Механические характеристики и оценка жизненного цикла композиционного грунта на основе персидской смолы и отходов ковровых волокон для дренажных подложек свалок

Превращение мусора в более надёжный защитный слой свалки

Современные города производят горы отходов, и многие из них по-прежнему оказываются на свалках. Если защитная подложка внизу свалки трескается или протекает, загрязнённая жидкость — фильтрат — может просочиться в грунтовые воды и угрожать близлежащим сообществам. В этом исследовании рассматривается оригинальный способ создания более безопасных и экологичных подложек для свалок путём связывания обычного грунта растительной смолой и переработанными ковровыми волокнами — материалами, которые могут снизить риски загрязнения и уменьшить углеродный след при утилизации отходов.

Почему подложки свалок важны для здоровья и водных ресурсов

При разложении захороненных отходов образуется тёмная жидкость, богатая химическими веществами, которая может переносить тяжёлые металлы и токсичные органические соединения. Прецеденты утечек, известные из США и Нигерии, показывают, что протекающие свалки могут загрязнять питьевую воду и повышать риски для здоровья. Чтобы этого избежать, нормативы требуют подложек, обладающих высокой прочностью и практически водонепроницаемых свойств. Традиционно для этого используют качественные глинистые грунты или грунты, улучшаемые цементом или известью. Такие решения работают, но могут растрескиваться при высыхании и смещениях грунта, а производство цемента и извести сопровождается большим расходом энергии и выбросами парниковых газов. Инженеры потому ищут материалы для подложек, которые были бы прочными, устойчивыми к растрескиванию и гораздо менее вредными для климата.

Новая смесь: растительная смола и ковровые отходы

Авторы испытали местный супесь с добавлением персидской смолы — натуральной смолы, выделяемой кавказским миндалём (горной миндалью) — и коротких волокон, вырезанных из выброшенных ковров. Идея проста: смола образует гель, который склеивает зерна грунта и заполняет мелкие поры, препятствуя течению воды, а волокна действуют как миниатюрные арматурные стержни, удерживающие грунт при изгибе или растяжении. В лаборатории команда сравнила этот новый композит с тем же грунтом, обработанным традиционными методами — обычным портландцементом или гашёной известью. Смеси уплотняли в образцы, выдерживали до 28 дней и затем измеряли их прочность на сжатие, поведение на растяжение и изгиб, а также проницаемость для воды.

Прочность, гибкость и водонепроницаемость

Лучшей оказалась смесь с 3 процентами персидской смолы и 3 процентами ковровых волокон по сухому весу, причём длина волокон составляла около 0,6 диаметра образца. Через 28 дней этот композит достиг прочности на сжатие 708 килопаскалей — более чем в три раза выше, чем необработанный грунт, и значительно выше ориентира 200 килопаскалей для подложек, хотя всё ещё уступает очень жёсткому грунту, обработанному цементом. Важнее то, что композит деформировался сильнее перед разрушением: его пиковая деформация была почти в три раза выше, чем у грунта, обработанного известью, и почти в три раза выше, чем у цементированного грунта, что означает способность растягиваться и выпирать вместо резкого разрушения при осадке грунта. В испытаниях на изгиб и в специальном «расщепляющем» тесте, моделирующем раскалывание, смесь смолы и волокон показала большую вязкость и поглощение энергии по сравнению с другими обработками, что свидетельствует о её способности противостоять трещинам, которые часто превращают хорошую подложку в протекающую.

Защита от фильтрата и снижение выбросов

Чтобы подложка защищала грунтовые воды, она также должна быть крайне непроницаемой. Необработанный грунт пропускал воду относительно легко. Добавление только ковровых волокон сделало его ещё более проницаемым, потому что волокна нарушали уплотнение зерен. Персидская смола обращала этот эффект: покрывая зерна и заполняя пустоты, она снизила гидравлическую проводимость более чем на два порядка. Оптимизированный композит смолы и волокон достиг примерно 9.7 × 10⁻¹⁰ метров в секунду — лучше обычного нормативного предела 1 × 10⁻⁹ и сопоставимо с цементированным грунтом. Микроскопические изображения подтвердили, что смола образует непрерывные плёнки между частицами, а волокна закреплены в этой матрице, перекрывая микротрещины. Команда также провела оценку жизненного цикла от добычи сырья до возведения подложки. На каждый кубический метр стабилизированного грунта композит на основе персидской смолы и волокон производил примерно вдвое меньше выбросов, вызывающих потепление климата, чем цементированный грунт, и на около 70 процентов меньше, чем традиционная глиняная подложка, доставленная из удалённого карьера, при этом также расходуя меньше воды и ископаемого топлива в целом.

От лабораторной концепции к реальным свалкам

Чтобы понять, сможет ли материал работать на практике, исследователи смоделировали крупномасштабную свалку, обслуживающую город с миллионом жителей в течение 20 лет. Слой нового композита толщиной 0,6 метра, уложенный под пластиковыми геомембранами, удовлетворял как критериям прочности, так и требованиям по просачиванию, обеспечивая коэффициенты запаса выше стандартных целей. На всей площадке использование композита вместо цементированного грунта позволило бы избежать почти 18 000 метрических тонн выбросов CO2 и сэкономить десятки тысяч кубических метров воды. Хотя требуются более длительные полевые испытания — особенно чтобы проверить старение растительной смолы и возможное выделение микропластика из синтетических волокон — исследование показывает, что подложки свалок, изготовленные из простой смеси местного грунта, натуральной смолы и ковровых отходов, могут обеспечить сообществам более безопасный и устойчивый барьер между их отходами и питьевой водой.

Цитирование: Mohseninia, M., Ghahremani, M. & Fattahi, S.M. Mechanical performance and life cycle assessment of a Persian gum-waste carpet fiber soil composite for landfill bottom liners. Sci Rep 16, 7147 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37055-3

Ключевые слова: дренажные подложки свалок, стабилизация грунтов, биополимерные композиты, волокна из отходов ковров, оценка жизненного цикла