《Developments in the Built Environment》：Durability and Reuse Potential of Biopolymer-Stabilized Sands under Wetting–Drying Cycles
编辑推荐：
面对水泥基材料的高碳足迹与有限可回收性带来的环境挑战，生物聚合物改性土体作为一种有前景的低碳替代材料备受关注。本研究针对黄原胶（XG）改性砂在循环干湿（W-D）作用下的长期耐久性与机械再回收利用潜力，通过无侧限抗压（UC）、固结试验和显微计算机断层扫描（μCT）等技术，系统评估了两种级配（不均匀砂ST1与均匀砂ST2）在三种XG掺量（0.5%、1%、2%）下的性能演变。结果表明，不均匀砂在1% XG掺量下表现出最佳的耐久性与初始强度保留率，而均匀砂在回收后显示出更好的刚度保留，揭示了级配-掺量权衡关系，为设计气候适应型、可循环的低碳建造材料提供了关键依据。
建筑行业是碳排放的“大户”，其中传统水泥基材料的生产贡献了近8%的全球CO2排放。在追求可持续发展的今天，寻找低环境影响的替代材料迫在眉睫。生物聚合物改性土壤，特别是利用黄原胶（Xanthan Gum, XG）等天然多糖增强土体性能，展现出了巨大的潜力。这类材料不仅能提升土壤的强度和稳定性，用于地基处理、边坡防护等工程，其生物可降解性和较低的生产能耗也使其更具环保吸引力。然而，一个核心的“阿喀琉斯之踵”阻碍了其广泛应用：这些材料在真实自然环境，特别是反复的干湿（Wetting-Drying, W-D）循环作用下，能否保持长期稳定？用过的材料又能否被回收再利用，实现真正的循环经济？现有研究大多只关注材料的初始强度，对长期耐久性、回收潜力以及微观结构如何响应环境变化缺乏系统认知。
为了解答这些关键问题，由Alek Zhang、Pania Newell和Marta Mileti?组成的研究团队在《Developments in the Built Environment》期刊上发表了一项综合性研究。他们聚焦于XG改性砂，开展了一项多尺度实验，旨在揭示土壤颗粒级配和生物聚合物掺量如何共同影响材料在干湿循环下的耐久性、压缩性和回收再利用潜力。
研究者们采用了多种关键技术方法来系统评估材料性能。他们选用两种具有不同颗粒级配的砂（不均匀砂ST1和均匀砂ST2）作为基材，并分别掺入0.5%、1%和2%的XG制备试样。核心实验方法包括：1. 无侧限抗压（Unconfined Compression, UC）试验，用于测定初始强度、刚度以及经过2次干湿循环后的强度保留率，并通过耐久性指数（Durability Index, DI）和强度折减比（Strength Reduction Ratio, SRR）量化耐久性。2. 机械回收与再利用评估，将失效试样破碎、筛分后，在不添加新XG的情况下重新压实固化，再次进行UC测试以评估回收后的残余性能。3. 固结（Oedometer）试验，针对ST1砂，研究在不同热固化条件（室温与120°C烘干）和干湿循环前后的一维压缩特性。4. 显微计算机断层扫描（Micro-Computed Tomography, μCT），对ST1砂的0.5%和2% XG改性试样在干湿循环前后进行高分辨率扫描，定量分析固体基质和孔隙网络的三维微观结构演变，从而将宏观性能变化与微观机制相关联。
3.1. 干湿循环下的抗压耐久性
通过无侧限抗压试验评估发现，所有混合物在干湿循环后强度均出现下降。其中，采用1% XG改性的不均匀砂（ST1）表现出最高的强度保留率，在两个循环后仍能保持约40%的初始强度。这表明适中的生物聚合物掺量在不均匀砂中能形成最耐久的粘结网络。相反，均匀砂（ST2）在2%高掺量下，虽然初始强度高，但经过第二个循环后强度损失极为显著（耐久性指数降至13%），说明过高的聚合物含量在循环湿胀干缩下反而加剧了结构劣化。
3.2. 回收与残余力学性能
材料经过破碎和再压实回收后，其性能发生了显著变化。ST1砂的回收试样强度收敛于一个相近的低值，无论初始XG掺量是多少，这意味着机械再处理过程破坏了初始掺量带来的优势。然而，对于ST2砂，1% XG掺量的试样在回收后保持了相对较高的刚度（保留了约80%的初始强度），表明均匀的颗粒分布在适中掺量下，有助于在回收后保留更多的聚合物粘结。
3.3. 干湿荷载与热固化作用下的压缩性行为
固结试验表明，XG的加入显著降低了砂土的压缩性。120°C高温固化能进一步提升初始刚度，但经过一次干湿循环后，高温固化试样的刚度损失比室温固化试样更大。综合来看，1% XG掺量在提供良好初始刚度和经历环境循环后的稳定性之间取得了最佳平衡。
3.4. 干湿循环后的微观结构演变
μCT微观分析为宏观性能变化提供了机理解释。对于2%高掺量XG的ST1试样，干湿循环后固体总体积减少了23.3%，固体表面积减少了21%，同时总孔隙率和平均孔径增大。这证实了高聚合物含量基质在湿胀干缩过程中发生了严重的固体基质塌缩和孔隙粗化。相比之下，0.5%低掺量试样的微观结构变化则轻微得多。这种微观结构的显著差异直接导致了高掺量试样更剧烈的宏观强度与耐久性损失。
研究结论与意义
本研究系统揭示了XG改性砂在干湿循环作用下的性能演变规律，得出了几个关键结论，对可持续岩土工程材料的设计具有重要指导意义。
首先，研究明确了级配-掺量权衡关系：不均匀砂（如ST1）在适中掺量（1% XG）下能获得更高的初始强度和最佳的循环耐久性；而均匀砂（如ST2）在适中掺量下则表现出更好的回收再利用潜力（更高的残余刚度）。因此，在实际工程中，需要根据预期服役环境（是否面临严酷干湿循环）和生命周期要求（是否考虑回收）来协同优化土壤级配与生物聚合物掺量。
其次，微观机制得以阐明：干湿循环导致的耐久性损失主要源于生物聚合物凝胶的湿胀干缩过程对颗粒间粘结的破坏。高掺量下，更剧烈的胀缩会导致显著的固体相损失和孔隙网络粗化，从而加速宏观力学性能的退化。这通过μCT技术得到了直观验证。
最后，研究为低炭、可循环建造材料的研发提供了明确的设计阈值：大约1%的XG掺量是一个实用的设计参考值，它能够在强度、耐久性和再利用潜力之间取得有效平衡。此外，虽然高温固化可提升初始刚度，但适中的固化条件（如室温）更有利于材料在环境循环后的长期稳定性。
这项工作的意义在于，它不仅回答了关于生物聚合物改性土长期可靠性的关键问题，还通过多尺度研究方法将宏观工程性能与微观结构演变直接联系起来，为开发气候适应性强、环境友好且符合循环经济理念的下一代土木工程材料提供了坚实的科学基础和技术路径。
