陇南地区膨胀土微观结构与膨胀性研究.pdf

第 14 卷 第 3 期 2016年 6月 南水北调与 水利科技 South 2to2North Water Transfers and Water Science 2. 甘肃省公路建设管理集团有限公司, 兰州 730030; 3. 河南大学 土木建筑学院, 河南 开封 475004 摘要 利用扫描电子显微镜 SEM 和 X 射线衍射XRD试验研究了陇南地区十天高速公路沿线膨胀土的微观结构 和矿物成分, 并对该地区膨胀土膨胀性进行了判断。试验结果表明, 该地区膨胀土颗粒基本呈无弯曲或有弯曲薄片 状, 即应为蒙脱石或蒙脱石伊利石混层矿物颗粒; 薄片状矿物颗粒以层状面2面接触, 各矿物颗粒间存在狭小缝隙; 定性与定量分析了膨胀土的矿物组成, 其中蒙脱石含量较少, 伊利石、 高岭石和石英含量较高。经判断得出陇南地 区十天高速公路甘肃段沿线膨胀土为弱膨胀土。 关键词 扫描电子显微镜试验; X 射线衍射试验; 微观结构; 矿物成分; 蒙脱石; 膨胀性; 弱膨胀土 中图分类号 U416. 1 文献标志码 A 文章编号 1672 216832016 0320111204 Microstructure and expansion properties of expansive soil in Longnan District MA Xiao 2ning1, WANG Xuan 2cang1, SUN Jin2ling2, WANG Huan3, FU Liang2ju2 1. School of H ighway , Changcan University , Xican 710064, China; 2. Gansu Province H ighway Construction Management Group Co. Ltd. , Lanz hou 730030, China; 3. School of Civil Engineering and A rchitecture, H enan University , K aif eng 475004, China Abstract T he microstructure and mineral composition of the expansive soil along Shiyan to T ianshui expressway in Longnan District were analyzed though scanning electron microscopeSEM experiments and X 2ray diffraction XRD experiments, and the expansion properties of expansive soil in this district were analyzed. According to the experiment results, the expansive soil particles basically presented as laminas with or without bending, which showed the properties of montmorillonite mineral parti 2 cles or mixed 2layer mineral particles of montmorillonite and illite; Lamelli mineral particles were contacted surface to sur2 face, and there were small gaps among the mineral particles; The mineral composition of this expansive soil was analyzed qualita 2 tively and quantitatively, which showed small property of montmorillonite and large property of illite, kaolinite and quartz. Based on the experiment results above, the expansive soil along Shiyan to Tianshui expressway in Longnan legion of Gansu province was judged as weak expansive soil. Key words scanning electron microscope experiments; X2ray diffraction experiments; microstructure; mineral composition; mont2 morillonite; expansion properties; weak expansive soil 膨胀土作为一种典型的遇水膨胀、 失水收缩的 灾害性土, 对高速公路建设和运营安全有着很大的 影响。