合徐高速公路南段膨脹土礦物成分及微結(jié)構(gòu)

PAGE11合徐高速公路南段膨脹土礦物成分及微結(jié)構(gòu)摘要:本文運(yùn)用X射線衍射、偏光顯微鏡、掃描電鏡以及化學(xué)全分析綜合方法，對(duì)合徐高速公路南段膨脹土的礦物組分及微結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行較為深入的研究，探明其特殊的工程性質(zhì)不僅與膨脹土的礦物組分，陽(yáng)離子交換量有關(guān)，更與其微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，特別是其結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)特征；膨脹土的脹縮特性隨著粘土礦物含量的增大，特別是蒙脫石，陽(yáng)離子交換量能力的增強(qiáng)而增強(qiáng)；土的微結(jié)構(gòu)是控制膨脹土的脹縮性的另一個(gè)重要因素，隨著粘土基質(zhì)中的卷曲片狀物質(zhì)的增多而增強(qiáng)，而膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于膨脹土粘土顆粒之間的結(jié)合連接程度。關(guān)鍵詞：膨脹土;脹縮性;微結(jié)構(gòu);礦物成分;合徐高速公路南段前言合徐高速公路分南北兩期修建，其中南段南起肥東，北至蚌埠，沿線所經(jīng)的肥東、定遠(yuǎn)、鳳陽(yáng)以及蚌埠四個(gè)縣市均有膨脹土分布，目前，對(duì)沿線各地膨脹土已做了最優(yōu)摻灰率的研究，并在工程設(shè)計(jì)和施工中得到應(yīng)用[1,2]。要全面了解研究區(qū)內(nèi)膨脹土的工程地質(zhì)性質(zhì)，還須對(duì)其礦物組分以及微結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。本文僅對(duì)肥東、定遠(yuǎn)以及鳳陽(yáng)三地的膨脹土進(jìn)行研究，進(jìn)一步探討膨脹土工程特性的本質(zhì)特征。地貌、氣候條件及膨脹土地層1—第四紀(jì)近代堆積物2—1—第四紀(jì)近代堆積物2—第四系下蜀組（含膨脹土）3—第三系戚家橋組、望虎墩組4—白堊系浮山組、朱巷浮山組、朱巷組5—中晚震旦系硅質(zhì)灰?guī)r6—早震旦系石英巖夾頁(yè)巖圖1合徐高速公路南段地貌及膨脹土分布剖面圖Fig.1收稿日期：2004-10-21；修訂日期：2004-11-17作者簡(jiǎn)介：柏立懂(1979–)，男，在讀工學(xué)碩士研究生，從事巖土工程與測(cè)試技術(shù)的研究。E-mail：bailidong@163.com之間，僅在蚌埠－淮南山地海拔相對(duì)較高。研究區(qū)地處長(zhǎng)江、淮河兩大水系之間，地形以平原為主，兼有殘丘、河間洼地、河漫灘以及較多的人工溝渠?？傮w上，地勢(shì)比較平坦，海拔較低，大部分地區(qū)處于盆地之內(nèi)。研究區(qū)屬亞熱帶溫濕季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量適中。多年平均氣溫為15~17℃，冬季平均氣溫為-3℃，以12月份和1月份最冷，極低溫度可達(dá)-20℃，夏季平均氣溫為34℃左右，以7、8月份為最熱，極高可達(dá)41℃。冬夏較長(zhǎng)，春秋較短，較適合膨脹土的發(fā)育生成。區(qū)內(nèi)膨脹土一般分布在Ⅱ級(jí)或Ⅱ級(jí)以上的階地、山前丘陵地區(qū)，個(gè)別分布在Ⅰ級(jí)階地，埋藏較淺，常見(jiàn)于地表。研究區(qū)內(nèi)的膨脹土形成的地質(zhì)年代大多為第四紀(jì)中晚更新世(Q2-3)，地層為下蜀組，其它的地層均未發(fā)現(xiàn)有膨脹土的存在。