Новый геотехнический подход: нерушающее прогнозирование прочности и набухания глин, стабилизированных нанооксидом алюминия и цементом, с использованием ультразвуковой импульсной скорости

Почему проблемные грунты важны в повседневной жизни

Многие дома, дороги и трубопроводы возведены на глинистых грунтах, которые при увлажнении незаметно набухают, а при высыхании сжимаются. Эти циклы деформаций со временем могут вызывать трещины в стенах, коробление покрытий и повреждения подземных сооружений, что приводит к дорогому ремонту. Инженеры обычно проверяют и укрепляют такие проблемные грунты методами, разрушающими образцы и требующими времени. В этом исследовании рассматривается более быстрый, нерушающий способ оценить, насколько эффективно укреплен грунт, — по распространению звуковых волн через материал — и одновременно уменьшить расход цемента путем добавления очень мелких частиц, так называемого нано-оксидa алюминия.

Преобразование слабой глины в более прочное основание

Исследователи работали с экспансивной глиной, которая по природе обладает низкой прочностью и выраженной склонностью к набуханию. Они смешивали этот грунт с небольшими количествами обычного портландцемента и чрезвычайно тонкими частицами оксида алюминия — нано-оксидом алюминия. Испытаны содержаниe цемента 0%, 3% и 7% по сухой массе грунта, а для каждого уровня цемента нано-оксид добавляли в нескольких дозах относительно цемента — от нуля до 1,5%. Смеси уплотняли в стандартные образцы и выдерживали при твердении 7, 28 или 90 дней, чтобы смоделировать изменение свойств со временем в полевых условиях.

Прослушивание грунта с помощью звуковых волн

Чтобы выяснить поведение обработанных глин, команда провела широкий набор традиционных испытаний: сжатие и растяжение образцов до разрушения, сдвиг при разных давлениях и измерение степени набухания при замачивании в воде. Одновременно применяли тест ультразвуковой импульсной скорости (UPV): короткий высокочастотный звуковой импульс пропускали через образец и фиксировали скорость его прохождения. Более быстрые волны указывают на более жесткую и сплошную внутреннюю структуру. Микроскопические методы — сканирующая электронная микроскопия для визуализации структуры и рентгеновская дифракция для идентификации минералов — помогли показать, как цемент и нано-оксид алюминия изменяют грунт на микроуровне.

Поиск оптимума для нано-добавок

Эксперименты показали, что и цемент, и нано-оксид алюминия заметно улучшают свойства грунта. С увеличением содержания цемента скорость ультразвука возрастала, повышались прочность и сопротивление сдвигу, а набухание снижалось. Добавление нано-оксида давало дополнительный эффект, но лишь до определенного уровня. Примерно 0,9% нано-оксида относительно цемента обеспечивало наилучший общий результат: ультразвуковая скорость выросла примерно на треть, прочность на сжатие увеличилась более чем на четверть, а склонность грунта к набуханию резко сократилась по сравнению только с цементом. Микроскопия показала, что эта оптимальная доза формирует более плотную и однородную матрицу с меньшим количеством пустот и более прочными связями между частицами. Минеральные анализы продемонстрировали, что нано-оксид алюминия способствует превращению слабых гидратационных продуктов в более жесткие гелеобразные фазы и снижает активность минералов, склонных к набуханию.

От скорости звука к прочности и набуханию

Поскольку измерение UPV быстрое и не разрушает образец, авторы задались вопросом, может ли оно надежно заменить более медленные разрушающие испытания. С помощью статистических методов они вывели уравнения, связывающие две легкоизмеримые величины — ультразвуковую скорость и максимальную сухую плотность, достигаемую при уплотнении — с ключевыми инженерными характеристиками: прочностью на сжатие и растяжение, параметрами сдвига, а также деформацией и давлением набухания. Прогнозные значения из этих уравнений хорошо согласовывались с лабораторными замерами; например, корреляция для прочности на сжатие составляла примерно 0,93, для сцепления — 0,96, а для показателей набухания — выше 0,8. Это означает, что во многих случаях инженеры могут судить о прочности и устойчивости к набуханию обработанной глины, просто измерив, с какой скоростью звуковой импульс проходит через образец, и зная его плотность уплотнения.

Что это означает для более безопасных и устойчивых оснований

Для неспециалиста вывод таков: мы можем сделать проблемные глины и прочнее, и менее склонными к вздутиям, комбинируя небольшие количества цемента с тщательно подобранными наноразмерными добавками. При этом состояние обработки можно контролировать с помощью безвредных звуковых волн вместо разрушения большого числа образцов. Такой подход предлагает более быстрый и потенциально более экономичный способ убедиться, что грунт под домами и инфраструктурой ведет себя так, как задумано, при одновременном снижении зависимости от больших объемов цемента. В долгосрочной перспективе эти методы могут привести к более долговечным сооружениям, меньшему числу трещин и отказов и к более устойчивым практикам улучшения грунтов.

Цитирование: Azizi, G., Janalizadeh Choobbasti, A. & Soleimani Kutanaei, S. A novel geotechnical approach: non-destructive prediction of strength and swelling behavior of nano-alumina and cement stabilized clays using ultrasonic pulse velocity. Sci Rep 16, 8461 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40001-y

Ключевые слова: напыляющаяся глина, стабилизация грунтов, наноматериалы, ультразвуковые испытания, альтернативы цементу