绍兴文理学院课题组近日在《Case Studies in Construction Materials》期刊发表了题为“Soil utilization of solid waste: Small strain characteristics ofcoastal cement soil modified by oyster shell powder underfreeze-thaw cycle”（固体废物的土壤利用：冻融循环下牡蛎壳粉改性滨海水泥土的小应变特性）的学术文章。本文通过GDS共振柱和电镜试验证明，将废弃牡蛎壳粉（OSP）掺入滨海水泥土后，OSP既填充孔隙又促进水泥水化，在冻融循环中可把动剪切模量和阻尼比的损失分别补偿约9 %与20 %，显著提升抗冻性，为滨海软基处理提供了绿色、低成本且性能可预测的改良方案。
https://doi.org/10.1016/j.cscm.2025.e05055
*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：
牡蛎壳粉（OSP）的资源化利用对固体废弃物处置和全球碳循环具有重要意义。本研究探讨了牡蛎壳粉对冻融循环作用下滨海水泥土小应变特性及其微观结构机制的影响。通过共振柱试验和扫描电镜（SEM）分析，测试了不同牡蛎壳粉掺量（0、5%、10%和15%）的牡蛎壳粉改良滨海水泥土（OSPCS）试样。
结果表明：动态剪切模量（G）随牡蛎壳粉掺量增加而降低；阻尼比（D）则先减小后增大，在5%和15%掺量时分别达到最小值和最大值。此外，牡蛎壳粉显著提升了滨海水泥土的抗冻性：尽管G和D均随冻融循环次数增加而逐渐下降，牡蛎壳粉却使其损失率分别降低约9%和20%。牡蛎壳粉不仅填充试样孔隙，还促进水泥水化，提高颗粒密实度并降低含水率，从而削弱冻胀与收缩的不利影响。最终，建立了两个三维拟合模型：标准养护条件下Gmax与围压、牡蛎壳粉掺量的关系模型，以及冻融循环条件下Gmax与围压、冻融循环次数的关系模型；模型预测与试验数据高度吻合。
研究结果为牡蛎壳粉在滨海水泥土中的应用提供了理论依据，并为解决抗冻性不足问题提供了参考，对滨海地区地基处理具有重要的工程意义。
高级本研究使用了GDS共振柱试验系统RCA等设备。
共振柱试验系统GDSRCA
*图表为论文截图，版权归论文原作者和出版方所有，本文仅为学习交流。
Fig. 1. Physical images of raw materials
Fig. 2. Particle grading curves of soil and OSP
Fig. 3. SEM images of raw materials
Fig. 4. The flow chart of samples preparation
Fig. 5. GDS resonant column test system
Fig. 6. The G-γ relationship curves of OSPCS samples at different confining pressures under standard curing
Fig. 7. The G-γ relationship curves of OSPCS samples at different OSP contents with 200 kPa confining pressure.
Fig. 8. The G-γ relationship curves of OSPCS-0 and OSPCS-15 samples at different confining pressures under freeze-thaw cycle conditions.
Fig. 9. The G-γ relationship curves of OSPCS-0 and OSPCS-15 samples under different freeze-thaw cycles at 200kPa confining pressure.
Fig. 10. The D-γ relationship curves of OSPCS samples at different confining pressures under standard curing.
Fig. 11. The D-γ relationship curves of OSPCS samples at different OSP contents with 200 kPa confining pressure
Fig. 12. The D-γ relationship curves of OSPCS-0 and OSPCS-15 samples at different confining pressures under freeze-thaw cycle conditions.
Fig. 13. The D-γ relationship curves of OSPCS-0 and OSPCS-15 samples under different freeze-thaw cycles at 200kPa confining pressure.
Fig. 14. The fitting curves of G/Gmax-γ and D-γ for OSPCS samples under standard curing.
Fig. 15. The fitting curves of G/Gmax-γ and D-γ for OSPCS-0 and OSPCS-15 samples under freeze-thaw cycle conditions.
Fig. 16. The fitting diagram of confining pressure, OSP content and actual Gmax of OSPCS specimen and its simulation verification under standard curing.
Fig. 17. The fitting diagram of confining pressure, OSP content and actual Gmax of OSPCS samples and its simulation verification under freeze-thawcycle conditions.
