黃土廣泛分布在中國西部北部的季節(jié)性冰凍和永久凍土地區(qū)。為了促進我國內(nèi)陸與東部沿海的交流，越來越多的交通基礎設施出現(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?shù)攸S土通常被用于地下填充材料。然而，自然黃土的動態(tài)性能通常不足以滿足這些重要項目的要求。此外，不可避免地，由于溫差變化幅度大導致的季節(jié)性/日凍結(jié)-解凍，這種不斷的凍融循環(huán)導致土壤體積擴大，顆粒間的束縛破壞和結(jié)構(gòu)破壞，進一步威脅基礎設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)變得越來越昂貴，同時占全球碳排放的比例也越來越高。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，是一種新興的低碳和高性能穩(wěn)定材料。在過去的幾十年里，人們投入了大量的資源來研究NM在彌補土壤靜態(tài)特性方面的機制。研究表明，NM可以改善粒子間的粘合性，同時可以填充孔隙，并在強度、可壓縮性等方面帶來明顯的改善。然而，NM在動態(tài)特性方面的改進效果仍然相當不清楚，特別是涉及凍融循環(huán)這種復雜的外部環(huán)境。

本研究評估了在黃土中使用納米氧化鎂來提高動態(tài)性能和抗凍解凍能力。為了解決這些問題，我們準備了不同混合比的樣品，通過一系列的動態(tài)三軸測試來檢驗其動態(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，同時這些有害的影響可以通過增加納米氧化鎂來緩解。因此，針對寒冷地區(qū)的基礎設施，提出了納米氧化鎂處理黃土來提高凍土性能的新應用方案。通過核磁共振試驗探索了納米氧化鎂的穩(wěn)定機制，結(jié)果表明，納米氧化鎂的吸水效應將游離水變成束縛水，使得黃土的動態(tài)性能和抗凍解凍能力得到了顯著改善。這項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。

樣品制備與實驗條件

樣品制備、動態(tài)三軸試驗和核磁共振試驗是在中國西安某重點實驗室進行的。干燥后的黃土首先被研磨并通過2毫米的篩子，然后在110℃下與NM一起烘烤24小時。隨后，根據(jù)預先設計的混合比例，對它們進行人工攪拌。同質(zhì)混合物依次壓實成一個圓柱形。對于每個樣品，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，樣品在一個可編程的溫度控制室中進行F-T處理。凍融循環(huán)過程的溫度分別以-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）測試樣品、（e）凍融室、（f）動態(tài)三軸裝置、（g）核磁共振（NMR）分析儀。

表1 樣品實驗參數(shù)

動態(tài)三軸測試：

圖2 樣品動態(tài)剪切應變-應力之間的測試結(jié)果

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

表2 剪切應力參數(shù)變化表

以凍融前的樣本為例，表2可見，當含水率從16%增加到24%時，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，水引起的剪切應力從33.56%減少到15.02%，這說明NM的增加削弱了水對樣品性能的不利影響。

圖3樣品動態(tài)剪切應變-模量之間的測試結(jié)果

圖3描述了在各種評估條件下的動態(tài)剪切應變-模量之間的關(guān)系。正如預期的那樣，隨著應變的增加，剪切模量有一個下降的趨勢。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，動態(tài)剪切應變-模量曲線隨著NM的增加而向上移動，而隨著含水量的增加而向下移動，因此含水量對凍融的有害影響被揭示出來，同時證明了納米氧化鎂顆粒對黃土在凍融循環(huán)下抗性的提升作用。

低場核磁共振測試：

使用蘇州紐邁低場核磁設備，型號：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條件下NM處理的黃土的弛豫時間分布。在該圖中，信號強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)。對于重建的黃土，1.65毫秒處的紅色垂直線是對應于結(jié)合水和自由水的截止點，這意味著低于/高于1.65毫秒的信號分別反映了結(jié)合水/自由水。

一般來說，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的峰值信號強度增加，而P2的峰值信號強度降低。這說明增加NM可以增加束縛水的部分，同時減少自由水。這可以歸因于納米粒子的表面效應，它導致在水化過程中NM周圍的結(jié)合水比例更高。NM的穩(wěn)定機制可能來自于NM顆粒的吸水效應，它將游離的水變成束縛的水，因此，改善了動態(tài)性能，緩解了凍融循環(huán)對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強度和弛豫時間轉(zhuǎn)移，表明有界水和自由水都有增長。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，此外，P1的峰值信號強度下降，而P2的峰值信號強度上升。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)果而導致的水分重新分配。

實驗結(jié)論

1.凍融循環(huán)會破壞黃土試樣的抗剪切性能，同時含水量的提高對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增加NM來緩解，當增加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NM提高黃土在凍融循環(huán)中的穩(wěn)定性進行了解釋，NM材料的穩(wěn)定機制在于NM的吸水效應，可以將自由水變成束縛水。因此改善了動態(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、未凍水含量測試推薦設備：

參考文獻

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.