【文献解读】西京学院陈树峰团队《JMR&T》:氧化镁纳米颗粒对黄土在冻融循环作用下的影响

黄土广泛分布在中国西部北部的季节性冰冻和永久冻土地区。为了促进我国内陆与东部沿海的交流，越来越多的交通基础设施出现，如青藏铁路、乌鲁木齐-拉萨高速铁路等。在这些地区，由于缺乏粗粒度的材料，当地黄土通常被用于地下填充材料。然而，自然黄土的动态性能通常不足以满足这些重要项目的要求。此外，不可避免地，由于温差变化幅度大导致的季节性/日冻结-解冻，这种不断的冻融循环导致土壤体积扩大，颗粒间的束缚破坏和结构破坏，进一步威胁基础设施的耐久性和可使用性。

摘要

传统的稳定剂材料（石灰、水泥等）已经变得越来越昂贵，同时占全球碳排放的比例也越来越高。因此采用友好型添加剂取代它们具有重要意义。在低碳稳定材料中，纳米氧化镁（NM）由于其高胶合度和良好的稳定性等特点，是一种新兴的低碳和高性能稳定材料。在过去的几十年里，人们投入了大量的资源来研究NM在弥补土壤静态特性方面的机制。研究表明，NM可以改善粒子间的粘合性，同时可以填充孔隙，并在强度、可压缩性等方面带来明显的改善。然而，NM在动态特性方面的改进效果仍然相当不清楚，特别是涉及冻融循环这种复杂的外部环境。

本研究评估了在黄土中使用纳米氧化镁来提高动态性能和抗冻解冻能力。为了解决这些问题，我们准备了不同混合比的样品，通过一系列的动态三轴测试来检验其动态模量，结果表明，加入2.5%的纳米氧化镁后，冰冻前和冰冻后样品的最大剪切模量平均提高了75.26%和184.9%。观察到黄土的冻融循环结构变化与含水量以及水的相态有很大影响，同时这些有害的影响可以通过增加纳米氧化镁来缓解。因此，针对寒冷地区的基础设施，提出了纳米氧化镁处理黄土来提高冻土性能的新应用方案。通过核磁共振试验探索了纳米氧化镁的稳定机制，结果表明，纳米氧化镁的吸水效应将游离水变成束缚水，使得黄土的动态性能和抗冻解冻能力得到了显著改善。这项研究提供了确凿的证据，证明纳米氧化镁是稳定黄土土壤的一种高功能的添加剂，适用于冻融循环的外部环境。

样品制备与实验条件

样品制备、动态三轴试验和核磁共振试验是在中国西安某重点实验室进行的。干燥后的黄土首先被研磨并通过2毫米的筛子，然后在110℃下与NM一起烘烤24小时。随后，根据预先设计的混合比例，对它们进行人工搅拌。同质混合物依次压实成一个圆柱形。对于每个样品，干密度被控制在1.60g/cm³。之后，在20±2℃下将它们密封并固化28天。

固化后，样品在一个可编程的温度控制室中进行F-T处理。冻融循环过程的温度分别以-10℃和20℃为边界温度条件。

图1 （a）黄土、（b）纳米氧化镁、（c）NM处理的黄土、（d）测试样品、（e）冻融室、（f）动态三轴装置、（g）核磁共振（NMR）分析仪。

表1 样品实验参数

动态三轴测试：

图2 样品动态剪切应变-应力之间的测试结果

图2显示了NM含量为0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%时，冻融前后样本的动态剪切应变-应力曲线。总的来说，所有的样品都表现为应变硬化特性，都遵循Hardin模型。此外，曲线随着NM的增加而向上移动，这表明在相同的应变水平下，较高的NM含量会导致较高的剪切应力。

表2 剪切应力参数变化表

以冻融前的样本为例，表2可见，当含水率从16%增加到24%时，NM含量分别为0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%的样品，其剪切应力分别下降了33.56%、26.25%、9.22%、18.09%、11.92%、15.02%。我们发现，随着NM含量的增加，水引起的剪切应力从33.56%减少到15.02%，这说明NM的增加削弱了水对样品性能的不利影响。

图3样品动态剪切应变-模量之间的测试结果

图3描述了在各种评估条件下的动态剪切应变-模量之间的关系。正如预期的那样，随着应变的增加，剪切模量有一个下降的趋势。先出现缓慢的降低，然后呈现出大幅下降。此外，我们观察到，动态剪切应变-模量曲线随着NM的增加而向上移动，而随着含水量的增加而向下移动，因此含水量对冻融的有害影响被揭示出来，同时证明了纳米氧化镁颗粒对黄土在冻融循环下抗性的提升作用。

低场核磁共振测试：

使用苏州纽迈低场核磁设备，型号：MacroMR12-150H。

图4 经NM处理的黄土的核磁核磁共振T2弛豫谱

图4显示了在不同的试验条件下NM处理的黄土的弛豫时间分布。在该图中，信号强度反映了样品中的水含量，而T₂与表面张力成反比，这与土壤中的水的状态有关。对于重建的黄土，1.65毫秒处的红色垂直线是对应于结合水和自由水的截止点，这意味着低于/高于1.65毫秒的信号分别反映了结合水/自由水。

一般来说，如图4a所示，所有情况下的T₂分布都是双峰的（P1和P2）。它们的弛豫谱以红色截止线以下的峰值为主，位于0.05和3毫秒之间。从图中可以看出：随着NM含量的增加，P1的峰值信号强度增加，而P2的峰值信号强度降低。这说明增加NM可以增加束缚水的部分，同时减少自由水。这可以归因于纳米粒子的表面效应，它导致在水化过程中NM周围的结合水比例更高。NM的稳定机制可能来自于NM颗粒的吸水效应，它将游离的水变成束缚的水，因此，改善了动态性能，缓解了冻融循环对黄土试样性能的不利影响。

在图4b所示，随着含水量的增加，T₂分布曲线向更高的信号强度和弛豫时间转移，表明有界水和自由水都有增长。在冻融作用下，从图4c所示，P1和P2的峰值位置略有向右移动，此外，P1的峰值信号强度下降，而P2的峰值信号强度上升。这意味着束缚水的数量减少了，而自由水的数量增加了。这可能是由于水分向冰冻流苏迁移的结果而导致的水分重新分配。

实验结论

1.冻融循环会破坏黄土试样的抗剪切性能，同时含水量的提高对黄土的性能有重大有害影响，但是这些不利的影响可以通过增加NM来缓解，当增加2.5%的NM后，F-T前和F-T后样品的最大剪切模量分别平均提高了75.26%和184.9%。

2.核磁共振从原理上对NM提高黄土在冻融循环中的稳定性进行了解释，NM材料的稳定机制在于NM的吸水效应，可以将自由水变成束缚水。因此改善了动态性能，缓解了水和冻融循环的不利影响。

低温冻融循环、土壤孔径分布、未冻水含量测试推荐设备：

参考文献

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.