表面能与流变学在生物聚合物改良土壤中的作用机制

《Polymer Testing》：Interplay of Surface Energy and Rheology in Biopolymer Soil Enhancement

生物聚合物XG和LBG对沙土抗压强度的影响及机制研究。通过表面自由能计算和力学测试发现，XG因高极性分子结构形成更均匀的聚合物-沙颗粒粘结网络，显著提升抗压强度（0.2% XG达557kPa），而LBG因低表面能形成非均匀核心-壳结构，导致强度不足（0.75% LBG仅175kPa）。XG/LBG混合体系通过氢键交联增强粘弹性模量（1X3L G'达37.1Pa），但压缩强度与单一XG相当，揭示界面粘结主导机制。

　　### 生物聚合物对沙土强度的影响研究

在当今对可持续材料和环保技术日益重视的背景下，生物聚合物作为一种天然、可降解且对环境友好的土壤改良剂，正在引起越来越多的关注。生物聚合物，如黄原胶（XG）和槐豆胶（LBG），因其独特的物理化学性质，被广泛研究用于改善土壤的机械性能。这些材料不仅能增强土壤的压缩强度，还能在极端气候条件下维持其结构完整性，如干旱、暴雨或冻融循环。然而，尽管这些生物聚合物在提升土壤强度方面展现出巨大潜力，其具体的作用机制仍存在许多未解之谜。

#### 生物聚合物的作用机制

生物聚合物通过在土壤颗粒之间形成复杂的网络结构，提高土壤的内聚力和粘附力，从而增强其机械性能。这种网络结构在干燥过程中尤为明显，因为随着水分的蒸发，生物聚合物会在颗粒之间形成稳定的固体桥接结构，显著提升颗粒间的相互作用。然而，这种机制并不适用于所有类型的生物聚合物，特别是在某些情况下，如LBG与沙土混合时，其增强效果相对较弱。这主要是由于LBG在沙土中的分布不均匀，导致其在干燥过程中无法有效形成稳定的桥接结构。

#### 生物聚合物与沙土的界面特性

为了更深入地理解生物聚合物对沙土强度的影响，研究团队通过多种实验方法，包括接触角测量、表面自由能分析以及热重分析（TGA），评估了XG和LBG与沙土之间的相互作用。结果显示，XG的表面自由能比LBG高，这意味着XG与沙土之间的粘附力更强，从而在干燥后形成更均匀的网络结构。相比之下，LBG由于较低的表面自由能，更倾向于在沙土表面形成一层壳状结构，而内部则保持较为松散的状态。这种不均匀的分布限制了LBG在提升沙土强度方面的效果。

#### 混合生物聚合物的效果

研究还探讨了XG和LBG混合使用的效果。通过调整XG和LBG的比例（如3:1、1:1和1:3），研究团队发现混合物在提升沙土强度方面表现出显著的优势。特别是在1:3的混合比例下，XG的加入不仅增强了LBG的粘附性能，还抑制了LBG在干燥过程中的向外迁移，从而形成更加均匀的生物聚合物-沙土复合结构。这种结构的形成与生物聚合物的粘弹性特性以及表面自由能的差异密切相关。混合物的粘弹性模量显著高于单一生物聚合物，表明其在增强沙土结构方面具有更高的效率。

#### 实验方法与结果分析

为了评估生物聚合物对沙土机械性能的影响，研究团队采用了一系列实验方法，包括无侧限压缩试验（UCS）、无固结不排水三轴试验（UU triaxial test）以及同步辐射X射线计算机断层扫描（micro-CT）。无侧限压缩试验结果显示，随着XG浓度的增加，沙土的压缩强度显著提升，而LBG在低浓度下则无法有效增强沙土的结构。此外，三轴试验进一步揭示了XG和LBG在提升沙土的内聚力和摩擦角方面的不同表现，XG在提升内聚力方面更具优势，而LBG则在提升摩擦角方面更为显著。

同步辐射X射线计算机断层扫描技术则用于观察生物聚合物在沙土中的分布情况。结果显示，XG在沙土中形成了较为均匀的网络结构，而LBG则倾向于在表面形成壳状结构。这种差异不仅影响了沙土的机械性能，还可能对实际应用中的稳定性产生重要影响。通过热重分析，研究团队进一步确认了这种分布差异的存在，发现LBG在壳层中的浓度远高于核心区域，而XG则在沙土中分布更为均匀。

#### 结论与展望

综上所述，XG和LBG在改善沙土机械性能方面表现出不同的特性。XG由于其较高的表面自由能和粘附力，在提升沙土强度方面更为有效，而LBG则因较低的表面自由能，形成了不均匀的壳状结构，限制了其增强效果。混合使用XG和LBG可以显著提升沙土的机械性能，尤其是在XG比例较高的情况下，混合物表现出更强的粘弹性特性，形成更均匀的生物聚合物-沙土复合结构。

这些发现为生物聚合物在土壤改良领域的应用提供了重要的理论依据和实验支持。未来的研究可以进一步探索不同生物聚合物组合对土壤性能的影响，以及如何通过调整配方和工艺参数来优化其性能。此外，还可以研究生物聚合物在不同环境条件下的稳定性，以确保其在实际应用中的有效性。通过这些研究，可以更好地利用生物聚合物作为环保的土壤改良剂，为可持续发展提供新的解决方案。