宣城網(wǎng)紋紅土成分與微結(jié)構(gòu)的定量研究

汪明武, 覃健桂, 蔣 輝, 徐新宇, 騰浩祥

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

宣城網(wǎng)紋紅土成分與微結(jié)構(gòu)的定量研究

汪明武, 覃健桂, 蔣 輝, 徐新宇, 騰浩祥

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

網(wǎng)紋紅土紅色基質(zhì)和白色網(wǎng)紋的成分和結(jié)構(gòu)差異性影響并控制著工程特性。文章通過掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)實驗和數(shù)字圖像處理技術(shù)定量研究原狀網(wǎng)紋紅土的微孔隙特征,進(jìn)而基于能量色散譜儀(energy dispersive spectrometer,EDS)和X射線衍射儀(X-ray diffractometer,XRD)分析了紅色基質(zhì)和白色網(wǎng)紋的化學(xué)成分和黏土礦物構(gòu)成,以探討網(wǎng)紋紅土微結(jié)構(gòu)和成分與其力學(xué)特征的內(nèi)在聯(lián)系。研究得出,網(wǎng)紋紅土孔隙主要為小于0.5 μm2面積的微孔隙,而面積超過50 μm2的大孔隙則較少,但紅色基質(zhì)顆粒表面粗糙、棱角分明,主要由綠泥石/蒙脫石混層和伊利石以及少量的綠泥石和高嶺石構(gòu)成,而白色網(wǎng)紋顆粒則較為圓滑,由伊利石/蒙脫石混層和伊利石構(gòu)成,且紅色基質(zhì)中Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于白色網(wǎng)紋,而兩者中的Ti元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定。研究結(jié)果可為深入分析網(wǎng)紋紅土工程特征提供依據(jù)。

網(wǎng)紋紅土;X射線衍射儀(XRD);掃描電子顯微鏡(SEM);微結(jié)構(gòu);定量分析

網(wǎng)紋紅土又稱蠕蟲狀紅土,廣泛分布于宣城地區(qū),具有紅白相間的網(wǎng)紋結(jié)構(gòu),常作為現(xiàn)場土層的標(biāo)志層,研究人員對其形成原因和環(huán)境意義開展了諸多研究[1-5],但至今對網(wǎng)紋形成機(jī)理尚不清楚。隨著城市化和工程建設(shè)的加快,工程人員迫切需要深入了解網(wǎng)紋紅土的工程特征。研究人員對其宏觀力學(xué)和一維蠕變特征開展了一系列研究[6-7],并從微觀角度定性研究了孔隙結(jié)構(gòu)、鐵礦物與黏土礦物賦存關(guān)系[7-9]。然而針對網(wǎng)紋紅土工程地質(zhì)特征研究中,結(jié)合微結(jié)構(gòu)和成分特點的強(qiáng)度研究甚少。為此,本文從微結(jié)構(gòu)和成分定量分析角度出發(fā),探討網(wǎng)紋紅土成分和微結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度的關(guān)系,以深入分析安徽宣城網(wǎng)紋紅土的強(qiáng)度特點,為工程設(shè)計提供依據(jù)。

1 實驗用土基本特性

試驗土樣取于安徽宣城某網(wǎng)紋紅土剖面(30°54′39″N,118°42′48″E)。網(wǎng)紋紅土現(xiàn)場分布狀態(tài)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場網(wǎng)紋紅土分布狀態(tài)

原狀實驗用土的物理力學(xué)參數(shù)見表1所列。由表1可知,原狀網(wǎng)紋紅土為塑性指數(shù)IP=13.65的低壓縮性粉質(zhì)黏土,其重塑土的最優(yōu)含水率為15%,最小孔隙率為0.31,最大干密度為1.88 g/cm3,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為529.32 kPa。

表1 原狀土基本力學(xué)物理參數(shù)

2 成分和微結(jié)構(gòu)定量分析

土體的微結(jié)構(gòu)和成分影響并控制著其工程地質(zhì)特征。為從土體的化學(xué)成分、礦物成分及孔隙結(jié)構(gòu)等方面深入研究其工程地質(zhì)特征,本文采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)、能量色散譜儀(energy dispersive spectrometer,EDS)和X射線衍射儀(X-ray diffractometer,XRD)對原狀網(wǎng)紋紅土中的紅色基質(zhì)和白色網(wǎng)紋進(jìn)行分析,并應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行定量分析,以表征網(wǎng)紋紅土的成分、微孔隙大小及其分布特征,并探討礦物成分、微孔隙和結(jié)構(gòu)與其力學(xué)特征間的內(nèi)在關(guān)系。