據(jù)野外肉眼及偏光顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)的膨脹土均屬于第四紀(jì)下蜀組的沖洪積膨脹土。礦物組分及粒度成分特征3.1研究區(qū)膨脹土中的礦物成分為了鑒定膨脹土中的礦物成分，以X射線衍射為主，結(jié)合偏光顯微鏡、掃描電鏡以及化學(xué)全量分析對(duì)采自研究區(qū)內(nèi)的膨脹土樣做了綜合鑒定。圖2合徐高速公路北段膨脹土圖2合徐高速公路北段膨脹土X射線衍射譜線Fig.2Diagramsofdiffractionofx-rayofexpansivesoilinM—蒙脫石，I—伊利石，K—高嶺石，Q—石英，F(xiàn)—長(zhǎng)石，C—方解石；圖中數(shù)據(jù)單位均為?試驗(yàn)所用X－射線衍射儀為日本理學(xué)電機(jī)株式會(huì)社生產(chǎn)的D/max-rB衍射儀，靶：CuKα、管電壓：40kv、管電流：80mA、狹縫系統(tǒng)：DS＝SS＝1o，RS＝0.3mm、步進(jìn)掃描、步長(zhǎng)：0.01o。粘土礦物中，蒙脫石“M”、伊利石“I”和高嶺石“K”分別以1.45nm、0.999nm和0.714nm附近的衍射峰為鑒定依據(jù)；在非粘土礦物中石英“Q”，以0.426nm和.0335nm為其特征衍射峰，長(zhǎng)石“F”和方解石“C”分別以0.320nm和0.303nm附近的衍射峰為其特征峰（部分膨脹土X射線衍射譜線見(jiàn)圖2）。眾所周知，粘土礦物的準(zhǔn)確定量非常困難，最大的困難就是標(biāo)準(zhǔn)礦物的代表性問(wèn)題，不同產(chǎn)地的粘性土礦物的強(qiáng)度相差很大，如蒙脫石的強(qiáng)度有時(shí)可能會(huì)相差幾倍，甚至更大，且自然界中也很難得到純凈的蒙脫石。但膨脹土中石英含量一般比較高，且定量也較為容易。為此，以剛玉為參考物質(zhì)，運(yùn)用K值法[3]完成石英的定量，在此基礎(chǔ)上，假定石英為原膨脹土樣的參考物質(zhì)，再次運(yùn)用K值法求出長(zhǎng)石和方解石的含量。根據(jù)所用儀器設(shè)備對(duì)大量樣品實(shí)驗(yàn)測(cè)出石英的0.335nm峰、長(zhǎng)石的0.320nm峰和方解石的0.303nm峰所對(duì)應(yīng)晶面權(quán)重系數(shù)比值為K0.335:K0.320:K0.303≈1:1.25:1.1，從而計(jì)算出長(zhǎng)石和方解石的相對(duì)含量，將其和石英的含量累加起來(lái)，則粘土礦物的總含量就等于100%減去長(zhǎng)石與方解石的相對(duì)含量與石英含量之和的差值。根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)出高嶺石的0.714nm峰、伊利石的0.999nm峰、蒙脫石的1.45nm峰的權(quán)重系數(shù)比為K0.714:K0.999:K1.45≈1.3:2.95:1，最后運(yùn)用文獻(xiàn)[4]的方法計(jì)算出各自的含量，X射線衍射半定量分析結(jié)果見(jiàn)表1。如表1所示，研究區(qū)內(nèi)的膨脹土粘土礦物含量中，蒙脫石的含量變化范圍為15.5%~19.73%，伊利石為28.39%~35.42%，高嶺石的含量最大者為10.62%，總體含量比較低，石英等碎屑礦物的含量相對(duì)比較高，均大于36%，這也是影響膨脹土的脹縮性的另一個(gè)因素，膨脹性隨石英等礦物含量的增大，出現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)。