了解化学处理沙土的强度发展机制
尽管使用化学处理来加固沙质土壤，但对其如何获得强度的了解仍然缺乏。现在，科学家们研究了如何通过注入化学物质使沙土变得更坚固。上图显示了理论模型揭示的水凝胶分子结构随时间的动态变化。
化学注入是一种增强沙子强度和水封能力的过程，使沙土适合建筑中的各种应用。然而，对于这一过程如何提高强度的统一理解仍然难以实现。过去的一些研究表明，化学注入会分离土壤颗粒，从而导致体积膨胀。这会产生真空袋，从而产生“负压”，将土壤颗粒拉在一起并使其坚固。抗拉强度的增加(决定土壤可以承受的载荷)也被认为会影响这种行为。其他研究提出，水凝胶(保水聚合物结构)的收缩导致土壤颗粒压缩和限制，从而赋予土壤强度。然而，对于沙土强度发展背后的潜在机制仍然缺乏清晰的认识。
现在，由芝浦工业大学土木工程系 Shinya Inazumi 教授领导的日本科学家小组对注入化学物质的沙土的行为进行了彻底的研究。在谈到这项研究背后的动机时，Inazumi 教授表示：“我们对可持续发展的热情以及为更安全、更高效的建筑实践做出贡献的愿望所驱动，特别是在气候变化和日益城市化的背景下。此外，研究人员还受到推进岩土工程的目标的激励，希望通过开发减轻自然灾害风险的技术，对公共安全产生影响。他们的研究成果于 2023 年 10 月 27 日发表在《Gels》杂志上。
在这项研究中，研究人员首先用酸性溶液对砂凝胶和水凝胶混合物进行化学注射，并进行了各种测试。这包括固结排水三轴压缩试验，该试验隔离并测量化学增强土壤中的“内聚强度”和“内摩擦角”。选择这种测试方法是因为它能够准确了解静态条件下的土壤行为，这对于建筑土壤的安全性和可靠性至关重要。
用于机械和结构分析的其他技术包括无侧限压缩测试、小角度 X 射线散射、体积收缩研究和理论建模。值得注意的是，这项研究标志着首次对剪胀性和水凝胶收缩对土壤强度发展的影响进行独立检验。这种区别对该领域具有重要意义，有可能指导更有针对性和更有效的土壤处理方法。
实验表明，经过化学处理的沙土强度的提高可归因于土颗粒的内聚力和内摩擦角的增加。此外，这种改进没有表现出长期的强度损失，有趣的是，未经处理的沙土的最初弱点可以追溯到水凝胶本身。
这种在分子水平上对水凝胶的理解在土木工程和环境管理方面具有巨大的潜力。例如，这一突破可用于多发地区，以提高建筑安全性、增强抗震能力并降低土壤液化风险。此外，洪水易发地区也将从这一新认识中受益，因为这些经过处理的土壤的水封特性可以减轻洪水并保护人类住区和农业。从长远来看，这项技术还可以保护沿海社区免受海平面上升、风暴潮和盐水入侵的影响。
通过稳定土壤并提高其保水能力，目前的工作在其他各个领域也产生了许多优势。这包括对全球粮食安全至关重要的土地复垦，以及对遏制垃圾填埋场渗入水体至关重要的污染缓解。此外，它还可以增强民用基础设施的结构耐久性，并通过防止山体滑坡确保采矿安全。正如 Inazumi 教授所解释的那样，“我们的研究有望填补土壤处理方面的关键知识空白，这可以转化为更高效、更持久的建筑实践，并最终使广泛的行业受益。” ”
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