Синергетическое влияние доменного гранулированного шлака и нано‑диоксида кремния на консолидацию, сжимаемость и микроструктурное поведение глин высокой пластичности

Почему важно укрощать проблемные грунты

Многие дороги, здания и магистрали строятся на глинах, которые набухают во влажном состоянии и усыхают при высыхании. Эти движения могут вызывать трещины в покрытии, наклон фундаментов и рост затрат на обслуживание. В этом исследовании изучается более экологичный способ стабилизации таких «неустойчивых» глин — путем смешения их с промышленным побочным продуктом производства стали и сверхтонкими частицами кремнезема. Цель — сделать проблемные глины менее склонными к осадке и набуханию и обеспечить более надежную опору для сооружений, одновременно перерабатывая отходы вместо использования традиционных цементов с высоким углеродным следом.

Преобразование стального шлака и нанопорошка в «помощников» для грунта

Исследователи сосредоточились на высокопластичной глине, специально приготовленной в лаборатории так, чтобы она вела себя как очень расширяющиеся природные глины. Они комбинировали два добавки: молотый гранулированный доменный шлак — стекловидный порошок, образующийся при производстве чугуна и стали — и нано‑диоксид кремния, осажденный (fumed) порошок с частицами размером в десятки нанометров. Шлак вносит кальций и алюминий, которые могут реагировать с водой с образованием цементоподобных гелей, тогда как нано‑кремнезем благодаря большой удельной поверхности способен заполнять мельчайшие пустоты и ускорять эти реакции. Меняя доли каждого компонента, команда проверяла, смогут ли они вместе превзойти эффективность только шлака.

Как испытывали новые грунтовые смеси

Смеси глина–шлак–нано‑кремнезем готовили с содержанием шлака от 10% до 40% от сухой массы грунта и с нано‑кремнеземом в количестве 0%, 1% или 1,5%. Сначала измеряли базовые характеристики — например, сколько воды грунт может удерживать до перехода в текучее или рассыпчатое состояние и насколько плотно его можно уплотнить — ключевые параметры для строительной практики. Затем стандартным оборудованием для консолидации сжимали образцы при разных нагрузках, отслеживая скорость оттока воды, величину уплотнения слоя и восстановление при частичном снятии нагрузки. Отдельные испытания оценивали величину набухания при замачивании под небольшой нагрузкой. Наконец, при высоком увеличении и с помощью рентгеновских методов изучали, как меняется внутренняя структура грунта и какие новые реакционные продукты образуются.

Как сделать глину менее осадочной и более жесткой

Необработанная глина вела себя как типичный проблемный грунт: очень мягкая, легко сжимающаяся и склонная к большим длительным осадкам. Добавление только шлака постепенно уменьшало величину сжатия слоя под нагрузкой и величину восстановления при разгрузке, а также ускоряло отвод излишней воды. При добавлении нано‑кремнезема поверх шлака улучшения усиливались: наиболее эффективная смесь — около 40% шлака с 1% нано‑кремнезема — сократила основную меру сжимаемости примерно до одной трети от исходной и заметно повысила жесткость. Грунт консолидировался быстрее и демонстрировал меньше зависимой от времени «ползучести» после начальной усадки. Увеличение нано‑кремнезема до 1,5% не дало дополнительного улучшения и порой слегка ухудшало поведение, что указывает на то, что избыток ультратонких частиц может слеживаться, требовать большего количества воды и мешать эффективной уплотняемости.

Сдерживание вредного набухания

Для сооружений на расширяющихся глинах набухание часто столь же опасно, как и осадка. В этом исследовании необработанная глина имела очень высокий коэффициент расширения, что указывало на сильный потенциал подъема при увлажнении. Добавление шлака само по себе существенно снизило этот показатель, а сочетание шлака с нано‑кремнеземом сократило его еще сильнее — примерно на две трети по сравнению со смесями только со шлаком в лучших вариантах. Авторы связывают это улучшение с химическими изменениями на поверхностях глиновых частиц и с образованием гелеподобных продуктов, которые стягивают частицы и заполняют межчастичные пустоты. По мере уплотнения и лучшего сцепления структуры грунта остается меньше места, куда вода могла бы проникать и раздвигать пластины, вызывая вспучивание.

Что происходит внутри грунта

Микроскопические изображения исходной глины показывали рыхлую, пористую структуру из пластинчатых частиц. После обработки шлаком, а особенно шлаком в сочетании с нано‑кремнеземом, эти открытые пространства оказались заполнены более непрерывной, «клееобразной» матрицей, богатой кальцием, кремнием и алюминием. Рентгеновские дифракционные данные подтвердили смещение в сторону более аморфных, плохо кристаллизованных фаз — признаков цементоподобных гелей, а не отчетливых минеральных зерен. Эти внутренние изменения соответствуют результатам испытаний: более плотный, лучше связанный каркас противостоит объемным деформациям, эффективнее несет нагрузку и обеспечивает более управляемый отвод избыточной воды.

Практический вывод для полевых работ

Для неспециалистов главный вывод таков: разумная смесь доменного шлака и нано‑диоксида кремния способна превратить весьма нестабильную глину в значительно более надежный грунт. Обработанный материал меньше оседает, меньше набухает при увлажнении и упрочняется под обычными нагрузками, при этом используется промышленный побочный продукт. Хотя точная «золотая середина» по нано‑кремнезему будет зависеть от конкретного местопроекта, это исследование показывает, что умеренные дозы — порядка 1% по массе грунта — могут обеспечить полезную синергию со шлаком. В долгосрочной перспективе такие системы с двумя вяжущими компонентами могут помочь инженерам строить более безопасные дороги и фундаменты на проблемных глинах, снижая зависимость от традиционного цемента с высоким углеродным следом.

Цитирование: Uysal, F., Yılmaz, V. Synergistic effects of ground granulated blast furnace slag and nano-silica on the consolidation, compressibility and microstructural behavior of high plasticity clay. Sci Rep 16, 6548 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37652-2

Ключевые слова: стабилизация грунтов, расширяющаяся глина, доменный шлак, нано‑диоксид кремния, улучшение грунта