《Frontiers in Materials》：Stabilization mechanism and strength evolution of expansive soil stabilized by calcium carbide residue-rice husk ash binder: mineralogical and microstructural evidence
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以下是论文摘要的专业术语翻译：
膨胀土具有显著的胀缩特性和低承载能力，对岩土基础设施构成持续挑战。作为石灰和水泥稳定剂的潜在替代品，电石渣-稻壳灰（calcium carbide residue-rice husk ash，CCR-RHA）混合物已被广泛研究
以下是论文摘要的专业术语翻译：
膨胀土具有显著的胀缩特性和低承载能力，对岩土基础设施构成持续挑战。作为石灰和水泥稳定剂的潜在替代品，电石渣-稻壳灰（calcium carbide residue-rice husk ash，CCR-RHA）混合物已被广泛研究，但现有研究大多集中于宏观参数优化和性能评价。稳定膨胀土的长期矿物演化路径、动态碳化过程以及微观-宏观耦合机理仍知之甚少，阻碍了该绿色技术的进一步工程应用。为弥补这一空白，研究人员对以最优质量比35:65配制的CCR-RHA粘结剂稳定的中膨胀土开展了多尺度系统研究。研究人员采用无侧限抗压强度（unconfined compressive strength，UCS）试验、X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）和扫描电子显微镜-能谱分析（scanning electron microscopy-energy dispersive spectroscopy，SEM-EDS），在七种掺量（0%–30%）和五种养护龄期（0–90 d）下表征力学性能、矿物组合演化和微观结构发展。结果表明，UCS随粘结剂掺量单调增加，至最优值25%后出现轻微下降。90天峰值UCS达到8.94 MPa，显著优于传统石灰稳定膨胀土的强度水平。矿物学分析揭示了清晰的时间分辨反应序列：氢氧化钙（portlandite）在最初7天内被快速消耗，膨胀性黏土矿物在碱性侵蚀下发生渐进溶解，类水钙沸石钙铝硅酸盐 hydrate（gismondine-like calcium aluminosilicate hydrate）在28天时结晶，钙矾石（ettringite）和斜方钙沸石（str?tlingite）等多种水化相在90天时形成，验证了体系持续的长效火山灰活性。最突出的原创性发现是方解石复合衍射峰的非单调位移，直接验证了三阶段碳酸钙演化轨迹：初始亚稳碳酸盐相、中间态凝胶-碳酸盐复合相以及最终良好结晶的稳定方解石。定性微观结构观察进一步表明，土体基质从有序的面-面堆叠黏土片层结构转变为絮凝状凝胶-胶结骨架，最终发展为由无定形凝胶和多形态结晶相组成的致密三维互锁骨架。在系统实验证据的基础上，建立了整合水化、离子交换-絮凝、火山灰反应和碳化四种耦合的稳定机理。C-S-H凝胶向结晶相的渐进转化被确定为连续长期强度增长的核心驱动力。这些发现为CCR-RHA粘结剂的大规模工程应用提供了基础微观力学支撑，并为多组分废弃物基土体稳定体系的行为提供了新的概念性见解。
以下是基于论文主体内容撰写的学术性解读文章：
**一、研究背景与科学问题**
膨胀土因富含蒙脱石、伊利石等强亲水性黏土矿物，具有显著的湿胀干缩特性，常诱发边坡失稳、路基变形和建筑物开裂等岩土工程灾害，造成巨大的经济损失和安全风险。传统采用石灰和硅酸盐水泥进行化学稳定虽应用广泛，但存在高碳排放、高能耗及恶劣环境下长期耐久性不足等缺陷。石灰-粉煤灰体系亦面临火山灰活性低、长期强度增长受限的瓶颈。在全球低碳发展背景下，利用工业与农业固体废弃物开发环境友好型胶凝材料已成为绿色岩土工程的主流研究方向。
