Прочность и микроструктурное поведение смесей песка и каолина, стабилизированных TerraZyme и ксантановой камедью

Строительство на более безопасном, экологичном основании

Любой дом, дорога или мост в конечном счёте опираются на грунт под ними. Когда этот грунт слабый или нестабильный, результатом могут быть трещины, осадки или даже катастрофические разрушения. В данном исследовании изучается, могут ли два природных продукта — ферментный препарат TerraZyme и растительная загуститель ксантановая камедь — сделать песчаные грунты более прочными и надёжными, при этом избегая большого углеродного следа, связанного с традиционной обработкой цементом и известью.

Почему одного песка недостаточно

Песчаные грунты часто используются в строительстве, поскольку они быстро дренируются и легко уплотняются. Но зерна песка похожи на крошечные шарики: гладкие, твёрдые и плохо сцепляющиеся друг с другом. Чтобы улучшить их поведение, исследователи сначала смешали песок с 15% каолина — тонкой белой глиной, чьи плоские частицы могут располагаться между зернами песка и обеспечивать дополнительные точки контакта. Эта смесь песка и каолина лучше отражает реальные основания, которые обычно содержат как крупные, так и мелкие частицы, а также предоставляет больший реактивный материал для сцепления с биологическими добавками.

Природные помощники: энзим и биополимер

Команда обработала смесь песка и каолина различными дозами TerraZyme (ферментированного растительного экстракта) или ксантановой камеди (сахарного биополимера, широко используемого как пищевая загуститель). TerraZyme действует в основном за счёт изменения химии поверхностей частиц и тонких водных пленок вокруг них. При подходящих условиях он способствует образованию цементоподобных гелей, которые покрывают зерна и уплотняют структуру грунта. Ксантановая камедь ведёт себя иначе: при гидратации она превращается в скользкий гель, обволакивающий зерна и растягивающийся между ними, образуя гибкую сеть. В сочетании с алюминийсодержащими поверхностями глины эти природные добавки создают больше возможностей для взаимной блокировки и сцепления зерен.

Испытание обработанных грунтов под давлением

Чтобы выяснить, насколько усиливают грунт эти обработки, исследователи изготовили цилиндрические образцы и сжимали их в стандартном лабораторном устройстве —triaxial cell— которое моделирует нагрузки в глубине. Они сосредоточились на краткосрочном поведении в невысушенных условиях, аналогичных тому, что может происходить при быстрой застройке или землетрясении. Тщательно подобранные «оптимальные» дозы — 0,075 мл TerraZyme на килограмм грунта и 1% ксантановой камеди по сухой массе — повысили максимальную сдвиговую прочность смеси песка и каолина примерно в 2,5 раза после 30 дней созревания. Образцы, обработанные TerraZyme, достигали высоких пиковых прочностей, но затем несколько смягчались по мере разрушения внутренних связей: они вели себя более жёстко и несколько более хрупко. Образцы с ксантаном также демонстрировали высокую прочность, но с более плавной, пластичной реакцией: они продолжали нести значительные нагрузки даже при больших деформациях.

Видеть скрытый клей между зернами

Чтобы уйти дальше чисел и понять механизмы этих изменений, авторы использовали набор современных микроскопов и спектроскопических методов, более привычных материаловедам, чем для обычных испытаний грунта. Снимки в электронном микроскопе показали, что ксантановая камедь образует гладкое волокнистое гелевое покрытие, мостящее поры между зернами, тогда как TerraZyme формирует похожие на хлопья, плотно упакованные структуры, особенно вокруг частиц каолина. Химические анализы (включая рентгеновскую дифракцию, инфракрасную спектроскопию, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию и твердофазный ЯМР) показали, что TerraZyme способствует образованию цементирующих гелей, сходных с теми, что встречаются в бетоне, и изменяет связи алюминия и кислорода в глине. Ксантан, напротив, главным образом формировал физические гидрогелевые мостики, не меняя радикально первичные минералы, но при этом повышая связность между частицами.

Что это значит для будущего строительства

Для неспециалиста основная мысль проста: небольшое количество глины в сочетании с точно дозируемыми натуральными добавками может превратить рыхлый, легко деформируемый песок в гораздо более прочный и устойчивый материал основания. TerraZyme, как правило, обеспечивает более высокий пиковый предел прочности за счёт более жёстких, цементоподобных связей, что делает его привлекательным там, где ожидаются большие нагрузки и быстрые действия нагрузок. Ксантановая камедь даёт более мягкое, гибкое усиление, что может быть полезно там, где грунт должен переносить большие перемещения без растрескивания. Оба подхода избегают больших выбросов углерода и вреда для подземных вод, связанных с цементом и известью, указывая на будущее, в котором стабилизация грунта может быть одновременно безопаснее и заметно экологичнее.

Цитирование: Thomas, G., Nayak, R.R., Gupta, N.K. et al. Strength and microstructural behaviour of sand Kaolin mixtures stabilized with terrazyme and Xanthan gum. Sci Rep 16, 7451 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38011-x

Ключевые слова: стабилизация грунтов, биополимер, биоэнзим, смесь песка и каолина, устойчивая геотехника