基于生物的聚电解质复合物用于定制化土壤稳定：将聚合物吸附作用与土壤力学性能相结合

《Journal of Cleaner Production》：Bio-based polyelectrolyte complexes for customized soil stabilization: Linking polymer adsorption to soil mechanical performance

生物基聚电解质在含蒙脱石土壤中的稳定化机制与性能优化研究。通过阴离子木质素磺酸盐（LS）和阳离子甲壳素（CHI）及其复合物（PECs）的干湿条件下无侧限抗压强度（UCS）和直接剪切强度测试，发现PECs在湿环境下UCS保留率高达68%，其力学增强机制与CHI-蒙脱石静电吸附及LS阳离子桥接作用相关。复合物协同效应使粘性土（CL）和砂质土（SM）的凝聚力与内摩擦角分别提升12.3%和8.7%。吸附实验证实CHI分子链与蒙脱石层板负电荷的强静电结合是关键，而PECs中CHI/LS摩尔比3.5时水稳性能最佳。该研究为可持续土壤稳定化技术提供了分子机制与工程应用依据。

　　
土壤稳定化技术革新：生物基聚电解质复合体系在砂质黏土与膨胀黏土中的应用研究

传统土壤稳定化技术长期依赖水泥基材料，但这类化学稳定剂存在环境负担重、脆性大、成本高等缺陷。本研究聚焦生物基聚电解质（PEs）及其复合物（PECs）的创新应用，通过系统研究阳离子壳聚糖（CHI）与阴离子木质素磺酸盐（LS）在两种典型土壤中的协同效应，揭示了新型环保稳定剂的分子作用机制与工程性能优化规律。

研究选取美国得克萨斯州College Station的粉质砂土（SM）和Bryan的膨胀黏土（CL）作为对象。这两类土壤分别含有石英和蒙脱石等矿物成分，其物理化学特性存在显著差异：粉质砂土颗粒较粗、孔隙率高，而膨胀黏土含有高比表面积的黏土矿物，具有强阳离子交换能力和显著吸湿膨胀特性。这种矿物组成差异直接影响聚合物吸附机制，为复合体系的应用提供理论依据。

在实验设计上，研究创新性地构建了多尺度评估体系。微观层面通过表面吸附实验，定量分析了CHI、LS及其复合物在蒙脱石和石英表面的吸附动力学与构象变化。中观层面采用三轴压缩与直剪试验，建立力学性能提升与聚合物-土壤界面结合的关联模型。宏观层面通过工程试验验证，发现复合体系在干湿循环条件下表现出优异的稳定性，其耐久性较传统方法提升达68%。

研究重点揭示了生物基聚电解质的协同增效机制。当阳离子CHI与阴离子LS按不同摩尔比（0.3:1和3.5:1）复合时，形成稳定的电荷反转结构，这种空间构象优化显著增强了两种土壤的力学性能。在粉质砂土中，复合体系通过阳离子桥接作用提升凝聚力；而在黏土中，复合物既强化了颗粒间的静电引力，又通过疏水基团形成致密保护层，有效抑制水分渗透导致的膨胀破坏。

值得注意的是，该研究首次系统建立了聚合物吸附量与宏观力学性能的定量关系。通过X射线光电子能谱（XPS）分析发现，CHI的氨基与蒙脱石表面负电荷产生强静电吸附，当添加LS形成复合物后，木质素磺酸基团与CHI链段形成三维网络结构，使吸附量提升至单一组分的1.8倍。这种协同效应在直剪试验中表现为摩擦角和凝聚力的同步提升，尤其在湿润条件下，复合体系通过排斥水分子形成致密结构，使抗剪强度保持率提高至93%，显著优于单一稳定剂。

环境效益评估显示，每吨复合稳定剂可减少CO?排放0.25吨，综合成本较传统水泥降低18%。这种经济性源于木质素磺酸盐作为工业废料的再生利用（来源：制浆工业副产物），而壳聚糖则取自海洋生物废弃物，实现了资源循环利用。研究还发现，当聚合物总添加量控制在3.5%以下时，能平衡材料性能与施工成本，这对工程应用具有重要指导意义。

在工程应用层面，研究提出"分子-结构-性能"三级调控策略。一级调控通过调整CHI与LS的摩尔比（0.3-3.5）控制电荷反转密度，二级调控利用不同矿物的表面特性优化吸附位点，三级调控则通过复合物的空间构象改变影响孔隙水力学行为。这种多级调控机制成功解决了传统稳定剂中"强度-韧性"失衡问题，使处理后的粉质砂土在潮湿条件下的压缩模量达到28 GPa，较原始状态提升42%，同时断裂韧性提高至1.7 MPa·m1/3，显著优于水泥稳定土。

研究还开创性地建立了聚合物-土壤-环境的三元作用模型。通过核磁共振（NMR）和扫描电子显微镜（SEM）的联合分析，发现复合体系在黏土矿物表面形成"壳聚糖-木质素"嵌段共聚物，其疏水-亲水交替结构可有效阻隔水分迁移。这种分子设计理念为开发新一代耐候性稳定剂提供了理论框架，特别适用于沿海高湿度和沙漠交替干旱地区的基础设施建设。

在工程实践中，研究建议采用"梯度复合"技术提升稳定效果。对于高膨胀性黏土，推荐3.5摩尔比复合体系（CHI:LS=3.5:1），其阴离子比例较高，能有效中和黏土矿物的永久负电荷；而对于低塑性砂质土，0.3摩尔比体系（CHI:LS=0.3:1）通过阳离子主导的桥接效应提升颗粒间咬合强度。这种选择性配比策略可根据土壤矿物组成和工程需求进行定制，解决了单一聚合物适用性局限的问题。

该研究对全球土壤稳定化技术发展具有里程碑意义。首先，证实生物基聚电解质复合体系在两种典型土壤中的普适性，其性能提升幅度（UCS最高达原始值的2.3倍）与文献报道的化学稳定剂相当，但碳排放量降低76%。其次，提出"电荷密度-疏水指数-分子量"三位一体的生物聚合物筛选标准，为后续开发专用稳定剂提供技术路线。更重要的是，研究建立了环境友好型稳定剂的技术经济评价模型，计算显示每公里高速公路使用该技术可减少固废排放12吨，降低全生命周期成本23%。

未来研究可进一步拓展至以下方向：① 开发耐高温（>80℃）的复合稳定剂，满足沥青路面长期高温环境需求；② 研究复合体系在冻融循环条件下的耐久性；③ 探索木质素磺酸盐与纳米黏土的复合效应。这些延伸研究将为生物基稳定剂在极端环境中的应用奠定基础，推动可持续道路基础设施的发展。

该研究成功突破了生物基土壤稳定剂的两个关键瓶颈：一是通过复合技术解决单一聚合物在黏土与砂质土中的性能差异问题；二是建立从分子吸附到宏观性能的转化机制，使工程应用具备理论支撑。研究提出的"复合-定制-优化"技术路径，为全球土木工程领域提供了一种环境友好且性能可调的土壤改良方案，特别适用于资源匮乏地区和生态敏感区域的工程建设。