电石渣（CCR）是乙炔和聚氯乙烯生产过程中产生的碱性工业副产物，具有高碱激发能力和钙供应潜力，化学性质与消石灰高度相似；稻壳灰（RHA）是稻壳燃烧产生的农业废弃物，含有大量无定形二氧化硅，具备优良的火山灰活性。二者复合可实现组分优势互补。已有研究证实CCR-RHA粘结剂在改善土体力学性能和体积稳定性方面的有效性，并确定了35:65的最优质量比，但多数研究集中于宏观性能优化。当前对CCR-RHA稳定膨胀土体系仍存在以下核心科学问题亟待阐明：其一，缺乏跨长养护龄期的连续矿物学追踪，二次水化产物的时间分辨形成序列和膨胀性黏土矿物的碱溶规律尚未系统揭示；其二，碳化过程在现有文献中通常被简化为稳定方解石的直接生成，而亚稳相及凝胶-碳酸盐复合物的形成、转化与稳定化动态演化路径罕有报道；其三，微观尺度相转变与宏观尺度强度增长的内在耦合机制尚未充分建立，尤其缺乏凝胶向沸石相结晶转化对长期强度贡献的直接矿物学证据。
**二、研究内容与核心结论**
针对上述研究空白，研究人员以最优质量比35:65的CCR-RHA粘结剂稳定中膨胀土，开展多尺度系统研究。在七个粘结剂掺量（0%–30%）和五个养护龄期（0–90 d）条件下，采用UCS试验、XRD和SEM-EDS表征力学行为、矿物组合演化和微观结构发展。研究发现：UCS随掺量增加单调上升，至最优掺量25%时达到峰值，90天UCS达8.94 MPa，远超传统石灰稳定膨胀土强度水平。矿物学分析揭示了清晰的时间分辨反应序列——氢氧化钙（portlandite）在7天内快速消耗，膨胀性黏土矿物在碱性环境下渐进溶解，28天时类水钙沸石钙铝硅酸盐 hydrate（gismondine-like calcium aluminosilicate hydrate）结晶，90天时形成钙矾石（ettringite）和斜方钙沸石（str?tlingite）等多种水化相，证实了体系的持续火山灰活性。最突出的原创发现是方解石复合衍射峰的非单调位移，直接验证了三阶段碳酸钙演化轨迹：初始亚稳碳酸盐相、中间态凝胶-碳酸盐复合相及最终稳定结晶方解石。微观结构观察表明，土体基质从有序面-面堆叠黏土片层结构转变为絮凝状凝胶-胶结骨架，最终发育为由无定形凝胶和多形态结晶相组成的致密三维互锁骨架。在此基础上，建立了整合水化反应、离子交换-絮凝、火山灰反应和碳化四种耦合的稳定机理，确认C-S-H凝胶向结晶相的渐进转化是长期强度持续增长的核心驱动力。这些发现为CCR-RHA粘结剂的大规模工程应用提供了基础理论支撑，并为其他固废基土体稳定体系的微观机理研究提供了参考。
**三、主要关键技术方法**
研究人员采用多尺度实验表征体系开展研究。试验土样取自高速公路建设现场的中膨胀土，按标准分类为高塑性黏土（CH），自由膨胀率为82.0%。CCR取自氯碱企业PVC车间废料堆场，RHA收集自生物质发电企业锅炉稻壳燃烧残余灰。研究方法主要包括：（1）无侧限抗压强度（UCS）试验，用于表征宏观力学性能演化；（2）X射线衍射（XRD）分析，用于鉴定矿物相组成与时间分辨反应序列；（3）扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS），用于观测微观形貌演化及微区元素组成。样品在温度20°C、相对湿度95%的标准养护箱中养护，分别在0、7、14、28和90天龄期进行测试分析。
**四、研究结果分析**
**4.1 养护过程中的相变化**
原材料物相分析显示，膨胀土主要含石英（55.6%）、伊利石（19.6%）、蒙脱石（14.4%）和方解石（4.3%）；CCR以氢氧化钙（约92.5%）为主；RHA含石英、方石英及大量无定形SiO?。对最优掺量25%试样的时间分辨XRD分析表明：0天时主要物相为石英、蒙脱石、伊利石、氢氧化钙和方解石；7-14天时伊利石和氢氧化钙特征峰消失；28天时新生成类水钙沸石相；90天时形成钙矾石、斜方钙沸石及水化碳铝酸钙等复杂水化相组合，同时蒙脱石特征峰几乎完全消失。