表1合徐高速公路南段膨脹土X射線衍射半定量分析成果表Table1Thehalf-quantitativeXDAresultofexpansivesoilin地點(diǎn)蒙脫石伊利石高嶺石石英長(zhǎng)石方解石鳳陽(yáng)118.9031.278.5433.208.090.00217.1435.428.8933.894.650.00定遠(yuǎn)116.7428.397.0341.576.270.00215.5032.857.6138.195.840.00肥東118.2733.6510.6231.604.531.33219.7334.0910.0330.574.501.08(2)偏光顯微鏡下的中觀結(jié)構(gòu)特征研究區(qū)內(nèi)膨脹土薄片在偏光顯微鏡下觀察（圖3），發(fā)現(xiàn)其砂粒（＞0.05mm）主要由石英組成，含少量的長(zhǎng)石、方解石以及云母等礦物組成，一般分散在粘膠顆粒構(gòu)成的基質(zhì)當(dāng)中，互不接觸，故而不起骨架作用。此外，粘膠顆粒構(gòu)成的基質(zhì)中，還展布一些裂隙與孔隙。其中鳳陽(yáng)膨脹土局部可見(jiàn)云母的定向排列，主要是沿裂隙的延伸方向展布(圖3(1))；而定遠(yuǎn)膨脹土未見(jiàn)云母的片狀礦物的定向排列，且裂隙也相對(duì)少見(jiàn)，但孔隙相對(duì)比較發(fā)育(圖3(2))，肥東膨脹土的粘膠顆粒構(gòu)成定向排列比較明顯，砂粒較少，孔隙和裂隙也相對(duì)較少，同時(shí)可見(jiàn)一些磨圓度比較好的泥塊無(wú)規(guī)則分布于基質(zhì)中(圖3(3))。縱觀上述分析，三地膨脹土的基質(zhì)各具特點(diǎn)，但又不乏共性，粘膠顆粒為基質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征決定和影響著圖3研究區(qū)內(nèi)膨脹土的中觀結(jié)構(gòu)特征(+)Fig.3Moderatestructureofexpansivesoilinresearchregion(+)圖3研究區(qū)內(nèi)膨脹土的中觀結(jié)構(gòu)特征(+)Fig.3Moderatestructureofexpansivesoilinresearchregion(+)1—鳳陽(yáng)膨脹土，2—定遠(yuǎn)膨脹土，3—肥東膨脹土(3)掃描電鏡下的微結(jié)構(gòu)圖4研究區(qū)內(nèi)膨脹土的微結(jié)構(gòu)特征Fig.4Microstructureofexpansivesoilinresearchregion1－鳳陽(yáng)膨脹土，2－定遠(yuǎn)膨脹土，2－肥東膨脹土在高倍數(shù)掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)鳳陽(yáng)膨脹土基質(zhì)中的粘膠顆粒呈疊聚體的形式存在，少見(jiàn)外形呈彎曲的片狀粘粒存在，疊聚體本身疊聚得十分緊密，聯(lián)結(jié)較強(qiáng)，并具有定向排列的特征，微裂隙較少，且微孔隙也比較小，微孔隙呈拉長(zhǎng)形狀，長(zhǎng)軸方向也具有定向特征(圖4(1))；低倍數(shù)掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)鳳陽(yáng)膨脹土基質(zhì)中發(fā)育一些裂隙和孔隙，疊聚體定向排列，呈似層流狀微結(jié)構(gòu)特征。而在高倍掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)定遠(yuǎn)膨脹土的粘粒基質(zhì)被裂隙分割成形狀各異的小塊，粘土顆粒以單片狀的形式存在，但片狀顆粒一般呈平片狀，很少見(jiàn)彎曲的單片，少量片狀顆粒呈稍曲，邊緣無(wú)規(guī)則，結(jié)構(gòu)單元體多以微集聚體或粘粒片呈“面－面”、“面－邊圖4研究區(qū)內(nèi)膨脹土的微結(jié)構(gòu)特征Fig.4Microstructureofexpansivesoilinresearchregion1－鳳陽(yáng)膨脹土，2－定遠(yuǎn)膨脹土，2－肥東膨脹土上述微觀結(jié)構(gòu)特征是研究區(qū)內(nèi)膨脹土產(chǎn)生脹縮特性的物質(zhì)基礎(chǔ)格架，其格架中的裂隙或孔隙是滲水的良好通道，當(dāng)水滲入時(shí)，蒙脫石和伊利石等粘土礦物組成結(jié)構(gòu)單元體粘片吸水膨脹，水膜增厚，反之，失水水膜減薄，脫水收縮。