多类生物聚合物稳定残余砂质土壤力学性能的对比研究

《Scientific Reports》：Mechanical and microstructural performance of residual sandy soil treated with different polymers

　　

摘要

对环境脆弱、对湿度敏感的土壤进行可持续管理是一项关键挑战，因为它们容易因水分而退化。生物聚合物（BP）稳定化处理提供了一种环境可持续的方法，可将残余砂质土壤转变为具有降低环境影响的绿色岩土材料。因此，这些残余砂质土壤的工程特性在空间上存在差异，且湿度条件对其抗剪强度有强烈影响。本研究调查了四类土壤添加剂对提高残余砂质土壤力学性能的有效性，即：（i）生物可降解聚酯类生物聚合物（BPBs），（ii）天然多糖类生物聚合物，（iii）合成聚合物，以及（iv）氨基多糖类生物聚合物。具体而言，评估了聚丁二酸丁二醇酯（PBS）和聚羟基脂肪酸酯（PHA）等BPBs，并与以下物质进行了比较：天然多糖类生物聚合物，包括黄原胶（XG）、瓜尔胶（GG）、结冷胶（GLG）和海藻酸钠（SA）；合成聚合物聚丙烯酰胺（PAM）；以及阳离子氨基多糖类生物聚合物壳聚糖（CS）。为此，以不同比例将BPBs掺入残余砂质土壤中，以优化稳定化性能，并在16°C等温养护28天的条件下，使用无侧限抗压强度试验以及先进的材料表征技术（包括扫描电子显微镜（SEM）、Brunauer–Emmett–Teller（BET）比表面积分析、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析（TGA））来评估其与常规基于BP的稳定剂的对比效果。研究发现，28天无侧限抗压强度（UCS_28?d）的单项最大提升出现在一种天然多糖类物质中（2.0% GG，约为未处理强度的8.8倍），尽管多糖类组内性能差异达一个数量级（334–1936 kPa），且与氨基类及合成聚合物的表现有所重叠。尽管BPBs的UCS_28?d相对较低，但其用量效率较高；TGA确认在所有处理样品中，0.4% PBS试样的热稳定性最高，同时固结不排水三轴试验证实PBS在提高残余砂质土壤抗剪强度方面非常有效，因此使其适用于特定性能需求的应用场景。