Адгезионная прочность полимерного гидроизоляционного покрытия и пучинистого грунта

Почему важно сохранять целостность откосов

Во многих местах мира дороги, железные дороги и здания возводят на сложном материале — пучинистом грунте. При намокании такой грунт разбухает, при сушке он сжимается и трескается. Эти деформации повреждают фундаменты и могут вызывать локальные оползни на откосах вдоль шоссе, нанося ежегодно большие экономические убытки. В этом исследовании рассматривается перспективный способ защиты таких откосов — тонкое гибкое полимерное гидроизоляционное покрытие — и, что важно, задан практически ориентированный вопрос: при каких условиях такое покрытие будет надёжно держаться на грунте в долговременной перспективе?

Новый «дождевой щит» для проблемных грунтов

Традиционные методы стабилизации пучинистых откосов обычно направлены на усиление самого грунта или его закрепление при помощи армирования и растительности. Эти меры помогают, но не всегда препятствуют проникновению дождевой воды в откос, а именно это вызывает основную часть разбухания и растрескивания. Авторы предлагают рассматривать поверхность откоса как первую линию защиты и применять эластичное полимерное гидроизоляционное покрытие, формирующее сплошную пленку на грунте. Ранние модельные испытания показали, что такое покрытие сокращает количество воды, проникающей в откос, и ограничивает его разбухание и усадку. Но если покрытие отслоится от грунта, вода проникнет под него, и защита быстро утратит эффективность. Поэтому в этой работе сосредоточены внимание на адгезии покрытия к пучинистому грунту и на условиях, которые делают эту связь сильнее или слабее.

Как были проведены эксперименты

Команда использовала водную каучуковую эмульсию, широко применяемую для гидроизоляции зданий и инфраструктуры. После отверждения этот материал может растягиваться в девять раз от первоначальной длины без разрыва и сохраняет водонепроницаемость под давлением. В качестве образца собрали репрезентативный пучинистый грунт с юга Китая, тщательно определили его физические и минеральные характеристики и сформовали компактные блоки в специальной форме. Контролируя влажность грунта и степень уплотнения, они получили образцы с разным содержанием воды (от довольно сухих до достаточно сырых) и плотностью (от рыхлой до очень плотной). Покрытие наносили кистью на поверхность грунта при различных толщинах, давали отвердеть при стандартных лабораторных условиях, а затем отрывали с помощью разрывной машины, регистрируя максимальную силу, необходимую для отслоения.

Что определяет прочность сцепления покрытия

Испытания, охватывающие 40 комбинаций условий и в сумме 200 образцов, выявили чёткие закономерности. Ведущим фактором, определяющим прочность сцепления, оказалась степень уплотнения грунта. С увеличением плотности прочность сцепления возрастала почти линейно и достигала максимума при наибольшем уплотнении из протестированных. Влажность сыграла более тонкую роль: по мере увлажнения прочность сначала увеличивалась, затем снижалась, достигая максимума около «оптимальной» влажности грунта — того уровня, при котором грунт обычно уплотняется наиболее эффективно. При чрезмерной влажности внутреннее всасывание и контакты между зернами ослабевали, и покрытие легче отделялось. Толщина покрытия оказала наименьшее влияние; в пределах исследованного диапазона увеличение толщины существенно не меняло прочности сцепления, хотя толщина около 1,5 мм показала небольшое преимущество в среднем и обеспечивает большую долговечность.

Скрытые анкеры внутри грунта

При отрыве покрытие не отделялось как плоская пленка. Вместе с ним вырывался столбик грунта, имеющий форму небольшого перевёрнутого конуса или трапеции. Исследователи называют это «эффектом грунтового гвоздя»: при попытке отделения покрытие захватывает этот грунтовый столбик, который действует как миниатюрный анкер, вынуждая окружающий грунт сопротивляться движению за счёт трения и контактов «зерно-к-зерну». Чем длиннее этот столбик грунта, тем выше сопротивление и тем большая измеренная прочность сцепления. Условия, повышавшие прочность сцепления — умеренная влажность и достаточное уплотнение — также способствовали увеличению длины столбика, усиливая анкерный эффект. Напротив, изменение толщины покрытия мало влияло на длину столбика, что подтверждает идею о том, что подготовка основания важнее добавления лишнего материала.

Практические рекомендации для безопасных откосов

В практическом плане исследование показывает: полимерное гидроизоляционное покрытие может служить эффективным «дождевым щитом» для пучинистых откосов, но только при правильной подготовке грунта под ним. Наиболее надёжный рецепт, предлагаемый авторами, прост: довести влажность грунта близко до оптимальной, уплотнить грунт до заданного уровня плотности и нанести покрытие толщиной около 1,5 мм. В таких условиях покрытие прочно держится, формируются скрытые грунтовые анкеры, и дождевая вода с большей вероятностью останется на поверхности, а не уйдёт глубоко в откос. Хотя нужны дополнительные исследования, чтобы подтвердить поведение при длительных циклах намокания и высыхания и для других типов пучинистых грунтов, эти результаты дают практическое, основанное на науке руководство для инженеров, стремящихся к долговечной защите откосов, ориентированной на поверхность.

Цитирование: Ma, M., He, B., Huang, H. et al. Bonding performance of polymer waterproof coating and expansive soil. Sci Rep 16, 12994 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38572-x

Ключевые слова: пучинистый грунт, гидроизоляционное покрытие, стабильность откосов, уплотнение грунта, инфильтрация дождевых вод