纳米氧化镁增强石灰改良黄土的湿热耦合动力特性与微观机制研究

《iScience》：Dynamic properties of loess improved by nano-MgO and hydrated lime under humidification conditions

本研究针对黄土在湿热耦合环境下动力性能衰减的工程难题，创新性地引入纳米氧化镁（nano-MgO）协同石灰（hydrated lime）对黄土进行改良。通过动态累积变形试验、微观结构扫描电镜（SEM）及X射线衍射（XRD）分析，系统揭示了nano-MgO通过填充孔隙和促进胶结反应提升土体稳定性的机制。结果表明，添加0.8% nano-MgO可使改良黄土的累积应变降低30.7%，动弹性模量提高32.9%，阻尼比下降19.4%，显著增强了黄土路基在降雨入渗条件下的抗变形能力，为黄土地区交通基础设施的长期安全提供了新材料解决方案。

　　

在我国西北广袤的黄土高原上，黄土作为一种典型的第四纪沉积物，覆盖了约63万平方公里的土地。然而，这片看似坚实的土地却隐藏着致命的“软肋”——遇水易软化、受振易变形。每当雨季来临，雨水渗入黄土路基，原本坚固的土体强度急剧衰减，导致铁路轨面沉降、路基泥化等灾害频发，如同潜伏在铁道下的“流动陷阱”，严重威胁着重载铁路的运营安全。

传统的石灰改良技术虽能一定程度上提升黄土的工程性能，但存在固化周期长、用量大、碳排放高等瓶颈。如何突破现有技术局限，让黄土“遇水不软、受振不沉”，成为摆在土木工程领域的一道紧迫课题。

针对这一挑战，长安大学陈晋团队独辟蹊径，将目光投向了纳米世界。他们在《iScience》上发表的创新性研究，首次系统揭示了纳米氧化镁（nano-MgO）如何像“微观水泥”般重塑黄土的骨架结构。研究人员通过模拟降雨湿热环境下的动态三轴试验，对比了传统石灰改良黄土与nano-MgO-石灰复合改良黄土的性能差异。结果发现，仅添加0.8%的nano-MgO，就使土体在饱水状态下的累积应变降低近三分之一，而动弹性模量提升约三分之一，阻尼比下降近五分之一。

为探究其内在机理，团队借助扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）技术揭开了纳米材料的“魔法面纱”。

电镜图像清晰显示，nano-MgO的加入使土体孔隙从1.0491μm缩小至0.5327μm，孔隙率从18.65%降至11.85%，宛如用纳米尺度的“填充剂”密实了土体骨架。更令人惊喜的是，XRD图谱中出现了CaMg(CO₃)₂（白云石）的特征峰，表明nano-MgO通过促进石灰的水化反应和火山灰反应，生成了具有更强胶结能力的双盐矿物，从而将散粒状的黄土颗粒“焊接”成整体。

关键技术方法

研究采用动态三轴试验系统（GDS）模拟湿热耦合条件下路基土的受力状态，通过设定围压30 kPa、偏应力30 kPa和动应力幅值30 kPa，对试样进行10000次循环加载。结合图像分析软件（Image Pro Plus）量化微观结构参数，并利用XRD鉴定土体成分变化，从宏-微观多尺度揭示改良机制。

动力响应规律

累积应变：加载过程呈现三阶段特征——初期（0-500次）应变急剧增长占总量80%，中期（500-2000次）增速放缓，后期（2000-10000次）趋于稳定。nano-MgO的加入使三种湿度条件（W_opt、W_opt+2%、W_opt+3%）下的累积应变分别降低11.7%、25.2%和30.7%，且随湿度升高，其抗变形优势愈发显著。

动弹性模量：

动弹性模量（E_d）随加载次数先微增后衰减，反映土体从压密到损伤的演变。nano-MgO改良土在饱水状态下的E_d仍达93 MPa，较传统石灰土（70 MPa）提高32.9%，表明纳米材料有效抑制了水分子对土体刚度的削弱作用。

阻尼特性：

阻尼比（λ）随加载次数增长而上升，但nano-MgO改良土的λ值始终低于对照组，最大降幅达19.4%。这说明纳米颗粒通过增加土粒间摩擦阻力，减少了振动能量耗散，从而提升土体耐久性。

结论与展望

本研究证实了nano-MgO作为高效土体改良剂的巨大潜力：其不仅通过物理填充作用优化黄土孔隙结构，更通过化学胶结反应生成稳定性更强的胶凝体系，从而显著提升湿热环境下黄土路基的动力稳定性。该技术为破解黄土地区基础设施建设中的水敏性难题提供了新思路，尤其适用于降雨频繁地区的铁路、公路路基工程。尽管目前纳米材料成本较高且大规模施工工艺尚待完善，但随着绿色建材技术的进步，这种“低掺量、高效率”的改良策略有望成为未来岩土工程可持续发展的重要方向。