(4)化學(xué)全量分析為檢驗(yàn)X射線衍射半定量分析的可靠性，進(jìn)行了化學(xué)全量分析(表2)。表2中，定遠(yuǎn)膨脹土中SiO2的含量（69.63%）最高，鳳陽(yáng)膨脹土次之，肥東膨脹土最小。石英、SiO2含量的變化趨勢(shì)均為：定遠(yuǎn)＞鳳陽(yáng)＞肥東；同樣肥東膨脹土的CaO含量最高，鳳陽(yáng)膨脹土和肥東膨脹土的物質(zhì)組分比較接近，這在X射線衍射半定量分析中都可得到證實(shí)。說(shuō)明X射線衍射半定量分析的結(jié)果還是可靠的。表2合徐高速公路南段膨脹土化學(xué)全量分析成果表Table2Thechemistryanalysisresultofexpansivesoilin地點(diǎn)SiO2Fe2O3Al2O3TiO2CaOMgOP2O5MnOK2ONa2OFeOH2O+燒失量SiO2/R22O3SiO2/All2O3鳳陽(yáng)67.275.8415.400.8330.1301.830.860.0615.545.735.9687.413定遠(yuǎn)69.634.6914.190.850.931.140.0700.0472.051.160.394.905.026.8768.327肥東66.795.9614.900.771.311.250.0380.1901.960.900.105.825.546.0597.6073.2粒度成分及陽(yáng)離子交換量如表3所示(按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ051－93）要求進(jìn)行)，三個(gè)地區(qū)膨脹土的粉粒含量均小于粘粒含量，屬于粘土，但粘粒含量并不是很大，基本上只占總含量的50%左右，甚至更低，這就決定了研究區(qū)內(nèi)的膨脹土所具有的脹縮性比較弱，即為低膨脹土。表3合徐高速公路南段膨脹土的某些工程地質(zhì)性質(zhì)Table3Someengineeringpropertiesofexpansivesoilin地點(diǎn)粒度(mm)成成分%物理水理性質(zhì)物理力學(xué)性質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)脹縮性質(zhì)>0.050.05~0..005<0.005比重Gg/ccm3孔隙比ee液限Wl%塑限Wp%塑限指數(shù)Ip壓縮系數(shù)a1--2MPPa-1壓縮模量E1--2MMPa粘聚力ckPPa內(nèi)摩擦角φo陽(yáng)離子交換量((CEC))me//100gg土自由膨脹率Fss%膨脹力PekPa鳳陽(yáng)11.510.8143.9022.0021.900.238.7310315.020.643.0040.00定遠(yuǎn)13.440.7546.7023.8022.900.258.2110918.226.455.0055.00肥東11.141.347.62.740.7547.7023.9023.800.267.7711718.430.359.0065.00土的陽(yáng)離子交換量對(duì)膨脹土脹縮性以及一些物理水理性質(zhì)的影響也不容忽視。如表3所示，不難看出研究區(qū)內(nèi)的膨脹土的陽(yáng)離子交換量都在20me/100g土以上，但最大值僅為30.3me/100g土，因而其液限以及脹縮性都相對(duì)比較小，其脹縮性均未達(dá)到中等膨脹土。