生物聚合物稳定粉砂的自修复过程与强度研究：黄原胶与波斯胶在岩土工程中的对比分析

本研究针对粉砂土强度低、耐久性差的问题，通过对比黄原胶(XG)和波斯胶(PG)两种生物聚合物的稳定效果，系统评估了其自修复性能与力学特性。结果表明，2%掺量下XG和PG分别使无侧限抗压强度(UCS)提升233%和204%，且XG表现出更优的自修复能力(90天恢复38%)。研究创新性提出超声脉冲速度(UPV)与UCS的强相关性(R2=0.9561)，为绿色岩土材料开发提供了重要依据。

　　

在基础设施建设中，粉砂土因其低强度和易受环境应力影响的特性，一直是岩土工程领域的棘手难题。传统的水泥、石灰等钙基稳定剂虽能提升土壤强度，但每吨水泥生产会释放1.25吨CO₂，加剧环境负担。与此同时，生物聚合物作为新兴的环保材料，其生产过程中每公斤可吸收4.97-5.7公斤CO₂，为解决这一矛盾提供了新思路。然而，不同生物聚合物的分子结构差异如何影响其自修复性能，尚未有系统性研究。

针对这一科学问题，研究人员在《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》发表了创新性成果。研究团队采用黄原胶(Xanthan gum, XG)和波斯胶(Persian gum, PG)两种生物聚合物，通过无侧限抗压强度(UCS)测试、超声脉冲速度(UPV)检测、扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)等关键技术，系统评估了0.5%-3%掺量下粉砂土的力学性能和自修复机制。其中，大型直剪试验用于模拟实际工程中的剪切破坏，而UPV作为非破坏性检测手段首次被验证可用于自修复过程监测。

3.1 UCS强度发展规律
研究发现，2%掺量下XG和PG在养护42天后使UCS分别达到1193.6 kPa和950 kPa，较未处理土壤提升233%和204%。XG因支链分子结构和1100 mPa·s的高粘度，能形成三维凝胶网络，而线性结构的PG(粘度48 mPa·s)则通过均匀包覆颗粒提升强度。统计显示，生物聚合物含量对UCS的影响最显著(P<0.001)，28天养护被确定为最佳周期。

3.2 自修复性能对比
在模拟损伤后的自修复实验中，XG表现出显著优势：2%掺量样品在90天后UCS恢复达38%，而PG仅恢复21%。这种差异源于XG的羧基(-COO^-)和羟基(-OH)基团能重建氢键网络。值得注意的是，W-D(湿-干)循环会导致XG样品强度损失20.5%，高于PG的14.7%，说明PG在湿度变化下更稳定。

3.3 UPV与UCS的关联性
研究建立了UPV与UCS的指数模型(R2=0.9561)，证实UPV可作为自修复监测的有效手段。10折交叉验证显示模型预测稳定性良好(平均R2=0.878)，为工程现场检测提供了新方法。

3.4 微观机制解析
SEM图像显示，XG处理样品的剪切带空隙在90天后减少更显著。AFM进一步揭示XG样品表面粗糙度从±680 nm改善至±318 nm，优于PG的修复效果，这与XG更高的溶胀特性直接相关。

这项研究首次系统比较了XG和PG在粉砂土稳定中的性能差异，揭示了分子结构对自修复效率的影响规律。XG凭借支链网络适合长期工程，而PG因成本优势适用于中短期项目。提出的UPV-UCS关联模型突破了传统破坏性检测的局限，为绿色岩土工程提供了关键技术支撑。未来研究可拓展至不同土质和环境条件，进一步优化生物聚合物的工程适用性。