Поведение при сдвиге и предсказательное моделирование лесса, стабилизированного золой рисовой шелухи

Превращение сельскохозяйственных отходов в безопасные склоны

По всему Северному Китаю ветром отложенные желтые почвы, называемые лессом, образуют крутые холмы и выемки вдоль дорог, которые могут внезапно обрушиваться во время сильных дождей, угрожая домам, магистралям и сельскохозяйственным угодьям. Одновременно рисовые мельницы и электростанции производят большие объемы золы рисовой шелухи — пыльного отхода, который часто попадает на свалки. В этом исследовании поставлен простой, но важный вопрос: можно ли этот сельскохозяйственный отход превратить в низкоуглеродный компонент, который сделает хрупкие склоны лесса прочнее и безопаснее?

Хрупкий грунт в суровом климате

Лесс покрывает обширные территории сухих и полусухих регионов Китая. Он кажется плотным, но пронизан порами и слабыми природными связями. Годы ветра, воды и перепадов температуры оставляют почву с недостаточной уплотненностью, и она легко размягчается под воздействием дождя. Когда приходят бури, вода проникает внутрь, структура коллапсирует, и склоны могут потрескаться или сойти. Традиционные способы упрочнения лесса опираются на цемент или известь — они эффективны, но энергоемки и увеличивают выбросы углерода. Исследователи изучили золу рисовой шелухи как альтернативный стабилизатор, который мог бы улучшить грунт и одновременно использовать обильный отход от производства энергии на основе рисовой шелухи.

Как зола рисовой шелухи меняет грунт

Зола рисовой шелухи необычно богата реакционной кремнеземом и другими оксидами и обладает очень большой удельной поверхностью. При смешении с лессом и водой она может образовывать клееподобные соединения, связывающие зерна почвы. Команда собрала лесс с откосов автомагистралей провинции Шаньси и смешала его с разными долями золы — от 0 до 20 процентов по сухой массе. Затем эти смеси уплотняли, выдерживали и испытывали на то, какую нагрузку они выдерживают до сдвига при ряде окружных давлений, имитирующих реальные подземные напряжения. Они также варьировали влажность от оптимального уровня до 1,6 раза влажнее, чтобы отразить насыщение склонов во время дождей и подъема грунтовых вод.

Поиск оптимума прочности

Эксперименты показали, что добавление некоторого количества золы значительно улучшает свойства, но слишком большая ее доля может быть вредна. По мере увеличения содержания золы уплотненный грунт становился легче и требовал больше воды для хорошего уплотнения, что отражает низкую плотность и высокую водопоглощающую способность золы. Прочность на сдвиг, сцепление и внутреннее трение росли с добавлением золы до примерно 10 процентов, при котором грунт становился примерно на половину прочнее необработанного лесса и его сопротивление скольжению заметно улучшалось. За этой границей прочность начала падать, вероятно потому, что избыток золы и дополнительная вода давали слишком влажную и пористую смесь. Когда исследователи повышали влажность выше оптимальной, даже лучшая смесь резко ослабевала: при влажности в 1,6 раза выше оптимума пик прочности снижался примерно на 80 процентов, особенно при больших окружных давлениях, что показывает, что вода остается доминирующим фактором срыва.

Взгляд внутрь упрочненного грунта

Чтобы понять, почему зола действует, команда использовала электронную микроскопию и рентгеновское сканирование, чтобы заглянуть в крошечные поровые пространства грунта. Необработанный лесс выглядел как слабо упакованные зерна с большими пустотами между ними. С добавлением 10 процентов золы изображения изменились: новый гелеобразный материал образовывал мостики между соседними частицами и заполнял пустоты, а общий объем пор уменьшился примерно на 22 процента. Эта более плотная, лучше связанная структура помогает грунту сопротивляться перерасположению зерен, которое приводит к сдвиговому разрушению. Опираясь на эти наблюдения, исследователи разработали математическую модель, связывающую прочность на сдвиг с влажностью и окружным давлением, а затем проверили ее на десятках лабораторных испытаний. Прогнозы модели хорошо согласовывались с измерениями и превосходили более ранние формулы из литературы.

Что это означает для дорог и откосов

Простыми словами, исследование показывает, что умеренная доза золы рисовой шелухи — примерно одна часть на десять по весу — может превратить слабый, склонный к коллапсу лесс в гораздо более прочный материал за счет образования новых минеральных «клеев», уплотняющих его внутреннюю структуру. Тем не менее обработанный грунт по‑прежнему сильно теряет в прочности при чрезмерной влажности, поэтому дренаж и контроль влажности остаются необходимыми. Новые уравнения для предсказания прочности дают инженерам практический инструмент для оценки поведения стабилизированного лесса при разных влажностных и нагрузочных условиях, помогая проектировать более безопасные дорожные основания и откосы. Сочетая переработку отходов с улучшенной геотехнической производительностью, эта работа указывает на более устойчивые подходы к строительству на лессовых ландшафтах и через них.

Цитирование: Peng, D., Wang, G. & Guan, X. Shear behavior and predictive modeling of loess stabilized with rice husk ash. Sci Rep 16, 7964 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35717-w

Ключевые слова: зола рисовой шелухи, устойчивость склонов лесса, стабилизация грунта, устойчивая геотехника, моделирование прочности на сдвиг