黃土廣泛分布在中國(guó)西部北部的季節(jié)性冰凍和永久凍土地區(qū)。為了促進(jìn)我國(guó)內(nèi)陸與東部沿海的交流，越來(lái)越多的交通基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)，如青藏鐵路、烏魯木齊-拉薩高速鐵路等。在這些地區(qū)，由于缺乏粗粒度的材料，當(dāng)?shù)攸S土通常被用于地下填充材料。然而，自然黃土的動(dòng)態(tài)性能通常不足以滿足這些重要項(xiàng)目的要求。此外，不可避免地，由于溫差變化幅度大導(dǎo)致的季節(jié)性/日凍結(jié)-解凍，這種不斷的凍融循環(huán)導(dǎo)致土壤體積擴(kuò)大，顆粒間的束縛破壞和結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)一步威脅基礎(chǔ)設(shè)施的耐久性和可使用性。

摘要

傳統(tǒng)的穩(wěn)定劑材料（石灰、水泥等）已經(jīng)變得越來(lái)越昂貴，同時(shí)占全球碳排放的比例也越來(lái)越高。因此采用友好型添加劑取代它們具有重要意義。在低碳穩(wěn)定材料中，納米氧化鎂（NM）由于其高膠合度和良好的穩(wěn)定性等特點(diǎn)，是一種新興的低碳和高性能穩(wěn)定材料。在過(guò)去的幾十年里，人們投入了大量的資源來(lái)研究NM在彌補(bǔ)土壤靜態(tài)特性方面的機(jī)制。研究表明，NM可以改善粒子間的粘合性，同時(shí)可以填充孔隙，并在強(qiáng)度、可壓縮性等方面帶來(lái)明顯的改善。然而，NM在動(dòng)態(tài)特性方面的改進(jìn)效果仍然相當(dāng)不清楚，特別是涉及凍融循環(huán)這種復(fù)雜的外部環(huán)境。

本研究評(píng)估了在黃土中使用納米氧化鎂來(lái)提高動(dòng)態(tài)性能和抗凍解凍能力。為了解決這些問(wèn)題，我們準(zhǔn)備了不同混合比的樣品，通過(guò)一系列的動(dòng)態(tài)三軸測(cè)試來(lái)檢驗(yàn)其動(dòng)態(tài)模量，結(jié)果表明，加入2.5%的納米氧化鎂后，冰凍前和冰凍后樣品的最大剪切模量平均提高了75.26%和184.9%。觀察到黃土的凍融循環(huán)結(jié)構(gòu)變化與含水量以及水的相態(tài)有很大影響，同時(shí)這些有害的影響可以通過(guò)增加納米氧化鎂來(lái)緩解。因此，針對(duì)寒冷地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施，提出了納米氧化鎂處理黃土來(lái)提高凍土性能的新應(yīng)用方案。通過(guò)核磁共振試驗(yàn)探索了納米氧化鎂的穩(wěn)定機(jī)制，結(jié)果表明，納米氧化鎂的吸水效應(yīng)將游離水變成束縛水，使得黃土的動(dòng)態(tài)性能和抗凍解凍能力得到了顯著改善。這項(xiàng)研究提供了確鑿的證據(jù)，證明納米氧化鎂是穩(wěn)定黃土土壤的一種高功能的添加劑，適用于凍融循環(huán)的外部環(huán)境。

樣品制備與實(shí)驗(yàn)條件

樣品制備、動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)和核磁共振試驗(yàn)是在中國(guó)西安某重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。干燥后的黃土首先被研磨并通過(guò)2毫米的篩子，然后在110℃下與NM一起烘烤24小時(shí)。隨后，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的混合比例，對(duì)它們進(jìn)行人工攪拌。同質(zhì)混合物依次壓實(shí)成一個(gè)圓柱形。對(duì)于每個(gè)樣品，干密度被控制在1.60g/cm³。之后，在20±2℃下將它們密封并固化28天。

固化后，樣品在一個(gè)可編程的溫度控制室中進(jìn)行F-T處理。凍融循環(huán)過(guò)程的溫度分別以-10℃和20℃為邊界溫度條件。

圖1 （a）黃土、（b）納米氧化鎂、（c）NM處理的黃土、（d）測(cè)試樣品、（e）凍融室、（f）動(dòng)態(tài)三軸裝置、（g）核磁共振（NMR）分析儀。

表1 樣品實(shí)驗(yàn)參數(shù)

動(dòng)態(tài)三軸測(cè)試：

圖2 樣品動(dòng)態(tài)剪切應(yīng)變-應(yīng)力之間的測(cè)試結(jié)果

圖2顯示了NM含量為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%時(shí)，凍融前后樣本的動(dòng)態(tài)剪切應(yīng)變-應(yīng)力曲線。總的來(lái)說(shuō)，所有的樣品都表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特性，都遵循Hardin模型。此外，曲線隨著NM的增加而向上移動(dòng)，這表明在相同的應(yīng)變水平下，較高的NM含量會(huì)導(dǎo)致較高的剪切應(yīng)力。

