《Environmental Technology & Innovation》：In Situ Synthesis of Superabsorbent Polymer in Soil: A Dual-Mechanism Study on Desiccation Crack Suppression and Self-Healing Behavior
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本研究针对干旱半干旱环境下土壤普遍存在的干缩开裂问题，提出了一种“液-固混合”原位聚合策略，使高吸水性聚合物（SAP）能在土壤基质内形成三维网络。通过系统评估SAP含量对土壤水分过程及裂缝演化的影响，发现原位生成的SAP能显著减缓水分流失、抑制裂缝扩展，并在高剂量下（如12%）表现出裂缝自愈合倾向。该策略不仅为SAP在岩土介质中的便捷引入提供了新途径，也为干旱条件下土壤“保水-抑裂”的耦合调控提供了可行的技术路径和机理依据。
在广袤的干旱与半干旱地区，土壤干缩开裂是一种司空见惯却又危害深远的现象。当土壤因强烈蒸发而失去水分时，内部会产生收缩应力，一旦应力超过土壤自身的抗拉强度，裂缝便应运而生。这些看似不起眼的裂缝，如同在大地肌肤上划开的伤口，不仅破坏了土壤结构的连续性，削弱其整体稳定性，更会形成水分和溶质快速运移的优先通道，加速土壤失水和结构恶化。一个相互连通的裂缝网络会进一步加剧不均匀的表面收缩和应力集中，使得裂缝发展难以控制，最终导致土壤结构和功能的系统性退化，甚至可能引发工程设施失稳和生态功能衰竭的严重后果。面对这一挑战，直接改变导致土壤干旱的环境和气候条件往往成本高昂且收效有限。因此，从土壤本身入手，通过添加改良剂来增强其保水能力和抗开裂性能，已成为土壤干缩开裂领域的研究热点。
传统的改良方法各具特色但也存在局限。例如，微生物诱导方解石沉淀（MICP）技术虽能强化土粒表面和孔隙，但其过程复杂且可能引入盐分，存在盐渍化风险。生物炭作为土壤改良剂，在改善土壤肥力的同时，在某些特定土壤条件下反而可能加剧开裂。植物根系能起到加筋作用，但其分布不均及自身吸水特性也可能加剧土壤裂隙。那么，能否从导致开裂的根本驱动力——“水分流失”入手，找到一种更直接有效的缓解策略呢？
高吸水性聚合物（SAP）作为一种能吸收并保持自身重量数百倍甚至上千倍水分的功能材料，因其卓越的保水性能，在农业节水、废水处理等领域已有广泛应用。将其应用于土壤，理论上可以通过调控土壤水分行为，延缓干燥过程，从而减少裂缝形成。然而，现有研究大多采用将SAP粉末直接与土壤干混的“固-固”方式，这种方式在实际工程中常受限于分散不均、结块以及掺入效率低等问题，影响了材料性能的可控性和施工的便捷性。
为了解决上述瓶颈，发表在《Environmental Technology》上的这项研究，创新性地提出并验证了一种室温“液-固混合”原位聚合策略：将SAP的前驱体溶液与土壤浆料充分混合，使SAP在土壤内部室温条件下原位形成三维网络结构。这不仅从工艺层面拓展了SAP的引入途径，也提高了实际操作的灵活性。研究人员系统设置了不同的SAP剂量（0%, 6%, 8%, 10%, 12%），通过实验室干燥试验，结合图像识别技术、扫描电子显微镜（SEM）、超景深显微镜（EDOF）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等手段，动态定量地追踪了干燥过程中水分含量衰减、蒸发动力学、裂缝率及裂缝几何参数的变化，并阐明了SAP在裂缝演化中的响应机制及微观结构演变特征。
为开展本研究，作者主要应用了以下几项关键技术方法：首先，采用了创新的“液-固混合”原位室温聚合技术制备SAP-土壤复合材料。其次，利用可控温恒湿环境箱模拟干燥条件，并系统监测土壤样品质量变化和表面形态。第三，运用基于CIAS软件的图像处理与分析流程，对干燥过程中采集的土壤表面裂缝图像进行定量化表征，获取裂缝率、总裂缝长度、平均裂缝宽度和分形维数等参数。第四，综合使用扫描电子显微镜（SEM）、超景深显微镜（EDOF）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对材料进行多尺度表征，确认SAP的原位形成及其与土壤的相互作用。研究所用土壤样本采集自中国陕西省西安市临潼区，属于黄绵土。
3.1. 材料表征