2.1 微結(jié)構(gòu)定量分析

SEM是研究材料和土體微結(jié)構(gòu)的重要手段[10-11]。本文微結(jié)構(gòu)SEM實驗的樣本制備方法為風(fēng)干法。SEM實驗獲取的典型照片如圖2所示。由圖2可知,網(wǎng)紋紅土以小顆粒和小孔隙為主,局部有少量大孔隙,小顆粒圍繞在大顆粒周圍共同形成結(jié)構(gòu),但原狀白色網(wǎng)紋和紅色基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)明顯不同,紅色基質(zhì)土顆粒表面粗糙,棱角分明,而白色網(wǎng)紋部分的顆粒表面則較為圓滑;在顆粒緊密程度上,白色網(wǎng)紋顆粒分布明顯比紅色基質(zhì)顆粒疏松,紅色基質(zhì)顆粒間多為面-面接觸方式,而線-面、線-線接觸方式較少。

圖2 原狀土樣SEM照片

為了更好地對紅色基質(zhì)與白色網(wǎng)紋的微孔隙進(jìn)行定量分析,應(yīng)用專業(yè)數(shù)字圖像處理軟件Image-Pro Plus 6.0對獲取的SEM圖像進(jìn)行分析,分析過程詳見文獻(xiàn)[7,12]。實驗網(wǎng)紋紅土的微孔隙大小所占比例見表2所列。表2結(jié)果表明,白色網(wǎng)紋與紅色基質(zhì)的微孔隙主要以小于0.5 μm2的小孔隙為主,其數(shù)量占全部孔隙數(shù)量的百分比超過50%,而面積超過50 μm2的大孔隙所占數(shù)量百分比較小,僅3%左右。

表2 網(wǎng)紋紅土微孔隙數(shù)量占比統(tǒng)計結(jié)果 %

2.2 成分定量分析

2.2.1 EDS能譜實驗

基于SEM-EDS能譜實驗對原狀網(wǎng)紋紅土中紅色基質(zhì)和白色網(wǎng)紋的主要化學(xué)元素分析結(jié)果見表3所列。

由表3可知,網(wǎng)紋紅土土樣中元素主要以O(shè)、Al、Si、K、Fe為主,還有少量C和稀有金屬Ti,但C元素分布不均勻,僅局部存在于土樣中,而Ti元素則相對穩(wěn)定。據(jù)黏土礦物晶體的化學(xué)式分析可知絕大部分元素為Si和O。紅色基質(zhì)和白色網(wǎng)紋的化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在一定的差異,紅色基質(zhì)中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對于白色網(wǎng)紋高,且表現(xiàn)出Fe元素聚集現(xiàn)象,但Fe的分布并不均勻,且由于氧化鐵在土中有一定膠結(jié)作用,可以含水氧化鐵膠狀存在于土中。

表3 土樣中化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2.2.2 XRD分析

為了更好地確定試樣中的黏土礦物含量,開展相應(yīng)的XRD實驗,并根據(jù)文獻(xiàn)[13]進(jìn)行了定性和定量分析。典型的XRD圖譜如圖3所示,圖3中，3條線從下往上依次為自然定向晶片(N)、乙二醇飽和片(EG)和加熱片(550 ℃)結(jié)果;紅色基質(zhì)和白色網(wǎng)紋EG片和550 ℃加熱片衍射圖譜均是在N片圖譜的基礎(chǔ)上,向上平移200計數(shù)和400計數(shù)得到。

由圖3可知,紅色基質(zhì)與白色網(wǎng)紋均在N片、EG片出現(xiàn)0.480、0.333、0.335、0.500、0.710、0.720、1.000、1.420、1.250 nm特征峰,但對550 ℃加熱片,0.720 nm特征峰消失,表明晶格破壞,1.420 nm特征峰則發(fā)生偏移,并在1.000～1.420 nm之間出現(xiàn)1個峰值。

圖3 土樣XRD圖譜

對試樣的黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)半定量分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)半定量分析結(jié)果

圖4中橫軸符號K、C、C/S、It和I/S分別代表高嶺石、綠泥石、綠泥石/蒙脫石混層、伊利石和伊利石/蒙脫石混層。

由圖4可見,紅色基質(zhì)部分以綠泥石/蒙脫石混層為主,另含大量的伊利石,并有少量的綠泥石、高嶺石;而白色網(wǎng)紋部分則以伊利石/蒙脫石混層為主,同樣還含有大量伊利石,而高嶺石、綠泥石含量較少。另外通過物相分析得出,土樣含有一定量的珍珠陶石與迪開石礦物。