**4.2 关键相变特征与机理**
石英特征峰强度随龄期递减，反映RHA中结晶SiO?经火山灰反应持续消耗。蒙脱石和伊利石在强碱孔隙环境下发生结构降解，伊利石优先溶解，蒙脱石至90天时基本分解完全。氢氧化钙在所有龄期均未检出，表明其快速参与火山灰、硫铝酸盐和碳化三条平行反应路径。方解石复合衍射峰呈非单调位移（0 d：29.7°；7 d：29.7°；14 d：29.6°；28 d：29.0°；90 d：29.5°），揭示了三阶段碳酸钙演化：亚稳碳酸盐相生成、C-S-H脱钙形成凝胶-碳酸盐复合物、Ostwald熟化驱动亚稳相向稳定方解石转化。钙矾石经历了从快速纤维状生长到平衡溶解-重组，最终形成稳定棱柱状晶体的演化过程。铝硅酸盐活化表现为28天和90天时类水钙沸石和斜方钙沸石特征峰的出现，证实Al3?和Si??部分重结晶为三维骨架或岛状铝硅酸盐。
**4.3 微观结构观测**
原状膨胀土呈不规则团聚体，黏土片层以面-面和面-边接触为主。未处理压实土具有疏松片层堆叠结构和发达孔隙。稳定土7天时形成由粗团聚体、微颗粒和原生颗粒组成的三级结构单元，C-S-H凝胶主导粒间胶结；14天时凝胶状微颗粒桥接相邻团聚体，残余氢氧化钙颗粒发生局部碳化；28天时絮凝状C-S-H凝胶均匀分布，纤维状和棒状类水钙沸石晶体析出，形成凝胶-晶体复合骨架；90天时出现纤维状、棒状、簇状、柱状和片状五种晶体形态，与残余凝胶交织形成致密三维空间网络。EDS分析确认柱状晶体为类水钙沸石，簇状晶体为钙矾石，片状晶体为斜方钙沸石。
**4.4 强度演化与机理耦合分析**
UCS随掺量增加呈先增后减趋势，最优掺量为25%，90天强度达8.94 MPa。强度发展分三个阶段：0-7天快速增长阶段，受离子交换和早期水化控制；7-28天加速发展阶段，火山灰反应和凝胶大量生成；28-90天稳定增长阶段，结晶相转变和基质成熟驱动。高掺量体系提供充足Ca2?和活性SiO?储备，延长火山灰活性持续时间，产生更显著的长期强度增长。
**4.5 与已有研究对比**
相比Liu等（2019）的宏观性能研究，本研究以时间分辨XRD和SEM揭示了完整的矿物演化序列，为原有机理框架提供了直接的物相证据。与Vichan和Rachan（2013）的软黏土研究相比，本研究在28-90天长龄期观察到结晶铝硅酸盐的涌现。与Nshimiyimana等（2019）的溶液化学动力学研究相印证，本研究在28天检测到类水钙沸石和斜方钙沸石的生成，为溶液化学模型提供了固相验证。与石灰和石灰-粉煤灰体系相比，CCR-RHA体系通过RHA引入外源高活性无定形SiO?，优化Ca/Si摩尔比，维持长效火山灰反应动力学。
**五、讨论总结与结论**
讨论部分综合分析了CCR-RHA稳定膨胀土的四种耦合稳定机理，并指出离子交换和絮凝快速改善黏土颗粒聚集状态，C-S-H凝胶提供早中期强度主要来源，凝胶向沸石相结晶转化及多相水化晶体的空间互锁构成长期强度持续增长的核心驱动力。研究结论可概括为：CCR-RHA粘结剂对膨胀土具有显著强化效果，最优掺量为25%，90天UCS达8.94 MPa；揭示了清晰的时间分辨矿物反应序列，验证了三阶段碳酸钙动态演化轨迹；微观结构经历从片层堆叠到凝胶-晶体复合骨架再到致密三维网络的形态演化。研究局限性包括：孔隙结构仅基于定性SEM观察，矿物分析限于定性鉴定，离子交换机理的直接实验证据尚不充分，长期耐久性有待系统评估。未来工作将采用压汞法和纳米CT定量表征孔隙演化，结合Rietveld定量分析和热重分析揭示反应动力学，并通过zeta电位和阳离子交换容量测试验证微观电化学机理。