通过宏观照片、SEM、EDOF和FT-IR分析证实，SAP前驱体溶液能在土壤中成功实现原位聚合，形成的聚合物具有典型的三维网络结构，且其化学特征峰与纯SAP一致。重要的是，SAP的引入对土壤原生结构未造成明显干扰，保持了其原始形貌和结构完整性。
3.2. 干燥裂缝形态
3.2.1. 宏观裂缝形态演化
宏观观察显示，随着SAP剂量的增加，土壤开裂模式从空白样品（CK）的“密集网状扩展”逐渐转变为“有限数量的受控主裂缝”为主，直至高剂量下（如SAPT-12）“宏观裂缝不可见”。SAP不仅影响是否开裂，更改变了早期应力释放途径和裂缝形态特征。
3.2.2. 干燥裂缝演化
裂缝发展路径分析表明，SAP的加入使裂缝演化从CK的“主裂缝驱动-次生裂缝增殖-网状扩展”模式，转变为“受控主裂缝-受限次生裂缝-局部闭合”的模式。尤其在SAPT-10和SAPT-12中，裂缝不仅未发展成网络，还出现开口减小甚至闭合的“自愈合”现象。
3.3. 水分蒸发
SAP能显著延缓土壤水分流失，降低平均蒸发速率，延长总干燥时间。例如，SAPT-12组的平均蒸发速率比CK降低了约20.6%，总干燥时间延长了约38.4%。SAP剂量越高，保水效果越强，在中后期干燥阶段维持更高含水率的能力越突出。
3.4. 裂缝参数
3.4.1. 裂缝率
SAP能显著延迟裂缝萌生并抑制裂缝率增长。CK的最终裂缝率超过9%，而SAPT-12的裂缝率在稳定阶段趋近于0%。高剂量SAP能将裂缝率控制在极低水平。
3.4.2. 裂缝长度、平均裂缝宽度和分形维数
定量分析表明，SAP处理显著降低了总裂缝长度（TCL）、平均裂缝宽度（ACW）和裂缝分形维数（FD）。以SAPT-12为例，其峰值TCL、ACW和FD相较于CK分别降低了约92.5%、40.1%和26.3%。这表明SAP系统性地削弱了裂缝的空间扩展规模、张开程度和形态复杂性。
3.5. 关于水主导的裂缝抑制机制及潜在力学贡献的讨论
研究提出了SAP改良土壤在干燥过程中表现出“控释-抑裂-锁水”的耦合机制。SAP的三维网络在初始阶段吸附储存水分，随后在持续干燥下缓慢释放，使含水率下降更平缓，蒸发通量减小，从而缓解了因快速失水引起的收缩梯度和 tensile stress（拉伸应力）集中，延迟了裂缝萌生并抑制其扩展和张开。同时，受控的裂缝形态减弱了水分快速逸出的通道，形成正反馈。此外，SAP可能通过增强土粒间的连接（如吸附包裹和网络桥接作用）来提高土壤的 tensile/shear resistance（抗拉/抗剪强度）和韧性，从而钝化 crack tip（裂纹尖端）应力集中，抑制裂缝的多级分叉和网状发展。
3.6. 土壤干缩开裂及SAP的裂缝抑制/愈合机制
土壤干缩开裂主要由蒸发引起的毛细吸力和不均匀收缩共同驱动。SAP在土壤中形成三维网络后，一方面通过水分调控减缓收缩过程，降低开裂驱动力；另一方面在微观上提供 encapsulation（包裹）和 bridging（桥接），分散应力传递路径。在高剂量条件下，观察到的裂缝闭合现象可能与SAP失水后产生比周围土壤更大的体积收缩，从而对裂缝区域产生闭合方向的牵引力有关，同时SAP相本身的 bridging 作用也约束了裂缝张开。
3.7. 关于原位SAP工程应用前景与局限性的讨论
原位聚合策略的优势在于避免了粉末直接掺混可能带来的扬尘、结块和局部富集问题，为复杂服役条件下实现更均匀、可控的SAP掺入提供了工艺基础。然而，SAP剂量的增加带来的性能改善存在边际效益递减现象，需根据目标功能（保水优先或抑裂优先）选择最小有效剂量范围，以平衡效果与成本。本研究结论基于单一土壤类型和可控蒸发边界条件，推广至野外环境时，土壤组成、温湿风 regime（状况）、盐分/离子环境等因素可能影响SAP的吸水-释水行为和网络稳定性。此外，关于聚合物网络的耐久性、性能退化规律以及“抑制-闭合”开裂行为在干湿循环下的可重复性，仍需进一步验证。
本研究通过实验室干燥开裂试验和材料表征，成功验证了采用液-固混合路线在土壤中实现SAP原位聚合的可行性。研究结果表明，SAP的掺入能显著延缓土壤水分流失，有效抑制裂缝的萌生和扩展，并降低裂缝网络的复杂性。特别是在较高剂量下（≥10%），SAP改良土壤还表现出裂缝自愈合的潜力。该原位聚合策略不仅为SAP在岩土介质中的应用提供了新思路，也为干旱条件下土壤水裂耦合调控奠定了理论和实验基础。未来研究可侧重于与粉末掺混法的定量对比、不同土壤和盐分条件下的适用性、配方优化以及长期耐久性和环境风险评估，以推动该技术走向工程化应用。