3 討 論

從網(wǎng)紋紅土現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)微觀工程地質(zhì)特征實驗結(jié)果可知,網(wǎng)紋紅土具有壓縮性小、抗剪強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高、塑性指數(shù)相對較小等特點。由網(wǎng)紋紅土的SEM微結(jié)構(gòu)和成分定量分析可知,網(wǎng)紋紅土主要由微小孔隙和顆粒構(gòu)成,土粒比表面積大,且紅色基質(zhì)顆粒接觸面粗糙,網(wǎng)紋紅土存在顆粒間游離氧化鐵膠結(jié)作用,能將土顆粒包裹起來,這些可提高顆粒間的黏結(jié)力與抗泌水性,致使土顆粒孔隙之間的連通性差,一定程度上限制了荷載作用下孔隙內(nèi)的空氣壓縮變形和水分排出及顆粒間的錯位變形,從而控制了顆粒間的咬合力和黏聚力。同時,由XRD實驗的黏土礦物半定量分析結(jié)果可知,網(wǎng)紋紅土礦物組成主要有綠泥石、伊利石、綠泥石/蒙脫石混層、伊利石/蒙脫石混層等,它們的親水性均較低,顆粒表面吸附水層薄,顆粒間分子相互引力相對較大,提高了土的黏聚力,而網(wǎng)紋紅土的紅色基質(zhì)土顆粒表面粗糙,棱角分明,導(dǎo)致顆粒間的摩擦系數(shù)高,提高了土樣內(nèi)摩擦角,使網(wǎng)紋紅土表現(xiàn)出比一般土較低的壓縮性和較高的抗剪強(qiáng)度特性。

4 結(jié) 論

網(wǎng)紋紅土廣泛分布于宣城地區(qū),其工程地質(zhì)特征直接關(guān)系到工程的合理設(shè)計和施工。本文通過對宣城網(wǎng)紋紅土進(jìn)行SEM-EDS和XRD實驗,從宏、微觀角度綜合分析網(wǎng)紋紅土的力學(xué)特性與其微結(jié)構(gòu)、成分、礦物成分的相互關(guān)系。研究得出網(wǎng)紋紅土中紅色基質(zhì)和白色網(wǎng)紋的微結(jié)構(gòu)和成分存在差異,且定量表征了區(qū)別,明確了網(wǎng)紋紅土力學(xué)特征的微觀機(jī)理,為深入認(rèn)識網(wǎng)紋紅土的結(jié)構(gòu)性提供了數(shù)據(jù),同時為該地區(qū)的工程設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 張淑艷)

Quantitative analysis of composition and microstructure of net-like red soil in Xuancheng

WANG Mingwu, QIN Jiangui, JIANG Hui, XU Xinyu, TENG Haoxiang

(School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The differences of composition and microstructure between red matrix and white vein in the net-like red soil contribute to its engineering properties. To investigate the relation between microstructure and composition of the net-like red soil and its mechanics characteristics, the micro-pores characteristics in the undisturbed net-like red soil were analyzed quantitatively by the scanning electron microscope(SEM) experiments and digital image processing technology, and the chemical components and the clay minerals compositions of the red matrix and white vein were also measured by the energy dispersive spectrometer(EDS) and X-ray diffractometer(XRD). The results showed that micro-pores were mainly pores of less than 0.5 μm2with relatively small amounts of pores of more than 50 μm2. The particles in the red matrix were angular and rough in surface and mainly composed of illite, mixture of chlorite and montmorillonite and a small quantity of chlorite and kaolinite. Meanwhile, the particles were rounded and consisted of illite and montmorillonite mixture and illite in the white vein. And the amount of Fe was more enriched in the red matrix than that in the white vein, but the amount of Ti was almost the same. The study can provide a basis for the further investigation of engineering properties of the net-like red soil.

net-like red soil; X-ray diffractometer(XRD); scanning electron microscope(SEM); microstructure; quantitative analysis

2015-06-19

國家自然科學(xué)基金資助項目 (41172274;71273081);安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目(2015CXCYS086)和合肥工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目(2014CXCY289)

汪明武(1972-),男,安徽歙縣人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.12.014

TU411.92

A

1003-5060(2016)12-1661-04