在工程建设中, 如果不能正确区分膨胀土以 及判别膨胀土的膨胀性, 往往会造成高速公路路基 111 水利工程 研究 及边坡设计和施工的盲目性, 同时, 不恰当的路基及 边坡处治措施会影响道路的使用寿命, 并将导致较 大的经济损失。因此, 在膨胀土分布地区, 高速公路 建设前期需进行详细的地质勘察并判别膨胀土膨胀 性 [ 123] 。影响膨胀土膨胀性最根本的因素为膨胀土 的微观结构和矿物组成, 利用观测和试验手段从微 观角度对膨胀土的膨胀性进行的判断可为高速公路 设计和施工提供参考 [ 427] 。由于我国各地地层岩性 和地质构造的差异性, 使得膨胀土微观结构和矿物 组成的差异性明显, 目前对于膨胀土膨胀性的研究 地域性较强, 鲜有对甘肃省陇南地区膨胀土膨胀性 的研究, 因此, 对该地区膨胀土膨胀性进行微观研究 很有必要[ 8213]。本文利用扫描电子显微镜 SEM 和 X 射线衍射 XRD 试验[ 14217], 分析了陇南地区膨胀 土的微观结构和矿物组成, 为该地区膨胀土膨胀性 的判别和相应处治措施的制定提供了参考。 1 陇南地区地质条件 甘肃省膨胀土分布于陇南市西和县, 该地区为 低中山地貌区, 路线以路基、 桥梁形式布设于横岭河 左岸阶地。地层岩性为坡积、 冲洪积黄土状粉质黏 土、 碎石土、 角砾, 在粉质黏土与碎石土分界处多有 淤泥质粉质黏土夹层分布, 属第三系泥岩, 为极软 岩, 呈灰绿色。 2 膨胀土微观结构分析 2. 1 试验仪器及试验方法 1 试验仪器。 本研究采用的膨胀土微观结构观测仪器为 JSM26390A 扫描电子显微镜, 该扫描电镜可对物体 表面进行 5 300 000 倍的观测分析。 2 试验方法。 试验所用膨胀土取自甘肃省陇南地区十天高速 公路甘肃段 K651 500 处原状土, 具体试验步骤 如下。 将膨胀土试验样本制成长宽高分别为 5 mm 左右的土块, 并进行脱水处理; 将脱水处理后的膨胀土试验样本置于离子 溅射仪进行喷金处理; 将膨胀土试验样本放至扫描电子显微镜下, 分别进行放大 200、 500、 1000、 2000 和 5000 倍的微 观结构观测分析。 2. 2 试验结果分析 试验样本分别放大 200、 500、 1000、 2000 和 5000 倍后的 SEM 图片见图 1。 图 1 K651 500 处试验样本 SEM 图片 Fig. 1 SEM pictures of experiment samples from K651 500 从图 1 可以得出如下结果。 1 当放大倍数为 200 倍时, 可观测到膨胀土表 面主要为片状颗粒分布, 片状颗粒大小不同, 呈波浪 状态的不规则分布, 局部存在较大颗粒。各片状颗 粒为层叠联接, 面面接触, 有较多孔隙。 2 当放大倍数为 500 倍和 1 000 倍时, 可更为 清晰的观测到膨胀土表面的片状颗粒分布, 也有粒 状颗粒局部分布于膨胀土表面, 直径约为 10 Lm, 为 石英。 3 当放大倍数为 2 000 倍及 5 000 倍时, 可观 察到膨胀土表面较为细致的微观特征 除少量粒状 颗粒, 其余颗粒均以薄片状分布, 且这些薄片状颗粒 呈现无弯曲或有弯曲形态。其中, 有弯曲薄片状颗 粒为蒙脱石或蒙脱石、 伊利石混层矿物颗粒, 该颗粒 是造成膨胀土具有较强吸水膨胀和失水收缩性能的 主要原因; 无弯曲薄片状颗粒为伊利石, 其形态同蒙 脱石类似, 但膨胀性较弱甚至无膨胀性; 此外, 少数 多边形薄片状颗粒为高岭石, 该矿物吸水性较强, 但 不具有膨胀性。 4 无弯曲及有弯曲薄片状颗粒多以层状排布, 层与层之间多为面2面接触, 有些薄片状颗粒之间呈 平行状分布但无接触, 存在狭小缝隙, 有些薄片状颗 粒间不规则排列也存在狭小缝隙, 但各缝隙间基本 无连通, 为水分进出及保水提供条件, 影响着膨胀土 的胀缩变形。 3 膨胀土能谱分析 选取了比较有代表性的 K652 700 处试验样 本进行能谱分析, 以试验样本表面一处薄片状颗粒 003 号 和一处粒状颗粒 002 号 作为代表性分析 112 第 14 卷 总第 84 期 南水北调与水利科技 2016年 6月 水利工程 研究 点, 选定的分析区域见图 2, 对分析点矿物元素成分 的能谱图见图 3。 图 2 能谱分析点 Fig. 2 Spectral analysis points 从表 1中可以看出, 两个代表性分析点的各矿 物元素含量差别较大, 其中, 002 号点为石英, 主要 以粒状土体分布于膨胀土中, 石英基本由 SiO2所组 成, 因此, 002 号分析点的 Si 含量较高; 003 号分析 点为蒙脱石、 伊利石及高岭石等, 以薄片状分布于膨 胀土中, 蒙脱石、 伊利石及高岭石等主要为由 Mg、 Al 等金属元素与其他物质组成的化合物, 因此, 003 号分析点的 Mg、 Al 等金属元素含量较高。