的迁移，如锌和铜，同时提高亚级强度。在路堤工程中，火山灰与石灰窑灰的结合可以增强高岭土，从而改善机械性能和冻融耐久性。此外，某些土壤与生物聚合物或天然纤维的结合，如壳聚糖生物聚合物与稻壳生物炭和亚麻纤维的三元复合物，通过聚合物桥接、孔隙改善和纤维裂缝桥接，提高了土壤的强度、环境影响和耐久性。同时，生物介导方法也展示了土壤可持续性的潜力，例如鸡粪补充剂可以产生碳酸盐结合，提高性能，从而在不使用波特兰水泥的情况下实现生物固化。

此外，一些研究还发现，聚氨酯与废轮胎纤维的结合可以快速提高高膨胀土壤的强度和刚度，并显著增强其循环耐久性。这些方法为土壤稳定提供了新的视角，展示了通过不同材料的组合和协同作用，提高土壤性能的可能性。而 RHA 作为一种高硅含量的农业废弃物，其在土壤稳定中的应用已经得到了广泛研究。RHA 的主要优点在于其高反应性表面，使其能够与土壤中的钙化合物（如 CaO）发生反应，形成钙硅酸盐水合物（C–S–H）凝胶，从而提高土壤的强度和耐久性。此外，RHA 还可以减少土壤的膨胀潜力，改善其微观结构，使其更紧密、更稳定。

本研究对 RHA 的应用进行了更全面的分析。首先，研究评估了不同液限范围的土壤（36%–64.5%）在 RHA 处理后的性能变化。其次，研究结合了耐久性测试，包括湿干循环和冻融循环，以评估土壤在长期环境条件下的表现。第三，研究通过 SEM、FTIR、EDS 和 XRD 分析了土壤微观结构的变化，为理解 RHA 的作用机制提供了重要依据。最后，研究将 RHA 的最佳比例与液限范围进行了关联，并探讨了这些变化如何影响土壤的耐久性和膨胀性能。这些发现不仅展示了 RHA 在土壤改良中的应用潜力，也为未来的研究提供了新的方向。

在实验室测试中，RHA 的添加显著改变了土壤的物理和化学性质。例如，标准压实试验显示，随着 RHA 含量的增加，土壤的干密度（MDD）和最优含水量（OMC）均发生变化。RHA 的低比重和高孔隙度导致其在混合后降低了 MDD，同时增加了 OMC。这种趋势与 RHA 颗粒的物理特性密切相关，其高表面积和不规则形态增加了水分吸附能力，从而影响土壤的压实特性。此外，RHA 的添加还影响了土壤的自由膨胀和膨胀压力，这表明其在减少土壤膨胀潜力方面具有重要作用。对于不同类型的土壤，RHA 的最佳含量不同，这反映了土壤的初始矿物学、塑性指数和颗粒级配的差异。例如，S1 的最佳 RHA 含量为 7%，而 S4 的最佳含量为 15%。这些变化不仅影响了土壤的物理性能，还对土壤的化学反应和微观结构产生了深远影响。

在无侧限抗压强度（UCS）测试中，RHA 的添加显著提高了所有土壤类型的 UCS。例如，S1 在 28 天固化后，UCS 从 229 kPa 提高至 292 kPa，提升了 74%。而 S4 在 28 天固化后，UCS 从 108 kPa 提高至 193 kPa，提升了 192%。这些提升主要归因于 RHA 中的无定形二氧化硅与土壤中的钙化合物发生反应，形成 C–S–H 凝胶，从而改善了土壤的颗粒结合和密实度。然而，超过最佳 RHA 含量后，UCS 开始下降，这可能是因为多余的 RHA 未能完全反应，反而增加了土壤的孔隙率，影响了其强度表现。因此，确定最佳 RHA 含量对于实现土壤改良的目标至关重要。

在耐久性测试中，湿干循环和冻融循环均对土壤的性能产生了显著影响。研究发现，RHA 处理的土壤在湿干循环中表现出更小的质量损失和更高的 UCS 保留率，同时具有更高的耐久性指数（DI）。例如，在 28 天固化后，S4 在 15% RHA 处理下，能够承受更多的循环次数，表现出最佳的耐久性。此外，冻融循环测试也显示了 RHA 处理的土壤在冻融条件下的稳定性。例如，S3 在 12% RHA 处理下，能够承受 14 次冻融循环，而天然土壤通常只能承受 8 次。这些结果表明，RHA 不仅能够提高土壤的强度，还能显著增强其在恶劣环境下的耐久性。

微观结构分析进一步揭示了 RHA 在土壤改良中的作用机制。SEM 显示，天然土壤具有松散、多孔的结构，而 RHA 处理后的土壤则呈现出更密集、更具有凝聚力的结构。随着 RHA 含量的增加，土壤颗粒之间的结合变得更加紧密，孔隙减少，这有助于提高土壤的强度和耐久性。FTIR 分析表明，RHA 中的无定形二氧化硅与土壤中的钙化合物发生反应，形成了钙硅酸盐水合物（C–S–H）和钙铝硅酸盐水合物（C–A–S–H）凝胶，这些凝胶能够填充土壤颗粒之间的孔隙，增强颗粒间的结合力。EDS 分析进一步支持了这些发现，显示 RHA 添加后，土壤中钙和硅的分布更加均匀，且在颗粒接触点和孔隙中形成了更丰富的结合。XRD 分析表明，RHA 处理后，土壤中的晶态矿物（如石英、黏土矿物）减少，而无定形硅酸盐和钙硅酸盐水合物的含量增加，这表明 RHA 的加入显著改变了土壤的矿物组成，从而提高了其结构稳定性。

在与其他土壤稳定方法的比较中，RHA 显示出显著的优势。例如，与传统的石灰和水泥稳定方法相比，RHA 在较低的添加比例下（7–15%）即可实现显著的性能提升，同时减少了环境影响和成本。此外，RHA 与粉煤灰或其他稳定剂（如纳米颗粒）的组合，也可能带来更优异的性能表现。然而，目前的研究主要集中在单一的 RHA 处理，未来可以进一步探讨 RHA 与其他稳定剂的协同作用，以优化土壤改良效果。

本研究的局限性在于其在实验室条件下进行，实际应用中的表现可能会受到多种因素的影响，如复杂的环境条件、土壤的自然变化和施工方法等。此外，湿干和冻融循环的次数有限，未能充分模拟长期暴露的条件。因此，未来的研究可以考虑在更长的周期下评估土壤的耐久性，以更好地了解其长期性能。同时，可以进一步研究 RHA 与其他稳定剂（如纳米材料、石灰和水泥）的混合效果，探索更高效的土壤改良方案。此外，还需要评估 RHA 在大规模应用中的环境足迹和成本与强度的比值，以确保其在实际工程中的可持续性。

综上所述，本研究通过系统的实验室测试和微观结构分析，揭示了 RHA 在改善膨胀土性能方面的潜力。RHA 不仅能够提高土壤的强度和耐久性，还能显著减少其膨胀潜力，为土壤稳定提供了新的解决方案。这些发现对于提高基础设施的长期性能、减少维护成本和实现可持续发展目标具有重要意义。未来的研究可以进一步拓展 RHA 的应用范围，探索其与其他材料的协同作用，以及在不同环境条件下的实际表现，从而推动其在工程实践中的广泛应用。