Улучшение механических и сдвиговых характеристик глинистой почвы с помощью извести, наномагния (Nano-MgO) и переработанных волокон ПЭТ: экспериментальная и УПВ-оценка

Строительство на слабом грунте

Многие города расширяются на участки, залегающие на глинистых грунтах, которые по природе слабы и склонны к разбуханию, усадке и растрескиванию. Такие грунты могут со временем разрушать дороги, вызывать протечки труб и перекосы фундаментов зданий. В этом исследовании рассматривается более чистый и разумный способ превращения проблемной глины в прочную и надежную основу для строительства — при одновременном снижении выбросов углерода и повторном использовании отходов пластиковых бутылок.

Новый рецепт для укрепления грунта

Исследователи сосредоточились на глине с высокой пластичностью — особенно проблематичном типе, который меняет объем при увлажнении или высыхании. Традиционно инженеры смешивают такие грунты с известью, чтобы повысить их жесткость и стабилизировать. Известь эффективна, но ее производство сопровождается большими выбросами диоксида углерода. Чтобы снизить этот след и повысить характеристики, команда разработала трехкомпонентную смесь: известь, ультрадисперсный наномагний (nano-MgO) и короткие волокна из переработанного полиэтилентерефталата (ПЭТ) — пластика из бутылок для напитков. Идея заключалась в том, что известь и nano-MgO будут химически «цементировать» частицы грунта, а волокна ПЭТ будут действовать как крошечные армирующие нити, удерживающие смесь вместе при растрескивании или деформации.

Как испытывали грунт

Образцы глины смешивали с разными количествами извести, nano-MgO и волокон ПЭТ, затем уплотняли и оставляли на выдержку до 90 дней. Команда измеряла сопротивление смятию (безраспорная прочность на сжатие), разрыву (косвательная прочность на растяжение) и сдвигу (прямые испытания на сдвиг, которые показывают трение и сцепление). Также использовали ультразвуковую импульсную скорость (УПВ): через образцы прогоняли звуковые волны и фиксировали скорость их прохождения. Более быстрые волны означают более плотную и непрерывную внутреннюю структуру. В отличие от традиционных испытаний на прочность, УПВ является неразрушающим методом, что открывает возможность быстрой проверки качества грунта в полевых условиях без разрушения образцов.

Поиск оптимума состава

Эксперименты показали, что в составах есть явный «золотой» баланс. Увеличение содержания извести повышало прочность до примерно 10 процентов от сухой массы грунта; при большем содержании лишняя известь образовывала слабые кристаллы, которые фактически снижали прочность. Замещение небольшой доли этой извести — около 2 процентов от массы извести — наномагнием дополнительно увеличивало прочность и жесткость. Через 90 дней смесь с известью и нано-MgO увеличивала прочность на сжатие более чем в восемь раз по сравнению с необработанной глиной и примерно на 40–50 процентов по сравнению с обработкой только известью. Добавление 0,9 процента волокон ПЭТ от массы грунта давало дополнительный эффект, особенно в сопротивлении растрескиванию и растягивающему разрушению, хотя добавление большего количества волокон давало мало дополнительной пользы и могло создавать слабые зоны при слипании волокон.

Взгляд внутрь грунта

Микроскопические и поверхностные изображения подтвердили выводы механических испытаний. Необработанная глина выглядела рыхлой и пористой, с пластинчатыми частицами и множеством пустот. Напротив, образцы с 10 процентами извести и 2 процентами nano-MgO показали плотную структуру: частицы глины были покрыты и связаны гелеобразными продуктами реакции, которые заполняли поры и сцепляли частицы. Волокна ПЭТ просматривались, проходя через эту матрицу, с цементированным грунтом на их поверхностях, формируя трехмерную сеть, которая помогала распределять нагрузки и препятствовать распространению трещин. Измерения УПВ тесно коррелировали с этими внутренними изменениями. По мере уплотнения и улучшения связности грунта ультразвуковые волны распространялись быстрее. В исследовании были обнаружены сильные математические связи между скоростью волны и ключевыми свойствами, такими как прочность, сцепление и угол внутреннего трения, что позволяет использовать УПВ для оценки качества стабилизации грунта без разрушения образцов.

Почему это важно для практики

Для инженеров и планировщиков оптимизированная смесь — 10 процентов извести, 2 процента nano-MgO и 0,9 процента переработанных волокон ПЭТ — предлагает перспективный компромисс между эффективностью, стоимостью и устойчивостью. Она значительно повышает прочность и сдвиговую устойчивость, помогая фундаментам и земляным конструкциям надежнее опираться на глину, одновременно сокращая количество необходимой извести и давая вторую жизнь отработанному пластику. Возможность контроля качества грунта с помощью простых ультразвуковых испытаний также может сделать контроль быстрее и дешевле на строительных площадках. Хотя исследование проводилось в лабораторных условиях и требует проверки в полевых масштабах при реальных погодных и нагрузочных циклах, оно указывает на более прочные и экологичные способы строительства на сложных грунтах.

Цитирование: Amiri, A.A., Ranjbar Malidarreh, N., Soleimani Kutanaei, S. et al. Enhancing the mechanical and shear behavior of clay soil using lime, Nano-MgO, and recycled PET fibers: experimental and UPV-based assessment. Sci Rep 16, 7548 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38956-z

Ключевые слова: стабилизация глинистых грунтов, нано-MgO, переработанные волокна ПЭТ, ультразвуковое испытание, геотехническая инженерия