西京学院“纳米氧化镁对冻融循环作用下黄土动剪切模量的影响”研究成果发表丨GDS科研型动三轴系统DYNTTS应用实例

西京学院课题组近日发表了题为“Effects of MgO nanoparticles on dynamic shear modulus of loess subjected to freeze-thaw cycles”（纳米氧化镁对冻融循环作用下黄土动剪切模量的影响）的学术文章。本研究表明，掺2.5%纳米氧化镁的黄土经冻融后最大动剪模量提高1.8倍；其吸水把自由水变结合水的机制削弱含水率负面效应，团队据此建立寒区动模量新模型，证实该材料是冻融环境高效加固剂。

https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.05.013

*论文版权归原作者和出版方所有，本文仅为学习交流。

以下是对这项成果的简要介绍：

论文摘要

本研究评估了纳米氧化镁（nano-MgO）在改良黄土中的动态性能与抗冻融能力。针对不同掺量的试样，分别进行冻融前后的动态三轴试验。结果表明，掺入2.5% 纳米氧化镁可使冻融前后最大动剪模量平均提升75.26% 和184.9%。冻融与含水率的负面效应显著，但纳米氧化镁能有效缓解。研究提出了适用于寒区设计的纳米氧化镁改良黄土动模量新模型，并通过核磁共振揭示其机制：纳米氧化镁吸水将自由水转化为结合水，从而显著提升动态性能与抗冻融性。本研究证实纳米氧化镁是冻融环境下黄土加固的高效添加剂。

试验设备

高级本研究使用了GDS高级动三轴试验系统DYNTTS等设备。

GDS高级动三轴试验系统DYNTTS

高级动态三轴试验系统 (DYNTTS) 是一套高端的试验设备，它将三轴压力室和动力驱动器合为一体，可以施加最大5Hz的动态荷载、变形和应力。

轴向加载由装有马达驱动的基座螺旋传动，从压力室底座施加轴向力和轴向变形。

相关图表

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Fig.1 Materials, samples and test equipments: (a) loess soil; (b) nano-MgO; (c) NM-treated loess; (d) test samples; (e)Freeze-thaw chamber; (f) Dynamic triaxial apparatus; (g) Nuclear magnetic resonance (NMR) analyzer.

Fig.2 Diagram of multi-stage dynamic load.

Fig.3 Hysteretic shear stresse-strain curve and backbonecurve.

Fig. 4 -Effect of NM content on backbone curve of pre- and post-F-T samples: (a)~(c) N=0, w=16%, 20%, 24%; (d)~(f) N=10,w=16%, 20%, 24%.

Fig.5 Effect of NM content on dynamic shear modulus of pre- and post-F-T samples: (a)~(c) N=, w=16%, 20%, 24%; (d)~(f)N=10, w=16%, 20%, 24%.

Fig.6 Effects of NM and water content on G_dmax for pre-F-T samples.

Fig.7 Effects of NM and water content on G_dmax for post-F-T samples. To investigate the impacts of F-T on G_dmax, the F-T attenuation coefficient η was introduced as.

Fig.8 Effects of NM and water content on F-T attenuation coefficient.

Fig.9 Empirical model of G_dmax of NM-treated loess: (a) pre-F-T samples; (b) post-F-T samples.

Fig.10 Predicted G_dmax against experimental value of NM-treated loess.

Fig.11 Normalized shear modulus for NM-treated loess: (a) pre-F-T samples; (b) post-F-T samples.

Fig.12 Predicted G_d against the experimental one: (a) pre-F-T samples; (b) post-F-T samples.

Fig.13 Relaxation time T2 curves of NM-treated loess.

结论

本研究旨在探讨纳米氧化镁（NM）对黄土动态性能的稳定化效果，系统对比并分析了冻融（F-T）、NM掺量及含水率对动剪模量的影响。主要结论如下：

（1）掺入2.5 % NM后，冻融前、后试样的最大动剪模量分别平均提升75.26 %与184.9 %。冻融与含水率均产生显著不利作用，但其负面效应可被NM有效缓解，表明NM适用于冻融环境下的稳定化工程。

（2）冻融对动剪模量影响显著，模量衰减幅度为10.2 %–34.6 %。该影响随含水率升高而加剧，随NM掺入而减弱；且含水率越高，NM提升抗冻融性能的效果越突出。

（3）建立了估算NM改良黄土动剪模量的经验模型，预测结果与试验数据吻合良好，可为一般工况及冻融环境下的工程设计提供参考。

（4）核磁共振（NMR）测试显示，NM掺入后土体结合水比例增加，自由水减少。据此推断，NM的稳定机制在于其吸水效应：将自由水转化为结合水，从而改善动态性能并削弱水分与冻融的不利影响。