Влияние и микроскопический механизм цементного упрочнения илистого слабого грунта с модификацией нанооксидом

Более прочный грунт для прибрежных городов

По многим побережьям и берегам рек здания и дороги стоят на мягком, влажном грунте, который не может легко выдержать их вес. Инженеры часто «упрочняют» такой слабый грунт цементом, но в илистых, богатых органикой грунтах цемент работает не так эффективно, как хотелось бы. В этом исследовании рассматривается новый подход: смешивание с цементом очень мелких частиц — нанооксидов — чтобы сделать грунт под инфраструктурой более прочным, менее податливым и более устойчивым к воздействию воды.

Крошечные добавки с большой задачей

Исследователи работали с илистым мягким грунтом из Гуанчжоу, Китай — типом грунта, который естественно удерживает почти половину своей массы в виде воды и имеет низкую прочность. Они добавили обычный портландцемент — уже стандартный метод стабилизации слабых оснований — а затем дополнительно ввели четыре различных нанооксидных металла: нано-кремнезем (NS), нано-оксид алюминия (NA), нано-магнезия (NM) и нано-оксид железа (NF). Эти частицы в десятки тысяч раз мельче песчинки и имеют очень большую удельную поверхность, что позволяет им быстро реагировать и прилипать к частицам грунта и цемента. Команда варьировала количество каждого нанооксида и тестировала грунт с течением времени, чтобы увидеть, насколько он стал прочнее, жестче и более водоустойчивым.

Насколько сильнее становится грунт

Для измерения прочности команда сдавливала цилиндрические образцы обработанного грунта до разрушения. Через 28 дней твердения даже умеренная доза (1,5% по влажной массе грунта) каждого нанооксида более чем вдвое увеличивала прочность по сравнению с одними только цементом. Например, образцы с нано-кремнеземом или нано-магнезией достигали почти трехкратного увеличения прочности, тогда как образцы с нано-оксидом алюминия и нано-оксидом железа также показали значительный рост. В большинстве случаев увеличение содержания нанооксида продолжало повышать прочность. Главным исключением была нано-магнезия: у неё было оптимальное содержание примерно 1,5%, при превышении которого прочность начинала снижаться, вероятно, из‑за чрезмерного расширения продуктами её реакции, что создавало новые микродефекты в скелете грунт‑цемент.

Меньше сжимаемости, лучше в воде

Зданиям нужен не только прочный грунт; важна также низкая сжимаемость при нагрузке и отсутствие сильного размягчения при намокании. Испытания на сжатие показали, что при добавлении нанооксидов обработанный грунт проявляет поведение с низкой сжимаемостью, даже на ранних этапах. По мере увеличения времени твердения и содержания нанооксида грунт становился жестче и мог выдерживать большие давления до течения. Тесты на погружение в воду — имитирующие дождь или длительное увлажнение — показали, что прочность всегда снижалась с длительностью замачивания, но образцы с нанооксидами сохраняли значительно большую часть своей прочности, чем грунт только с цементом. Среди четырех добавок нано-кремнезем в целом давал наилучшее сочетание жесткости и водостойкости, за ним следовали нано-оксид алюминия, нано-оксид железа и затем нано-магнезия.

Что происходит внутри грунта

Чтобы понять, почему эти крошечные частицы так помогают, исследователи заглянули внутрь грунта с помощью рентгеновской дифракции, электронных микроскопов и измерений порового размера. Они обнаружили, что добавление нанооксидов меняет типы цементоподобных гелей, которые образуются, и их расположение вокруг зерен грунта. Особенно нано-кремнезем и нано-оксид алюминия стимулируют дополнительное образование плотных, клееподобных гелей, которые обволакивают отдельные частицы грунта и соединяют их между собой. Нано-оксид железа в основном заполняет пустоты и помогает нейтрализовать проблемную органику, тогда как нано-магнезия образует специальные магниевые гели и кристаллы, которые при правильной дозировке уплотняют структуру грунта. В целом поры между зернами становятся меньше и более равномерно распределены: многие крупные пустоты превращаются в мелкие внутренние поры, в результате образуется более цельная, камнеподобная масса.

От лабораторных результатов к безопасным фундаментам

Проще говоря, исследование показывает, что внесение небольшой доли тщательно подобранных нанооксидов в цементируемый илистый грунт может превратить слабый, грязный грунт в значительно более прочную и надежную основу для строительства. Грунт становится способным нести большие нагрузки, меньше сжимается и лучше держится при намокании, потому что наночастицы способствуют образованию большего количества связующего и заполнению пустот. Хотя работа выполнена в контролируемых условиях и для конкретного типа грунта, она указывает на практические способы создания более безопасных фундаментов, насыпей и дорог в мягких прибрежных районах путем инженерной обработки грунта с микроскопического уровня.»

Цитирование: Deng, X., Liu, X., Xiao, Z. et al. Effect and microscopic mechanism of nano-oxide modified cement solidified silty soft soil. Sci Rep 16, 5870 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37024-w

Ключевые слова: стабилизация грунта, нанооксиды, цементно-обработанный грунт, фундаменты на мягких суглинках, геотехническая инженерия