【文献解读】南京林业大学杨平团队《C. R. S. T》：冻融期间粘土中的水和盐迁移机制

《Water and salt migration mechanisms of saturated chloride clay during freeze-thaw in an open system》

人工地面冻结技术（AGF）是一种利用埋藏在管道中循环冷冻冷却剂以冻结土壤，起到防水和提高土壤强度作用的建筑技术。

AGF被广泛用于地下工程中，并在污染物隔离方面具有较强潜力。然而，AGF的应用通常会带来工程问题，如霜冻破坏问题。此外，可溶性盐类，如广泛存在于沿海地区的NaCl，使得土壤冻结点较低。

水和盐的迁移改变了土壤孔隙结构及其可压缩性，这是在F-T之后发生变形的主要原因。在冻结过程中，水在渗透压以及水冰化学能作用下发生迁移，而盐会在两种机制驱动下随水迁移：一是向冻结前沿发生迁移，或是由于浓度梯度而向相反方向扩散。 

目前对盐水土壤在冰冻和解冻过程中的水和盐迁移机制的深入研究有限。本研究在F-T期间对样品进行持续监测，深入了解盐水土壤的水和盐迁移机制。使用不同氯化盐含量的土壤样品进行了一系列系统的F-T试验。同时进行了核磁共振（NMR）弛豫测试，以获得矿物-水相互作用的特征，进一步探究水和盐的迁移机制。

土壤取自中国东部的一个沿海城市。图1显示了由激光粒子分析仪（Microtrac S3500，美国）获得的其颗粒大小分布。

图1 样品粒径大小分布

根据中国土壤试验方法标准（GB/T 50123-2019，2019）对土壤进行了样品制备。最终样品的直径为20cm，高度为30cm（±0.3厘米），干密度为1.65g/cm3。样品真空饱和采用的介质是NaCl溶液，浓度为0 mol/L、0.64 mol/L、1.32 mol/L或2.64 mol/L，分别对应0%、1%、2%、4%的盐含量。核磁共振实验的样品制备方法及其物理特性（如密度、含水量、盐含量和饱和程度）与上述F-T试验相同，只是样品的直径为2.4cm，高度为5.5cm。

图2说明了定制设计的F-T测试装置。为了模拟AGF工程中的冻结条件，冷端被放置在仪器的底部。沿该装置安装了7个温度计、7个传感器，以监测F-T期间的温度、解冻水含量、体积电导率和吸力。

图2 F-T测试装置结构示意图

水分子流动性的特征由核磁共振弛豫测量仪器监测，该仪器由中国纽迈分析仪器股份有限公司生产，型号：MesoMR23-060V-I。

试样内不同位置的温度变化是F-T过程的一个重要且直接的指标。在相同的温度边界条件下（即冷端-15℃，暖端2℃，沿标本高度的温度梯度为0.57◦C/cm），不同盐含量的样品的温度具有相同的模式。

例如，图3说明了在F-T期间盐含量为4%的样品在不同高度的温度变化。图中标注了三个阶段，即预冷、冻结和解冻。我们可以看到，温度稳定在第33小时，直到第72小时开始解冻。由于各个方向的热传递，解冻的速度比单向冻结快得多。

图3 样品不同高度的温度变化

图4 冻结前沿位置的演变

如图5所示，选择了四个温度下两种盐含量的样品得到的低场核磁T1-T2测试结果，以说明F-T期间T1-T2相关光谱的代表性阶段以及温度和盐含量的影响。具体来说，挑选了四个温度，如图5所示。从每个样品中选择了一个低于冰点的温度（例如，1%盐含量的-3.5℃和2%盐含量的-7.2℃），以便来分析温度和盐含量对水分子流动性的影响。T1/T2比率是一个说明分子流动性的特征参数。

图5 低场核磁T1-T2二维核磁图

使用饱和不同含量氯化钠溶液的粘土样品进行了系统F-T测试，以研究粘土中水和盐在冻融循环作用下的迁移机制。有以下主要结论：