《Soils and Foundations》：Sustainable soil improvement using marine-derived biopolymers: strength and durability perspectives
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本研究针对传统土壤固化剂的环境问题，探索了海洋源生物聚合物作为可持续替代方案。研究人员系统评估了壳聚糖等四种海洋生物聚合物对高岭土-砂混合土的加固效果，通过无侧限抗压强度(UCS)、动静三轴试验及微观结构分析表明，0.5%壳聚糖处理可使K1S3土体强度提升10倍，湿干循环后仍保持67%强度。该研究为海岸国家利用海洋资源开发生态友好型土工材料提供了重要依据。
在基础设施建设中，遇到问题土壤就像面对一个不听话的"顽皮孩子"——它们可能过于松软导致地基沉降，也可能遇水膨胀引发路面开裂。传统的土壤改良方法如水泥固化虽然有效，但就像用"强效化学药剂"治疗，不仅能耗高，还会破坏土壤生态环境。随着可持续发展理念的深入，工程师们开始寻找更温和环保的"土壤调理师"。
令人惊喜的是，海洋这个蓝色宝库可能藏着解决方案。每年全球产生约1亿吨甲壳类废弃物，这些海鲜垃圾中的壳聚糖等生物聚合物，正展现出成为土壤"天然绷带"的巨大潜力。近期发表在《Soils and Foundations》的研究，就像一场精彩的"土壤化妆术"表演，向我们展示了如何用海洋生物聚合物让问题土壤重焕生机。
研究团队采用多学科交叉方法，通过颗粒分析确定土壤性质，采用湿法混合制备生物聚合物-土壤复合材料。通过无侧限抗压强度(UCS)测试系统评估了生物聚合物含量、养护时间、土壤类型和湿干循环对力学性能的影响。采用静态和动态三轴试验测定剪切强度和回弹模量(Mr)。利用扫描电镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)揭示生物聚合物与土壤颗粒的相互作用机制。
3.1. 无侧限抗压强度(UCS)试验
颗粒尺寸效应：研究发现K1S3(75%砂+25%高岭土)混合土在未经处理和处理状态下均表现出最高抗压强度，这归因于其良好的级配分布形成的致密结构。壳聚糖处理使K1S3强度提升最为显著，表明该土质对壳聚糖处理响应最佳。
生物聚合物含量：随着壳聚糖含量增加至1%，K1S3土体强度达到峰值4500 kPa，约为未处理土的10倍。过量生物聚合物(1.5%)会产生润滑效应反而降低强度，揭示了存在最佳添加比例。
养护时间：壳聚糖处理在养护初期即显现效果，14天内可达到最终强度的90%以上，28天养护后强度仅有小幅提升，确定了14天为最优养护周期。
湿干循环耐久性：经过5次湿干循环后，未处理土强度损失达78%，而壳聚糖处理土仅损失33%，质量损失不足0.5%，显著优于未处理土7.63%的质量损失率。
3.2. 三轴试验
静态三轴试验显示，饱和状态下壳聚糖处理土的强度损失(16%)远小于未处理土(40%)，表明壳聚糖处理能有效抵抗水侵蚀。动态循环试验中，壳聚糖处理土在5000次循环后累积应变低于0.1%，而未处理土在80 kPa荷载下不足1000次循环即产生5%应变。回弹模量(Mr)测试进一步证实，即使在饱和状态下，壳聚糖处理仍能显著提升土体刚度。
3.3. 微观结构和相互作用模型
扫描电镜显示壳聚糖形成薄膜覆盖土粒并填充孔隙。与高岭土主要通过氢键和静电相互作用结合，其中壳聚糖的胺基(-NH2)、羟基(-OH)与高岭土表面羟基形成氢键网络，而阳离子型壳聚糖与带负电的高岭土片层产生库仑吸引。与砂土则以机械互锁和疏水相互作用为主，壳聚糖链包裹砂粒形成连贯框架。傅里叶变换红外光谱在处理土中检测到2905-2865 cm-1(C-H伸缩)、1650 cm-1(C=O伸缩)等特征峰，证实壳聚糖成功引入复合材料。
4. 讨论
与其它海洋生物聚合物(海藻酸钠、琼脂胶、卡拉胶)和基准材料黄原胶相比，壳聚糖在多数测试条件下表现最优。在强度提升方面，1%壳聚糖处理使K1S3土体强度增加约10倍，显著优于其它生物聚合物。在不同土质适应性上，壳聚糖表现出更一致的增强效果，特别是在K1S3混合土中表现突出。耐久性测试中，壳聚糖处理土虽强度保持率略低于黄原胶，但综合强度值和质量损失考虑，仍是优选材料。三轴试验参数显示，壳聚糖处理同时提升了粘聚力(C')和内摩擦角(φ')，表明其能同时改善土体的粘结性和摩擦特性。
研究表明，壳聚糖凭借其阳离子特性、强键合能力和交联能力，成为极具前景的土壤生态固化剂。这种来源于海洋废弃物的材料不仅为土壤改良提供了可持续解决方案，特别是为拥有丰富海洋资源的国家提供了就地取材的新途径，还展现出在短期岩土工程(如施工平台)中作为环保临时加固剂的潜力。未来研究可进一步探索生物聚合物在不同环境条件下的长期性能、经济可行性以及与其他固化剂的协同效应，推动这一绿色技术走向实际工程应用。
