Оценка эффективности стабилизации глины с использованием натриевого лигносульфоната

Почему более прочный грунт важен для городов

Современные города быстро расширяются, часто на мягких, богатых глиной участках, которые по своей природе не поддерживают интенсивное движение, тяжёлые здания или коммуникации. Когда такая глина увлажняется или пересыхает, она может разбухать, усыхать и терять прочность, что приводит к трещинам на дорогах, неровным тротуарам и повреждению подземных сетей. В этом исследовании рассмотрен более экологичный способ укрепления таких грунтов с помощью побочного продукта дерево‑ и бумажной промышленности, что должно сократить как строительные проблемы, так и экологические последствия.

Полезный компонент из древесных отходов

Исследователи сосредоточились на веществе под названием натриевый лигносульфонат, которое образуется при переработке древесины в целлюлозу и бумагу. Вместо того чтобы считаться низкостоимостным отходом, этот тёмный, водорастворимый порошок способен взаимодействовать с мелкими частицами, делающими глинистые грунты слабыми и чувствительными к влаге. Команда работала с распространённым типом глины в Индии со средней пластичностью: она заметно деформируется во влажном состоянии, но не относится к самым «расширяющимся» глинам. Превращение таких грунтов в надёжные основания без использования цемента или извести может сберечь ресурсы и снизить выбросы парниковых газов.

Испытания поведения глины в лаборатории

В лабораторных условиях глину смешивали с разными небольшими дозами натриевого лигносульфоната, от 0,5% до 4% по сухому весу грунта. Затем провели набор стандартных геотехнических испытаний. Измеряли изменчивость пластичности и текучести при увлажнении, давление, при котором образец разрушался в сжатии, несущую способность при нагрузках, имитирующих транспорт, и склонность к разбуханию при замачивании. Образцы также выдерживали в контролируемых условиях до 28 дней, чтобы проследить изменение прочности с течением времени. Наконец, использовали высокомагнификационные методы визуализации для изучения того, как изменяется внутренняя структура грунта при наличии добавки.

Поиск оптимума прочности и стабильности

Результаты показали, что небольшого количества этого древесного добавки достаточно для заметного эффекта. При увеличении содержания натриевого лигносульфоната от нуля до примерно 0,75% глина становилась менее пластичной и более управляемой: её склонность вести себя как липкая, легко деформируемая масса во влажном состоянии уменьшалась. На уровне около 0,75% несущая прочность образцов при свободном сжатии — сопротивление небольшого цилиндра грунта на раздавливание — возросла примерно на 50% через 28 дней по сравнению с необработанным грунтом. Несущая способность грунта, измеренная стандартным испытанием для проектирования дорог, также заметно увеличивалась в течение двух недель выдержки. Важно и то, что потенциал набухания обработанной глины снизился примерно на одну пятую, то есть при воздействии воды её деформации будут меньше.

Что происходит внутри грунта

При более тщательном изучении в электронном микроскопе исследователи заметили, что необработанная глина состоит из чешуевидных частиц с множеством зазоров между ними. После обработки натриевым лигносульфонатом эти частицы образовывали более плотные сгустки с меньшим и более мелким поровым пространством. Добавка действует как гибкие цепочки, которые покрывают и соединяют зерна глины, стягивая их в более прочные агрегаты и вытесняя часть воды из промежутков между ними. Химический анализ показал, что основной минеральный состав грунта изменился незначительно, что указывает на то, что улучшение в основном обусловлено физическим связыванием и перестройкой структуры, а не образованием новых минералов. Любопытно, что при добавлении больше оптимальных 0,75% прочность снова снижалась, вероятно, из‑за того, что избыток отрицательно заряженных цепочек начинает отталкивать друг друга и ослабляет структуру.

Что это значит для будущего строительства

В целом исследование делает вывод, что небольшая, тщательно подобранная доза натриевого лигносульфоната — около трёх четвертей процента по сухому весу грунта — может существенно усилить этот тип глины, повысить её грузоподъёмность и уменьшить набухание, при этом изменения кислотности остаются умеренными. Для неспециалистов ключевая мысль такова: обильный промышленный побочный продукт дерево‑ и бумажной промышленности может помочь превратить проблемную глину под нашими дорогами и зданиями в более твёрдое и долговечное основание. При проведении дальнейших полевых испытаний и долгосрочных исследований этот подход может поддержать более устойчивую и экономичную инфраструктуру в быстро растущих городских районах.

Цитирование: Kumar, A., Kumar, P., Choudhary, A.K. et al. Performance evaluation of stabilized clay using sodium lignosulphonate. Sci Rep 16, 13551 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44155-7

Ключевые слова: стабилизация грунта, устойчивое строительство, лигносульфонат, глинистое основание, долговечность инфраструктуры