黃土廣泛分布在中國西部北部的季節性冰凍和永久凍土地區。為了促進我國內陸與東部沿海的交流，越來越多的交通基礎設施出現，如青藏鐵路、烏魯木齊-拉薩高速鐵路等。在這些地區，由于缺乏粗粒度的材料，當地黃土通常被用于地下填充材料。然而，自然黃土的動態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性/日凍結-解凍，這種不斷的凍融循環導致土壤體積擴大，顆粒間的束縛破壞和結構破壞，進一步威脅基礎設施的耐久性和可使用性。

摘要

傳統的穩定劑材料（石灰、水泥等）已經變得越來越昂貴，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。在低碳穩定材料中，納米氧化鎂（NM）由于其高膠合度和良好的穩定性等特點，是一種新興的低碳和高性能穩定材料。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這種復雜的外部環境。

本研究評估了在黃土中使用納米氧化鎂來提高動態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，通過一系列的動態三軸測試來檢驗其動態模量，結果表明，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結構變化與含水量以及水的相態有很大影響，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定機制，結果表明，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，證明納米氧化鎂是穩定黃土土壤的一種高功能的添加劑，適用于凍融循環的外部環境。

樣品制備與實驗條件

樣品制備、動態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，根據預先設計的混合比例，對它們進行人工攪拌。同質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）動態三軸裝置、（g）核磁共振（NMR）分析儀。

表1 樣品實驗參數

動態三軸測試：

圖2 樣品動態剪切應變-應力之間的測試結果

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剪切應變-應力曲線。總的來說，所有的樣品都表現為應變硬化特性，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%。我們發現，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樣品動態剪切應變-模量之間的測試結果

圖3描述了在各種評估條件下的動態剪切應變-模量之間的關系。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。先出現緩慢的降低，然后呈現出大幅下降。此外，我們觀察到，動態剪切應變-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有關。對于重建的黃土，1.65毫秒處的紅色垂直線是對應于結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周圍的結合水比例更高。NM的穩定機制可能來自于NM顆粒的吸水效應，它將游離的水變成束縛的水，因此，改善了動態性能，緩解了凍融循環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量減少了，而自由水的數量增加了。這可能是由于水分向冰凍流蘇遷移的結果而導致的水分重新分配。

實驗結論

1.凍融循環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-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中的穩定性進行了解釋，NM材料的穩定機制在于NM的吸水效應，可以將自由水變成束縛水。因此改善了動態性能，緩解了水和凍融循環的不利影響。

低溫凍融循環、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.