Fig. 18. SEM images of OSPCS-0 and OSPCS-15 samples under standard curing.
Fig. 19. SEM images of OSPCS-0 and OSPCS-15 samples after 0, 7 freeze-thaw cycles.
本研究通过共振柱试验，系统探讨了标准养护与冻融循环条件下，牡蛎壳粉掺量、围压及冻融循环次数对牡蛎壳粉改性滨海水泥土（OSPCS）土小应变动力特性（G、D）的影响；基于H-D模型建立了Gmax的三维数学拟合模型，预测值与实测误差均在±5 %以内；并借助扫描电子显微镜揭示了微观机制。主要结论如下：
(1) 标准养护下，小应变幅（10−6–10−4）内，OSPCS的G随OSP掺量增加而降低，随围压增大而升高；D随围压增大而减小，随牡蛎壳粉掺量呈“先减后增”趋势，在5 %掺量时最小、15 %时最大。原因在于牡蛎壳粉虽能填充孔隙并促进水化，但其本身刚度低，过量掺入会引入微裂缝，导致刚度下降、阻尼增大。
(2) 冻融循环作用下，G、D与牡蛎壳粉掺量、围压的变化规律与标准养护类似，但随冻融循环次数增加，G、D最大降幅分别达38 %与36 %，归因于冻胀-融缩对土体结构的破坏。掺入牡蛎壳粉后，G、D损失率分别被补偿约9 %与20 %，显著提升了基体抗冻损伤能力。
(3) 建立的Gmax三维拟合模型——标准养护阶段考虑围压与牡蛎壳粉掺量，冻融阶段考虑围压与冻融循环次数——精度高、适用性好，可为工程设计与性能预测提供依据。
(4) SEM观测表明，牡蛎壳粉不仅填充基体与界面过渡区孔隙，还促进水泥水化，提高胶结程度；冻融虽破坏颗粒结构，但牡蛎壳粉通过优化孔结构、提升密实度，有效缓解了冻融损伤。
本文主要采用共振柱试验探究小应变条件下牡蛎壳粉改性滨海水泥土的动力特性。未来研究可采用空心扭剪仪，考察主应力轴旋转对牡蛎壳粉改性滨海水泥土的影响；在冻融效应方面，本研究探究了 0、1、3、5、7 次冻融循环对小应变动力特性的影响，未来可考虑增加冻融循环次数，或从改变冻融循环温度范围等其他角度分析冻融循环的损伤效应。
关于GDS共振柱试验系统
GDS共振柱装置(GDSRCA)振柱试验系统（GDSRCA）是一款Stokoe型的设备，在小到中等的应变范围内（<1%应变），用来测定土壤样品的剪切模量G和阻尼比D的值。通过GDSRCA软件进行控制，该系统也可以用来测试弯曲模量。可选项包括：环境温度控制腔体（- 20°C至40°C），垂直加载作动器，高压压力室，和动态频率小于10Hz的扭转剪切试。
共振柱试验系统GDSRCA
主要特点 | 优点 |
RCA 系统采用功率放⼤器实现电流驱动： | 因为电磁/绕组设备的阻抗会随着频率而改变，在更高的频率下，采用恒定电压放大器，电流会相应减少。由于扭矩与电流成比例，所以相应的扭矩也将减少，其非线性的扭矩输入将影响结果。这种影响在GDSRCA中通过使用电流驱动的功率放大器来消除 |
设计用于提供最⼤刚度： | 提供最小损耗和最多的持续性频率反馈，同时顶帽上⽆刚性支撑，所以相当于实现完全自由振动 |
专用GDS RCA软件用于RCA设备的控制和数据采集： | 操作简单，实现全自动试验 |
低阻尼: | 通过软件切换硬件，在自由振动衰减期间通过线圈提供“开路”，从而防止反电动势产生并减少设备阻尼效应 |
电磁驱动系统: | 这包含精密绕线线圈和复合烧结钕铁硼稀土磁铁 |
内部安装，配备加速度计： | 用于测量试样的振动反馈 |
内压力室： | 试样周围充填水，为了避免空气通过橡皮膜渗入 |