表2 剪切應(yīng)力參數(shù)變化表

以凍融前的樣本為例，表2可見(jiàn)，當(dāng)含水率從16%增加到24%時(shí)，NM含量分別為0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%的樣品，其剪切應(yīng)力分別下降了33.56%、26.25%、9.22%、18.09%、11.92%、15.02%。我們發(fā)現(xiàn)，隨著NM含量的增加，水引起的剪切應(yīng)力從33.56%減少到15.02%，這說(shuō)明NM的增加削弱了水對(duì)樣品性能的不利影響。

圖3樣品動(dòng)態(tài)剪切應(yīng)變-模量之間的測(cè)試結(jié)果

圖3描述了在各種評(píng)估條件下的動(dòng)態(tài)剪切應(yīng)變-模量之間的關(guān)系。正如預(yù)期的那樣，隨著應(yīng)變的增加，剪切模量有一個(gè)下降的趨勢(shì)。先出現(xiàn)緩慢的降低，然后呈現(xiàn)出大幅下降。此外，我們觀察到，動(dòng)態(tài)剪切應(yīng)變-模量曲線隨著NM的增加而向上移動(dòng)，而隨著含水量的增加而向下移動(dòng)，因此含水量對(duì)凍融的有害影響被揭示出來(lái)，同時(shí)證明了納米氧化鎂顆粒對(duì)黃土在凍融循環(huán)下抗性的提升作用。

低場(chǎng)核磁共振測(cè)試：

使用蘇州紐邁低場(chǎng)核磁設(shè)備，型號(hào)：MacroMR12-150H。

圖4 經(jīng)NM處理的黃土的核磁核磁共振T2弛豫譜

圖4顯示了在不同的試驗(yàn)條件下NM處理的黃土的弛豫時(shí)間分布。在該圖中，信號(hào)強(qiáng)度反映了樣品中的水含量，而T₂與表面張力成反比，這與土壤中的水的狀態(tài)有關(guān)。對(duì)于重建的黃土，1.65毫秒處的紅色垂直線是對(duì)應(yīng)于結(jié)合水和自由水的截止點(diǎn)，這意味著低于/高于1.65毫秒的信號(hào)分別反映了結(jié)合水/自由水。

一般來(lái)說(shuō)，如圖4a所示，所有情況下的T₂分布都是雙峰的（P1和P2）。它們的弛豫譜以紅色截止線以下的峰值為主，位于0.05和3毫秒之間。從圖中可以看出：隨著NM含量的增加，P1的峰值信號(hào)強(qiáng)度增加，而P2的峰值信號(hào)強(qiáng)度降低。這說(shuō)明增加NM可以增加束縛水的部分，同時(shí)減少自由水。這可以歸因于納米粒子的表面效應(yīng)，它導(dǎo)致在水化過(guò)程中NM周圍的結(jié)合水比例更高。NM的穩(wěn)定機(jī)制可能來(lái)自于NM顆粒的吸水效應(yīng)，它將游離的水變成束縛的水，因此，改善了動(dòng)態(tài)性能，緩解了凍融循環(huán)對(duì)黃土試樣性能的不利影響。

在圖4b所示，隨著含水量的增加，T₂分布曲線向更高的信號(hào)強(qiáng)度和弛豫時(shí)間轉(zhuǎn)移，表明有界水和自由水都有增長(zhǎng)。在凍融作用下，從圖4c所示，P1和P2的峰值位置略有向右移動(dòng)，此外，P1的峰值信號(hào)強(qiáng)度下降，而P2的峰值信號(hào)強(qiáng)度上升。這意味著束縛水的數(shù)量減少了，而自由水的數(shù)量增加了。這可能是由于水分向冰凍流蘇遷移的結(jié)果而導(dǎo)致的水分重新分配。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1.凍融循環(huán)會(huì)破壞黃土試樣的抗剪切性能，同時(shí)含水量的提高對(duì)黃土的性能有重大有害影響，但是這些不利的影響可以通過(guò)增加NM來(lái)緩解，當(dāng)增加2.5%的NM后，F(xiàn)-T前和F-T后樣品的最大剪切模量分別平均提高了75.26%和184.9%。

2.核磁共振從原理上對(duì)NM提高黃土在凍融循環(huán)中的穩(wěn)定性進(jìn)行了解釋，NM材料的穩(wěn)定機(jī)制在于NM的吸水效應(yīng)，可以將自由水變成束縛水。因此改善了動(dòng)態(tài)性能，緩解了水和凍融循環(huán)的不利影響。

低溫凍融循環(huán)、土壤孔徑分布、未凍水含量測(cè)試推薦設(shè)備：

參考文獻(xiàn)

Shufeng Chen, Xikang Hou, Tao Luo, et al. Effects of MgO Nanoparticles on Dynamic Shear Modulus of Loess Subjected to Freeze-thaw Cycles[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2022.18:5019-5031.