玉米醇溶蛋白生物聚合物处理砂土在干湿循环下的强度与劣化特性

《Polymers》：Strength and Degradation Characteristics of Zein Biopolymer-Treated Sands Under Wetting–Drying Cycles Quadri Olakunle Babatunde, Woonjae Yeo and Yong-Hoon Byun

　　

反复干湿循环会加速冲刷作用并通过增加孔隙水压力破坏土体结构。本研究探讨了经玉米醇溶蛋白（zein）生物聚合物处理的砂土在干湿循环作用下的耐久性，并将其未经历循环的状态与黄原胶（xanthan gum, XG）处理组进行了对比。处理试样按砂土质量的1%和3%掺入生物聚合物制备，先在大气条件下养护7天，随后进行一系列干湿循环。研究人员在循环过程中测量试样尺寸与质量，以评估体积密度相关变化。在不同循环次数后，通过无侧限压缩试验评价试样的强度与劣化特征。结果表明，干燥阶段后的体积单位重量几乎保持不变，而湿润阶段后的体积单位重量随循环次数和生物聚合物含量增加而增大；总体上，生物聚合物含量较高的试样表现出较低的体积单位重量。黄原胶处理试样因基于水的凝胶化作用导致较快的强度发展，在早期即表现出强度提升，但在首次湿润阶段后即发生快速破坏；经历循环的玉米醇溶蛋白处理试样抗压强度低于未循环试样，且3%含量的试样在10次循环后的耐久性指数高于1%含量试样。因此，提高玉米醇溶蛋白含量可增强砂土在频繁干湿循环环境下的耐久性。

该研究发表于《Polymers》，针对传统土体加固方法成本高、碳排放大及合成聚合物潜在环境毒性等问题，探索以天然来源、无毒且可形成强凝胶网络的生物聚合物作为可持续替代材料。研究背景在于多糖基生物聚合物（如黄原胶）虽能在短期内显著提升土体强度与抗侵蚀性，但因亲水性在干湿循环下易降解；而蛋白基生物聚合物（如玉米醇溶蛋白）因其疏水性分子结构在耐湿性方面具有潜力，但其在反复干湿循环下的耐久性尚待验证。为此，研究人员以无黏性硅砂为对象，分别采用黄原胶与玉米醇溶蛋白两种生物聚合物进行加固，并在养护后施加干湿循环，分析其体积密度变化、应力—应变行为及抗压强度演化，结合延性指数（ductility index, DCI）与耐久性指数（durability index, DRI）量化性能退化规律。

关键技术方法方面，研究采用粒径分布符合ASTM D6913标准的级配不良（SP）硅砂，生物聚合物掺量分别为砂质量的1%与3%，试样按ASTM D698标准压实成型，并在大气条件下养护。干湿循环依据ASTM D559标准实施，每循环包括24小时浸水饱和与24小时40°C控温干燥，循环次数为3、7、10次。体积密度通过数字卡尺与精密天平测量，抗压强度通过无侧限压缩试验（ASTM D2166）获得，加载速率1 mm/min，每组三次重复取平均值。延性指数定义为峰值后95%应力对应应变ε₉₅与50%峰值应力对应应变ε₅₀之比，耐久性指数为循环试样与未循环试样抗压强度百分比。

研究结果分为四部分：

密度变化显示，干燥阶段体积单位重量基本稳定，湿润阶段则随循环次数与生物聚合物含量增加而上升，这归因于未结合细颗粒脱离改变孔隙结构并促进水分渗透，但玉米醇溶蛋白凝胶形成的颗粒间强结合抑制了过度孔隙扩张与颗粒流失。

应力—应变行为表明，轴向应力随应变增至峰值后下降；生物聚合物含量越高，峰值应力越大且对应应变越小。经历10次干湿循环后，峰值应力与应变均略有降低，反映循环湿度变化削弱了颗粒间结合。值得注意的是，经历循环的玉米醇溶蛋白处理砂土峰值应力仍高于未循环的黄原胶处理砂土。

强度发展方面，未循环试样强度随养护时间与生物聚合物含量增加而提高；黄原胶在早期7天内快速增強，之后增幅趋缓，而玉米醇溶蛋白则在28天后才显现显著强度提升，这与乙醇溶剂挥发慢、蛋白质分子重排延迟有关。干湿循环下，玉米醇溶蛋白试样强度随循环次数增加有所上升，原因是干燥阶段促进蛋白质聚集与分子间结合，但水分渗透仍延缓凝胶化。

劣化特征分析显示，所有玉米醇溶蛋白试样呈中等延性行为，延性指数总体随循环次数增加而变化；1%含量试样延性指数逐渐升高，而3%含量试样在多次循环后延性下降，表现为脆性增加。耐久性指数在1%含量下波动较大，因低含量时凝胶覆盖不均匀导致弱结合，而在3%含量下则先升后稳，体现致密连续凝胶网络对颗粒的稳定作用。

讨论与结论部分指出，黄原胶因强亲水性在首次湿润阶段即破坏，而玉米醇溶蛋白凭借疏水特性与渐进凝胶化在干湿交替环境下保持较高强度与稳定性。提高玉米醇溶蛋白掺量可显著改善砂土在湿润—干燥波动环境中的力学性能和耐久性，为水利及土木工程中的生态友好型土体加固提供了实验依据与应用前景。