Магнезиальное вяжущее улучшило динамические характеристики укреплённого грунта при испытаниях в резонансной колонке

Китайские исследователи изучили возможность улучшения динамических характеристик грунтов с помощью цемента на основе оксисульфата магния. Лабораторные испытания в резонансной колонке показали, что модуль сдвига укреплённого грунта при малых деформациях увеличивается с ростом бокового давления и продолжительности твердения, тогда как коэффициент демпфирования демонстрирует противоположную зависимость. Максимальный динамический модуль сдвига получен при молярном соотношении оксида магния и сульфата магния 8:1.

Результаты работы опубликованы 13 октября 2026 года в журнале Journal of Materials in Civil Engineering Американского общества инженеров-строителей (ASCE). Исследование выполнили На Ли, Ифан Сун, Пин Цзян, Эрлу У, Вэй Тан, Вэй Ван и Хунсян У.

Работа посвящена применению магнезиальных вяжущих для улучшения свойств грунтов, в том числе материалов, которые могут повторно использоваться при строительстве после соответствующей обработки.

Традиционная стабилизация слабых и техногенно нарушенных грунтов часто предполагает использование цементных и известковых вяжущих. В результате химических реакций в грунтовом массиве формируются новые структурные связи, которые способны увеличивать прочность и жёсткость материала.

Однако оценка пригодности укреплённого грунта для строительства не должна ограничиваться характеристиками, полученными при статическом нагружении.

Основания зданий и сооружений могут воспринимать многократно повторяющиеся динамические воздействия от транспорта, промышленного оборудования и других источников вибрации. В сейсмических районах дополнительное значение приобретает поведение грунта при колебательных воздействиях.

В этих условиях важную роль играют динамический модуль сдвига и коэффициент демпфирования.

Модуль сдвига характеризует сопротивление материала сдвиговым деформациям. При очень малых деформациях он отражает начальную жёсткость грунта и существенно влияет на распространение упругих волн и собственные динамические характеристики системы «основание — сооружение».

Коэффициент демпфирования характеризует способность материала рассеивать энергию при циклическом нагружении. Эти параметры используются при расчётах колебаний оснований и при анализе динамического взаимодействия грунтов с конструкциями.

Для изучения указанных характеристик исследователи применили цемент на основе оксисульфата магния.

Такое вяжущее образуется при взаимодействии компонентов магнезиальной системы, в результате которого формируются продукты гидратации, связывающие частицы грунта и изменяющие его поровую структуру.

Целью исследования стало установление связи между составом вяжущего, условиями твердения, динамическими характеристиками укреплённого грунта и особенностями его микроструктуры.

Для динамических испытаний использовали резонансную колонку — лабораторную установку, позволяющую исследовать поведение грунтов при малых циклических деформациях.

В ходе экспериментов оценивали зависимость модуля сдвига и демпфирования от уровня деформаций, давления обжатия, продолжительности твердения и состава магнезиального вяжущего.

Результаты показали, что увеличение давления обжатия приводит к повышению динамического модуля сдвига обработанного грунта.

Это согласуется с общими представлениями о работе дисперсных материалов: при росте эффективных напряжений усиливается взаимодействие между частицами, что при определённых условиях повышает жёсткость грунтового скелета.

Аналогичная тенденция наблюдалась при увеличении продолжительности твердения.

По мере развития реакций гидратации в грунтовом материале формировались дополнительные структурные связи, повышавшие сопротивление малым сдвиговым деформациям.

При этом коэффициент демпфирования с ростом давления обжатия и возраста образцов уменьшался.

Таким образом, увеличение жёсткости материала сопровождалось изменением его способности рассеивать энергию при циклических воздействиях.

Этот результат важен для проектирования, поскольку повышение прочности или жёсткости грунта не означает автоматического улучшения всех динамических характеристик. В зависимости от задачи уменьшение демпфирования может потребовать отдельного учёта при расчёте вибраций и динамической реакции основания.

Одним из основных результатов исследования стало определение рационального состава магнезиального вяжущего.

Максимальный динамический модуль сдвига среди рассмотренных вариантов был получен при молярном соотношении MgO к MgSO₄, равном 8:1.

Это означает, что механический эффект зависит от соотношения компонентов, а простое увеличение количества одного из них не гарантирует дальнейшего повышения жёсткости грунта.

Для обработки результатов динамических испытаний авторы использовали модель Хардина — Дрневича, применяемую для описания изменения модуля сдвига и демпфирования при увеличении амплитуды деформаций.

Полученные экспериментальные зависимости были нормализованы по величине сдвиговой деформации.

Проведённый регрессионный анализ подтвердил применимость выбранной модели для описания результатов в исследованных условиях.

Однако возможность использования полученных зависимостей для конкретных инженерно-геологических условий должна проверяться с учётом состава грунта, параметров нагружения и диапазона деформаций.

Особенностью работы стало сопоставление механических испытаний с результатами исследования микроструктуры укреплённого материала.

Для этого применялись сканирующая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ и ртутная порометрия.

Сканирующая электронная микроскопия позволила изучить характер контактов между частицами грунта и распределение продуктов гидратации.

Рентгенофазовый анализ использовали для определения минералогических особенностей сформировавшихся соединений.

Ртутная порометрия обеспечила сведения о распределении пор по размерам и изменении поровой структуры укреплённого материала.

Микроструктурные исследования показали, что применение магнезиального вяжущего способствует формированию продуктов гидратации, уменьшению пористости и повышению структурной целостности обработанного грунта.

Эти изменения согласуются с результатами динамических испытаний, в которых при определённых составах и условиях твердения наблюдалось увеличение модуля сдвига.

Таким образом, исследователи получили экспериментальное подтверждение связи между химико-минералогическими процессами твердения и динамической реакцией грунтового материала.

Для инженерной практики подобные исследования имеют значение при подборе составов укрепления грунтов, используемых в основаниях сооружений, транспортной инфраструктуре и других объектах, где существенную роль играют повторяющиеся и вибрационные воздействия.

При этом пока преждевременно утверждать, что магнезиальное вяжущее обеспечивает лучшую сейсмостойкость любого основания или может непосредственно заменить традиционные цементные составы.

Опубликованная работа посвящена определённой лабораторной программе, а не полномасштабному эксперименту на строительном объекте.

Для расширения области применения технологии необходимо исследовать её эффективность в грунтах различного состава, оценивать долговечность образующихся структурных связей, водостойкость и поведение при длительных циклических нагрузках.

Кроме того, при практическом подборе состава следует учитывать не только максимальный модуль сдвига, но и другие параметры, определяющие пригодность материала для конкретного сооружения.

Основная инженерная ценность исследования заключается в том, что авторы определили закономерности изменения динамических характеристик грунта при стабилизации магнезиальным вяжущим и связали их с формированием структуры материала.

Полученные данные позволяют рассматривать цемент на основе оксисульфата магния как перспективный вариант улучшения грунтов, требующий дальнейшей проверки в условиях, приближенных к реальному строительству.