3.3膨脹土脹縮性特征如表3所示，研究區(qū)內(nèi)的粘土的液限均大于40%，塑性指數(shù)也均大于20，自由膨脹率均大于40%以及陽(yáng)離子交換量均在20me/100g土以上，均為膨脹土。比重在2.71~2.74g/cm3之間，孔隙比在0.71~0.81之間，而壓縮系數(shù)在0.23~0.26MPa-1之間，屬中等壓縮性，壓縮模量在7.77~8.73MPa之間，其中定遠(yuǎn)膨脹土和肥東膨脹土的粘聚力以及內(nèi)摩擦力比較大，鳳陽(yáng)膨脹土的較兩者小些。區(qū)內(nèi)膨脹土的膨脹勢(shì)不是很強(qiáng)，特別是鳳陽(yáng)膨脹土，自由膨脹率僅為43%，膨脹力僅為40kPa，液限也比較低，但定遠(yuǎn)和肥東膨脹土的脹縮性相對(duì)比較強(qiáng)些，但其自由膨脹率也不足60%。盡管該區(qū)膨脹土的脹縮性比較低，但在這些地區(qū)修建公路和鐵路等低負(fù)荷的路基工程時(shí)必須對(duì)膨脹土進(jìn)行改性處理。結(jié)論合徐高速公路南段的肥東、定遠(yuǎn)和鳳陽(yáng)三地土均為第四紀(jì)下蜀組（Q2-3）的沖洪積粘土具有弱的脹縮性，屬低膨脹土。研究區(qū)膨脹土的粘粒含量較高，自然分散程度較高，粘粒含量在47.6%~50.5%之間，這是膨脹土具有脹縮性的一個(gè)重要物質(zhì)基礎(chǔ)。該區(qū)膨脹土粘土礦物中以伊利石、蒙脫石為主，并含有一定量的高嶺石，它們主要賦存于粘膠粒組中，而粘膠粒組重量百分含量較高，碎屑礦物主要為石英、并有一定量的長(zhǎng)石和少量云母，其中肥東膨脹土還可見(jiàn)很少量的方解石。碎屑礦物的含量增大將會(huì)降低膨脹土的脹縮性，研究區(qū)內(nèi)，盡管各地膨脹土的蒙脫石含量都在14％-25%之間，應(yīng)屬中等膨脹勢(shì)土，而其僅具有低等膨脹勢(shì)。微觀結(jié)構(gòu)是膨脹土脹縮變形的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，也是膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)不同的根本原因，膨脹土中的砂粒礦物含量較少，無(wú)規(guī)則分布于粘土顆粒構(gòu)成的基質(zhì)中，不起骨架作用，膨脹土的結(jié)構(gòu)單元體多以“面－面”、“面－邊”疊聚形成的疊聚體，局部可見(jiàn)獨(dú)立的卷曲片狀顆粒，具有一定的定向排列性，發(fā)育良好的層間裂隙。其中肥東膨脹土具有層流狀微結(jié)構(gòu)特征，其余兩地具有似層流狀的微結(jié)構(gòu)特征。參考文獻(xiàn)顧中華.合徐高速公路沿線地區(qū)膨脹土最優(yōu)摻灰率試驗(yàn)研究[J].巖土工程技術(shù),2003,5(5):286-288．顧中華.合徐高速公路南段膨脹土改性研究及膨脹土與構(gòu)造的關(guān)系[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2002．GB5225-85.金屬材料定量相分析——X射線衍射K值法[S]閔連太,黃鳳貞.粘土礦物的X射線定量研究[J].水文地質(zhì)與工程地質(zhì),1994,(4):17-20．ThemineralcompositionandmicrostructureofexpansivesoilinsouthpartofHe-XuexpresswayAbstract:ThemineralcompositionandmicrostructureofexpansivesoilinsouthpartofHe-XuexpresswayarestudiedmainlybyX-rayDiffractionAnalysis(XDA),PartialMicroscope,ScanningElectronMicroscope(SEM)andChemistryAnalysisinthispaper.