黄原胶生物大分子对反复冻融土弹性波速度与相对介电常数的影响

《Cold Regions Science and Technology》：Effects of xanthan gum biopolymer on elastic wave velocity and relative permittivity of repeatedly frozen–thawed soils

　　•评估黄原胶处理砂在反复冻融循环下的表现。
•同时测量弹性波速度和相对介电常数。
•展示不同生物聚合物含量下土壤的显著响应差异。
•在生物聚合物含量为1.0%–5.0%时观察到相对良好的响应。
•识别反复冻融循环下土壤响应的稳定性。
引言
近年来，随着可持续材料在岩土工程实践中的日益广泛应用，生物聚合物引起了越来越多的实际关注。生物聚合物在食品、农业和医药等各行业中用作混凝剂、粘合剂和稳定剂。在此背景下，研究日益聚焦于生物聚合物的物理性质和生物降解性，以及此类材料作为新兴土工材料的潜在应用，且不会对地下和地下水环境造成不利影响。即使仅添加约0.5%–1%的重量（Kim等，2024），生物聚合物也能通过改善土壤颗粒间的粘结来增强土壤强度。
黄原胶是一种阴离子微生物多糖，形成依赖水化的凝胶网络，增强颗粒间的结合并改变土壤的持水特性（Chang等，2019）。其加固行为与水化和孔隙水条件密切相关，这些条件与土壤在冻结和融化过程中的行为尤为相关。Ying等（2025）确定了黄原胶在砂-高岭土和膨润土系统中的加固效果，证明其能提高无侧限抗压强度和粘聚力而不改变内摩擦角，扫描电子显微镜证据显示在孔隙空间内形成连续的凝胶膜连接土壤颗粒。此外，Fateh等（2025）研究了黄原胶处理土壤在冻融条件下的力学和微观结构行为，而Giannouli和Morris（2003）证明冻结和融化可以改变黄原胶溶液的凝胶网络。这些发现表明，生物聚合物网络、土壤颗粒和孔隙水之间的相互作用可能在黄原胶处理土壤的冻融响应中发挥重要作用。
在经历周期性冻融温度的地区，地面随冻融循环反复膨胀和收缩，这会削弱地面的物理性质，降低强度和刚度，破坏土壤的微观结构稳定性，导致侵蚀和坍塌（Kim等，2015；Lee等，2020b；Qi等，2008）。然而，以往大多数研究是在恒定温度和湿度条件下进行的短期实验，并考察了未处理土壤的冻融循环。因此，为了将生物聚合物应用于经历冻融循环的地面，需要分析生物聚合物在实际地面环境中可能发生的反复外力、水分变化和温度变化下的颗粒行为。
弯曲元件（BEs）和压电圆盘元件（PDEs）是测量土壤刚度的弹性波发生器，而时域反射计（TDR）传感器测量土壤的相对介电常数，这些已被用于分析使用各种地基改良材料的土壤强度和刚度。在冻融过程中同时使用弹性波仪器和TDR探头，能够识别土壤相变时机并跟踪进展（Fam和Santamarina，1995）。此外，通过整合介电常数数据，可以减轻因BE和PDE信号初始到达时间选择而导致的弹性波速度估计中的主观偏差（Ogino等，2015）。尽管已有研究分别使用这些传感器，但在单一实验中利用多个传感器进行综合分析的研究仍然很少。因此，有必要通过在不同环境下的多信号分析，对土壤与生物聚合物颗粒之间的相互作用机制进行准确详细的分析。
本研究旨在确定冻融循环下由生物聚合物引起的颗粒变化，并考察生物聚合物含量依赖的响应，以确保冻融过程中的稳定运行。随后，介绍了生物聚合物处理土壤的组成以及所使用的弹性波和TDR系统。基于实验结果，分析了颗粒结构的变化，以评估反复冻融循环中的物理性质变化和结构稳定性。最后，给出了应对研究目标的总结和结论。
章节片段
生物聚合物处理土壤
在本研究中，样品通过混合人工硅砂和黄原胶生物聚合物制备。在细颗粒生物聚合物和粗颗粒人工硅砂的混合物中，随着生物聚合物含量的增加，孔隙结构变得更致密。这一现象可以通过细颗粒的填充效应来解释，细颗粒填充粗颗粒之间的空隙，从而降低混合土壤的整体孔隙比（Cubrinovski和Ishihara，2002）。该
剪切波速度
在本研究中，剪切波速度通过冻融循环期间由BE（一种剪切波换能器）采集的剪切波信号获得，并按公式（1）计算：????=???????????????????，其中Ltip-tip表示BE两端之间的距离，长度为90毫米，ts表示剪切波的首次到达时间。为了获得剪切波信号的初始到达时间，考虑了近场效应（Lee和Santamarina，2005），以及生物聚合物含量对融化的影响
BPC0.0、BPC0.5、BPC1.0、BPC2.0、BPC5.0和BPC10.0在四次融化循环中的弹性波速度和相对介电常数如图5所示。图5(a)显示了四次融化循环中剪切波速度的变化。在所有融化循环中，剪切波速度从BPC0.0到BPC0.5增加，从BPC0.5到BPC1.0下降，再次增加到BPC5.0，然后又下降到BPC10.0。如图6(a)所示，未处理土壤由砂颗粒组成，没有
总结与结论
本研究通过测量弹性波速度和TDR信号，分析生物聚合物处理土壤在反复冻融过程中的颗粒行为。样本为BPC0.0、BPC0.5、BPC1.0、BPC2.0、BPC5.0和BPC10.0，相对密度和饱和度分别为60%和30%。为防止冻融过程中的体积变形以及波通过细胞壁的直接传播，制造了一个由MC尼龙制成的组装冻融池。
CRediT作者贡献声明
Haegyeong Pyeon：正式分析，数据管理，初稿撰写。Sang Yeob Kim：监督，资金获取，概念化。
未引用参考文献
Chang等，2023
利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本报告所述的工作。
致谢
本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）资助，由韩国政府（MSIT）提供（项目号：RS-2026-25468995）。本论文由2026年建国大学支持。
Haegyeong Pyeon|Sang Yeob Kim