Экспериментальное исследование укрепления прибрежных илистых слабых грунтов

Более прочный грунт для прибрежных городов

Во многих прибрежных районах земля кажется твердой, но ведет себя скорее как пудинг, чем как скала. В Нинбо Цяньвани, быстро развивающейся промышленной зоне на берегу Китая, верхний слой грунта — водянистый ил, который сжимается и смещается под нагрузкой. В этом исследовании поставлен практический и важный в мировом масштабе вопрос: можно ли превратить этот слабый, грязный грунт в надежную основу для дорог и заводов, введя в него специально подобранную химическую смесь, изготовленную во многом из промышленных отходов, вместо того чтобы привозить огромные объемы щебня и песка?

Почему на илистых берегах трудно строить

Нинбо Цяньван привлекателен для застройки благодаря глубоким подступам для судов и возможности создавать новые участки земли путем засыпки мелководий. Но поверхностный слой толщиной всего около одного–трех метров представляет собой мягкий ил с высоким содержанием воды и большим объемом пустот между зернами. Когда на такой основе возводят дороги или здания, этот слой неравномерно уплотняется, что вызывает существенные осадки и деформации. Традиционные решения — насыпи из камня, чтобы «вытеснить» ил, или закачка мелкого песка — в Цяньвани оказались дорогими, трудными для контроля на глубине и потенциально опасными для близлежащих водных систем, при этом оставляя ненадежный, неустойчивый фундамент.

Преобразование отходов шлака в полезный компонент

Исследователи изучили альтернативный подход: внесение «отвердителя» непосредственно в ил для его упрочнения на месте. Основной компонент — водяное охлаждение стального шлака, побочный продукт местного металлургического производства, который в противном случае считался бы отходом. Этот шлак содержит кальций, кремний, алюминий и магний — элементы, способные при активации образовывать цементоподобные связи. Чтобы «пробудить» этот потенциал, команда добавила небольшие количества цементного клинкера и двух химических солей (NaHSO4 и Na2SiF6). В щелочной, влажной среде эти ингредиенты реагируют, образуя клееобразные гели, которые заполняют пространство между зернами грунта и связывают их в более прочную массу.

Разработка наилучшего рецепта в лаборатории

Вместо бессистемных проб множества смесей команда использовала «ортогональный» план эксперимента — структурированный способ испытать много комбинаций с относительно небольшим числом образцов. Они систематически варьировали три фактора: количество клинкера, NaHSO4 и Na2SiF6, по четырем уровням каждого, в 16 испытательных образцах, изготовленных из реального цианованского ила. После смешивания и формования эти образцы хранили в влажной среде в течение 28 дней, чтобы химические реакции могли развиться. Затем исследователи измеряли, насколько легко каждый образец сжимается под нагрузкой — индикатор того, насколько сильно будет оседать обработанный фундамент в полевых условиях.

Насколько прочнее стал обработанный грунт

Испытания на сжатие показали, что химически обработанный ил ведет себя как грунт средней–низкой сжимаемости, что близко к желаемым характеристикам для практических фундаментов. Статистический анализ результатов выделил «оптимальную» смесь: 20% клинкера, 4% NaHSO4 и 1% Na2SiF6 в отвердителе. Чтобы убедиться, что этот рецепт действительно повышает прочность, команда сравнила три типа образцов: с оптимальной рецептурой, с наибольшей в их опыте дозой добавок и с использованием только клинкера без шлака и солей. В испытувах на неограниченное сжатие оптимальная смесь достигла средней прочности 790 килопаскалей, примерно в 4,6 раза выше, чем образец только с клинкером. Даже смесь с большей дозой добавок показала худшие результаты, что подтверждает: больше не всегда значит лучше — важны правильные пропорции.

Практический эффект для прибрежного строительства

Для неспециалистов главный вывод таков: правильный химический рецепт может превратить мягкий прибрежный ил в значительно более плотный и надежный грунт, используя в основном местные промышленные отходы вместо грузовиков с импортным камнем. В случае Нинбо Цяньвана шлако‑ориентированный отвердитель с тщательно подобранными количествами вспомогательных химикатов заметно сократил степень просадки грунта и повысил его несущую способность. Хотя потребуются дополнительные исследования, чтобы оценить поведение такого обработанного грунта при длительном воздействии транспорта и изменениях окружающей среды, исследование предлагает перспективный, более устойчивый способ создания стабильных фундаментов на илистых побережьях — с переработкой отходов и повышением безопасности вновь создаваемых земель.

Цитирование: Qin, P. Experimental study on reinforcement treatment of coastal silty soft soil. Sci Rep 16, 7688 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36222-w

Ключевые слова: прибрежный мягкий грунт, стабилизация грунта, повторное использование промышленных шлаков, фундаментная инженерия, улучшение грунта