干燥条件下糖诱导砂胶结作用的实验研究

《Geomechanics for Energy and the Environment》：Experimental study of sugar-induced sand cementation in dry conditions

糖基胶凝材料在干燥实验室条件下的制备与性能研究。通过混合不同浓度（15%-40%）糖溶液与沙土，并在60、105、170℃下固化，发现UCS峰值达6MPa，显著高于传统生物胶凝方法。SEM显示糖晶体形成颗粒间桥梁结构，105℃固化时强度最优，170℃因糖焦化导致强度下降。研究指出该方法具有环境友好、快速固结的特点，但存在水分敏感性及微生物刺激风险，适用于临时工程加固场景。

　　这项研究探讨了糖作为一种低粘度的粘结剂，在干燥实验室条件下对沙子进行临时粘结的可能性。实验通过将不同浓度的糖溶液（15%–40%）与沙子混合，并在不同温度下进行烘烤固化，以评估糖对沙子的力学性能提升效果。研究结果显示，糖的粘结效果显著，其无约束抗压强度（Unconfined Compressive Strength, UCS）可达到6 MPa，与传统生物粘结方法（如微生物诱导碳酸钙沉淀，MICP）相比具有竞争力。同时，实验还利用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）观察了糖与沙粒之间的相互作用，揭示了糖在沙粒接触点形成的结晶桥，从而增强了沙子的强度和刚度。这些发现为理解糖诱导粘结的基本机制提供了新的视角，并探讨了该技术在实际应用中的局限性和未来研究方向。

研究首先介绍了砂土稳定化和粘结在土木工程中的重要性。砂土由于其松散的结构和较差的凝聚力，容易受到侵蚀、液化和剪切不稳定的影响，这对基础设施建设和防灾减灾构成了挑战。传统的技术如机械压实和振动浮升法虽然能增强土壤强度，但可能对环境造成较大的扰动。化学灌浆作为替代方案，虽然能提供更好的控制和性能，但引入合成化学品会带来环境污染、毒性和长期可持续性的问题。近年来，生物工程方法，尤其是微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）受到了关注，因为它使用自然发生的细菌，能够在较温和的条件下操作，并且生成的碳酸钙结构具有良好的耐久性。然而，MICP的一个主要缺点是尿素水解过程中会产生氨，这可能对环境和健康造成危害，尤其是在大规模应用时。

本研究旨在探索糖作为临时砂土粘结剂的可行性。糖在高湿度条件下容易形成“糖块”，这是糖在储存过程中常见的现象。当糖与水混合时，其晶体结构会因溶解而被破坏，随着水分的蒸发，糖分子重新结晶，形成连接沙粒的桥梁，从而实现粘结。这种机制与传统的水泥粘结不同，它是一种物理过程，依赖于糖分子与沙粒表面之间的结晶和氢键作用。因此，糖诱导的粘结在接触水后可以被溶解，这使得其在需要临时稳定性的场景中具有独特优势，例如短期建筑、风蚀控制、艺术装置或可生物降解结构。然而，这种粘结方法对湿度非常敏感，这限制了其在长期或永久应用中的使用。

实验材料为来自Dansand的硅砂，其粒径分布、形状特征以及化学成分已被详细记录。实验中使用的糖为标准的家用颗粒糖，糖溶液的浓度分别为15%、20%和40%（相对于总溶液质量）。在制备样品时，通过将糖溶液与干砂混合，确保了均匀分布，并在不同温度下进行烘烤固化。烘烤温度的选择基于对硬化速率和最终强度的平衡考虑，其中105°C的固化条件在24小时内达到了最佳效果，使样品的无约束抗压强度达到约2.08 MPa。相比之下，60°C的固化条件需要更长的时间（约4天）才能达到相似的强度，而170°C的高温则导致糖的焦糖化反应，从而降低了粘结效果。

实验结果表明，糖的浓度对无约束抗压强度有显著影响。随着糖浓度的增加，无约束抗压强度也随之上升，最高可达6.35 MPa。然而，粘结强度的提升并不总是线性的，某些情况下，较高的糖浓度反而可能导致粘结效果的不稳定。此外，固化温度对粘结效果也有重要影响，105°C的固化条件不仅提高了强度，还加快了硬化过程，而170°C的高温则引发了糖的分解，导致粘结性能下降。这些发现为理解糖诱导粘结的物理机制提供了重要的数据支持。

扫描电子显微镜（SEM）的分析进一步验证了糖在沙粒接触点的结晶现象。SEM图像显示，糖在沙粒表面形成了明显的结晶桥，这些桥状结构能够有效连接相邻的沙粒，从而增强整体的强度和刚度。通过不同放大倍数的图像，可以观察到糖晶体的角状形态以及其在沙粒之间的紧密接触。这些微观结构特征解释了在无约束抗压测试中观察到的轴向裂纹现象，表明糖诱导的粘结机制主要以拉伸失效为主。

尽管糖诱导粘结在实验室条件下表现出良好的性能，但在实际应用中仍存在一些挑战。首先，糖的高溶解性意味着其粘结效果在接触水后会迅速消失，这限制了其在需要长期稳定性的场景中的使用。其次，糖的加入可能刺激土壤中的微生物生长，导致氧气消耗、发酵和渗透压增加，从而对土壤和植物健康产生负面影响。例如，高浓度的糖溶液可能在土壤中形成较高的渗透压，导致植物根系脱水，影响其生长和发育。此外，糖的发酵过程可能改变土壤的化学环境，增加酸度，并产生有害的副产物，如丁酸。

为了克服这些局限性，研究提出了几种可能的改进方向。首先，可以通过结合其他生物粘结技术（如真菌诱导粘结）来实现更持久的土壤稳定效果。糖可以用于形成快速但可逆的表面硬化层，而真菌则可以在其下方进行长期的矿物沉淀，从而提供更持久的结构稳定性。其次，需要探索更低能耗的固化路径，例如在自然湿度条件下进行固化，而不是在高温下。虽然实验中使用了高温固化，但这种方法并不适用于实际的现场应用。最后，未来的研究应关注如何提高糖诱导粘结的耐久性，减少其对湿度的敏感性，以便在真实环境条件下更有效地使用。

在讨论部分，研究还强调了糖诱导粘结在实际应用中的潜力和局限性。尽管在实验室条件下，糖能够有效增强沙土的强度和刚度，但在现场环境中，由于水分的存在，这种粘结效果会迅速减弱。因此，糖诱导粘结目前还不能被视为传统粘结方法的替代品，但可以作为一种临时解决方案，尤其是在需要快速、可逆和环保的场景中。此外，糖诱导粘结的环境影响，如微生物刺激和氧气消耗，也需要进一步研究，以确保其在不同土壤类型和环境条件下的适用性。

总之，这项研究为糖作为临时砂土粘结剂的可行性提供了实验依据，并揭示了其在不同浓度和固化条件下的性能变化。虽然糖诱导粘结在实验室条件下表现良好，但在实际应用中仍需克服其对水分的敏感性和环境影响。未来的研究可以探索糖与其他生物粘结技术的结合，以及如何在实际环境中优化其固化过程和耐久性。这些努力将有助于推动糖诱导粘结技术在更广泛的应用场景中的发展和推广。