Оценка влияния использования нанооксида титана на микроструктурное поведение и геотехнические свойства глинистой почвы

Почему прочный грунт важен

Здания, дороги и насыпные сооружения опираются на почву под ними, чтобы оставаться безопасными и стабильными. Во многих регионах, особенно там, где преобладает глина, грунт бывает мягким, слабым и легко деформируемым, что вынуждает инженеров применять больше бетона, закладывать более глубокие фундаменты или прибегать к дорогостоящим мероприятиям по укреплению. В этом исследовании изучается, могут ли чрезвычайно мелкие частицы диоксида титана — размером в миллиарные доли метра — помочь обычному цементу эффективнее уплотнять глинистые грунты, делая их прочнее и устойчивее без радикальной смены существующих строительных практик.

Крошечные помощники в грунте

Исследователи сосредоточились на природной глине из северного Ирана — типичном «повседневном» строительном грунте, который не является ни крайне слабым, ни особенно прочным. Они смешали эту глину с небольшими количествами обычного портландцемента, уже широко применяемого для стабилизации мягких грунтов, а затем добавили наноокись титана в очень низких дозах. Эти наночастицы настолько малы, что могут заполнять крошечные зазоры между зернами глины. Тщательно варьируя содержание цемента и наночастиц, команда выясняла, когда частицы помогают, а когда — нет. Такой подход отражает реальные инженерные решения, где приходится взвешивать прирост прочности и затраты вместе с практичностью.

Как грунт вел себя в лаборатории

Чтобы понять, как обработанный грунт будет вести себя в поле, команда провела ряд классических геотехнических испытаний. Сначала измеряли, сколько воды почва может содержать, оставаясь пластичной и формуемой. Добавление наноокиси титана повысило как жидкий, так и пластический пределы, то есть глина могла поглощать больше воды, не превращаясь в жижу или не рассыпаясь. Затем провели испытания на неограниченную прочность при сжатии, где цилиндрические образцы сжимают до разрушения, и прямые срезы, имитирующие сдвиговые поведения, когда блоки грунта перемещаются друг относительно друга. Во всех этих испытаниях наличие наночастиц стабильно повышало прочность при достаточном содержании цемента и увеличивало сопротивление грунта сдвигу, не изменяя заметно «липкость» или сцепление между зернами.

Что происходит внутри грунта

Самые наглядные выводы получили при изучении внутренней структуры грунта с помощью электронного микроскопа. Необработанная глина, смешанная с цементом, демонстрировала относительно рыхлую структуру с видимыми порами и прерывистыми контактами между частицами. При добавлении умеренного количества наноокиси титана эти изображения менялись: поры между зернами глины и цемента становились меньше и менее связными, а частицы выглядели более плотно упакованными. Это указывает на то, что наночастицы действуют как ультратонкий заполнитель, заполая пространства, которые цементная паста сама по себе полностью не занимает. Они также предоставляют дополнительные поверхности, на которых могут начинать расти кристаллы цемента, мягко ускоряя и распространяя процесс твердения без введения собственных новых химических реакций.

Поиск оптимума

Эксперименты также показали, что больше не всегда значит лучше. При низком содержании цемента добавление слишком большого количества наночастиц мало усиливало прочность и могло даже привести к небольшому её снижению, вероятно, из‑за того, что крошечные частицы слипались, вместо того чтобы равномерно распределяться. При более высоких уровнях цемента прочность продолжала расти с увеличением дозы наноокиси титана, по крайней мере, до наибольшей протестированной дозы. В течение дней и недель выдержки обработанные грунты продолжали набирать прочность, что свидетельствует о том, что улучшенное уплотнение и дополнительные центры нуклеации цемента со временем продолжают совершенствовать микроструктуру. На практике это означает, что оптимальная доза наночастиц зависит от того, сколько цемента доступно и сколько времени грунту дадут на твердение.

Что это значит для реального строительства

Проще говоря, исследование приходит к выводу, что наноокись титана ведёт себя как умный пассивный компонент, который помогает цементно-обработанным глинистым грунтам становиться плотнее и более устойчивыми к деформации, особенно в отношении несущей способности и сопротивления сдвигу, а не изменяет их химически. Она не заменяет цемент и не превращает грунт в совершенно новый материал, но делает работу цемента более эффективной при правильных дозах. Для инженеров это означает перспективу, при которой улучшение грунта можно более точно настраивать изнутри, используя крошечные частицы для регулировки прочности и устойчивости и, возможно, уменьшая необходимость в более радикальных мерах.

Цитирование: Choobbasti, A.J., Kutanaei, S.S., Vafaei, A. et al. Assessing the influence of using nano titanium dioxide on the microstructure behavior and geotechnical properties of clayey soil. Sci Rep 16, 10002 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37167-w

Ключевые слова: стабилизация грунта, наночастицы, глинистая почва, грунт, обработанный цементом, геотехническая инженерия