由于 002 号所代表的粒状颗粒在膨胀土中分布较少, 膨 胀土中大部分为 003 号所代表的薄片状颗粒, 因此, 验证了由扫描电子显微镜观察到的膨胀土微观结构 的正确性, 即该地区膨胀土主要由蒙脱石、 伊利石等 薄片状颗粒组成。 图 3 能谱图 Fig. 3 Energy spectral diagram 根据图 3可得到两分析点的各矿物元素含量, 见表 1。 表 1 两个分析点矿物元素含量 T ab. 1 Element contents of two analysis points 分析点 矿物元素含量 CONaMgAlSiKCaFe 002 号10. 55 43. 65 3. 03 2. 269. 24 24. 57 1. 81 2. 30 2. 58 003 号7. 61 44. 83 0. 92 6. 28 10. 42 18. 59 1. 10 4. 47 6. 24 4 膨胀土矿物组成分析 试验样本取自陇南地区十天高速公路甘肃段 K651 500 和 K652 700 处。试验过程中, 首先将 样本磨细至细度为 45 Lm 左右 即应过 325 目筛 的粉状; 然后将磨成粉状的样本移至 X 射线衍射仪 下进行分析, 所得分析结果见图 4 和图 5。 应用 MDI Jade5. 0 软件分析了 K651 500 和 K652 700 两取样点试验样本 X 射线衍射图谱, 比 照 PDF222004 粉末库, 得出了对膨胀土样本定性和 定量分析结果 图 4 K651 500 处膨胀土 X 射线衍射图 Fig. 4 X 2ray diffraction photograph of expansive soil from K651 500 图 5 K652 700 处膨胀土 X 射线衍射图 Fig. 5 X 2ray diffraction photograph of expansive soil from K652 700 113 马晓宁等 陇南地区膨胀土微观结构与膨胀性 水利工程 研究 1 主要的黏土矿物有蒙脱石、 伊利石、 高岭石、 绿泥石、 长石及石英等; 2 通过衍射峰强度同半高 宽等的计算得出了各黏土矿物的含量, 见表 2。 表 2 试验样本黏土矿物成分含量表 T ab. 2 Clay minerals contents of experiment samples 取样点 矿物成分含量 蒙脱石伊利石高岭石绿泥石长石石英 K651 500826181245 K652 700930251332 从表 2 可以得出, 两取样点的膨胀土试验样本 中, 蒙脱石含量均较低, 各为 8 和 9; 伊利石和高 岭石含量较高, 两种矿物的总含量各占 44 和 55 ; 石英含量较高, 各为 45和 32。 同时, 取 K651 500 和 K652 700 处原状土进 行自由膨胀率试验, 得到两处自由膨胀率分别为 41 与 43 , 均呈现弱膨胀性。 不同矿物组成对膨胀土的膨胀性的影响如 下[ 8213]。 1 蒙脱石含量对膨胀土膨胀性的影响较大, 作 为一种反映膨胀土胀缩变形本质的指标, 蒙脱石含 量可用作判断膨胀土膨胀性的分类标准, 根据5铁路 工程地质勘察规范6 T B 10012- 2007 膨胀潜势分 级标准中关于蒙脱石含量指标的分类, 膨胀土膨胀 性的大小同蒙脱石含量关系密切。 2 伊利石和高岭石对膨胀土膨胀性的贡献基 本相同, 两种矿物虽均具有膨胀性, 但不是影响膨胀 土膨胀性的主要因素, 当两者含量较多而蒙脱石含 量较少时, 膨胀土仍呈弱膨胀性, 当两者含量较少 时, 蒙脱石含量较多时, 膨胀土可表现为强膨胀性。 3 石英不具膨胀性, 因此石英含量的多少对膨 胀土膨胀性不具有决定性作用, 如石英含量较多, 则 相应具膨胀性的矿物较少, 膨胀土膨胀性较弱。 对甘肃陇南地区十天高速公路甘肃段的膨胀土 的矿物成分进行分析, 可得出 该地区膨胀土中对膨 胀性起重要作用的蒙脱石含量有限, 为弱膨胀土蒙 脱石含量的平均水平; 该地区吸水性较强但膨胀性 较弱的伊利石和高岭石两种矿物成分含量基本相 同, 而较多地区伊利石含量高于高岭石, 且该地区两 种矿物含量跟其他地区相比处于中间水平; 该地区 不具膨胀性的石英含量较多, 因此, 具膨胀性的矿物 含量就相对较少。 综上所述, 从膨胀土的矿物组成角度可判断 陇南地区十天高速公路甘肃段分布的膨胀土膨胀 性较弱。 5 结论 1 基于 SEM 试验得出陇南地区十天高速公 路甘肃段膨胀土颗粒基本呈无弯曲或有弯曲薄片 状, 薄片状矿物颗粒以层状面2面接触, 各矿物颗粒 间存在狭小缝隙, 并根据能谱分析验证了膨胀土主 要由蒙脱石、 伊利石等薄片状颗粒组成。 2 基于 XRD 试验定性与定量分析了陇南地 区膨胀土的矿物组成, 其中蒙脱石含量较少, 伊利 石、 高岭石和石英含量较高。 3 陇南地区膨胀土中的蒙脱石含量较低, 自由 膨胀率较小, 膨胀性较弱, 可为该地区膨胀土处治措 施提供参考。 参考文献 References [ 1] 彭波. 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