Механические свойства и микроструктурные особенности твердевшей солонцовой почвы с LBM‑GGBS в сезонно мерзлых зонах

Почему важна мерзлая солёная почва

В засушливых районах мира большие площади покрыты солёными почвами, которые при морозе зимой расширяются, трескаются и проседают при оттаивании весной. В таких местах, как северо‑западный Китай, дороги и железные дороги проходят по нестабильным грунтам, что приводит к неровностям, «выпуливанию» глинистого материала и дорогостоящему ремонту. Инженеры обычно укрепляют грунт обычным цементом, но его производство энергоёмко, а в сильно засолённых условиях он может работать хуже. В этом исследовании изучается более экологичное вяжущее на основе промышленных побочных продуктов, чтобы выяснить, сможет ли оно сохранять прочность солёной почвы и её безопасность в условиях многократного замораживания‑оттаивания.

Новый способ укрепления солёного грунта

Исследователи сосредоточились на смеси двух порошков: доменного гранулированного шлака, побочного продукта сталелитейного производства, и лёгкого обожжённого магнезита — реактивной формы оксида магния. В сочетании с водой и грунтом эти материалы могут затвердевать вокруг зерен, напоминая низкоуглеродистый цемент. Команда взяла хлоридно‑обогащённую солонцовую почву из сезонно мерзлой зоны провинции Шэньси (Китай), затем смешала разные количества и соотношения шлакового и магнезитного вяжущего. Смеси были сформованы в небольшие цилиндры, выдержаны в отверждении четыре недели и затем подвергнуты циклам замораживания при примерно −20 °C и оттаивания при комнатной температуре, имитируя несколько зим.

Насколько прочным и плотным оставался грунт

После 0, 2, 4, 6, 8 и 10 циклов замораживания‑оттаивания команда измеряла, какое сжимающее усилие образцы выдерживают до разрушения, какова их проницаемость для воды и сколько хлорида вымывается. Как и следовало ожидать, все образцы теряли часть прочности в первые два цикла, когда рост льда и миграция солей повреждают внутреннюю структуру. Но образцы с большим содержанием вяжущего, особенно содержащие 12 % вяжущего при соотношении шлак:магнезит 7:1, оставались впечатляюще прочными. Эта оптимальная смесь сохраняла прочность около 3 МПа после десяти циклов — в четыре раза выше требования к верхнему слою основания автомобильной дороги. Фильтрация воды через обработанный грунт оставалась низкой и мало менялась с числом циклов, особенно для обогащённых смесей, что указывает на то, что затвердевшая сеть оставалась достаточно плотной и трещиностойкой.

Что происходит внутри на микроуровне

Чтобы понять, почему обработанный грунт так хорошо переносил замораживание, исследователи изучили его внутреннюю структуру с помощью электронного микроскопа и измерений размера пор. Они обнаружили, что шлак и магнезит реагировали с водой и растворёнными ионами в почве, образуя несколько новых минерализованных гелей и кристаллов, которые связывали зерна между собой. Среди них были плотные сетчатые слои, оплетающие частицы почвы и заполняющие мелкие трещины, а также игольчатые и пластинчатые кристаллы, мостящие промежутки. В ходе циклического замораживания‑оттаивания некоторые мелкие поры сливались в чуть более крупные, но общий объём пор изменился лишь умеренно. Затвердевший каркас оставался в основном целым, ограничивая образование разрушительных ледяных линз и предохраняя почву от рассыпания.

Удержание солей вместо их миграции

Исходная солонцовая почва содержала высокий уровень хлоридов, которые легко растворяются и перемещаются вместе с водой, усугубляя морозное повреждение и представляя угрозу для близлежащих сооружений или подземных вод. После обработки шлако‑магнезитным вяжущим и отверждения количество вымывшихся хлоридов снизилось примерно на 43 %. Микроскопические и химические анализы показали, что большая часть хлорида оказалась захвачена в новообразовавших кристаллах, которые также содержат кальций, алюминий и сульфат. Эти минералы оставались стабильными даже после многочисленных циклов замораживания‑оттаивания, поэтому последующие циклы не приводили к дополнительному высвобождению хлорида. По сути, вяжущее одновременно укрепляло грунт и «запирало» значительную часть наиболее проблемной соли.

Что это значит для строительства в холодных регионах

Для неспециалистов вывод прост: перерабатывая сталелитейный шлак и применяя реактивный магнезит, инженеры могут превращать проблемные солёные грунты в более прочный, менее проницаемый и более экологичный строительный материал, даже в районах с многократным замораживанием и оттаиванием зимой. Правильная смесь — около 12 % такого вяжущего с преобладанием шлака над магнезитом — сохраняла прочность значительно выше дорожных стандартов, ограничивала движение воды и связывала примерно три четверти хлоридов. Этот подход может расширить возможности безопасного строительства в холодных засушливых регионах при одновременном снижении зависимости от обычного цемента и эффективном использовании промышленных отходов.

Цитирование: Chen, S., Ren, P., Wang, J. et al. Mechanical properties and microscopic features of LBM-GGBS solidified saline soil in seasonally frozen areas. Sci Rep 16, 10928 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46145-1

Ключевые слова: солонцовая почва, стойкость к многократному замораживанию‑оттаиванию, улучшение грунтов, вяжущее из промышленных побочных продуктов, стабилизация хлоридов