基于壓汞試驗(yàn)及氮?dú)馕皆囼?yàn)下柳州紅黏土微觀結(jié)構(gòu)分析

呂海波,薛小杰,蔣 熠,尹國(guó)強(qiáng),曾召田*

(1.桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,桂林 541004;2.賀州學(xué)院建筑與電氣工程學(xué)院,賀州 542800;3.南寧城市建設(shè)投資發(fā)展有限公司,南寧 530031)

土體微結(jié)構(gòu)作為影響土體變形破壞的內(nèi)因,是組成土體的物質(zhì)基礎(chǔ),如土中的骨架顆粒、孔隙結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物等因素以及這些結(jié)構(gòu)單元體的不同組合,它們?cè)斐闪送馏w工程性質(zhì)的各向異性、不均勻性和差異性[1],而土中的孔隙結(jié)構(gòu)決定了土的諸多物理力學(xué)性質(zhì)[2],土中的孔徑分布情況是用來(lái)解釋持水性能的差異性[3-4]、水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)參數(shù)、固結(jié)強(qiáng)度等力學(xué)特性的重要依據(jù)。因此對(duì)土中孔隙分布情況的研究十分必要。在外力作用方面，Simms等[5]測(cè)量了不同吸力下土的孔隙分布,提出脫濕過(guò)程孔隙的演化規(guī)律并代入推算持水曲線模型中。胡冉等[6]在孔隙分布的基礎(chǔ)上,建立了考慮土體變形并反映滯回效應(yīng)的土水特征曲線模型。談云志等[7]基于孔隙分布分析解釋了固結(jié)應(yīng)力對(duì)持水曲線的影響。葉為民等[8-9]對(duì)不同吸力范圍下的自由狀態(tài)和側(cè)限狀態(tài)下孔隙結(jié)構(gòu)以及干濕循環(huán)條件下高廟子(GMZ)膨潤(rùn)土的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。而施斌等[10]使用CT技術(shù)觀測(cè)了土體在外力作用下內(nèi)部裂隙的發(fā)育過(guò)程。Lubelli等[11]、Hemes等[12]則是通過(guò)多種方法的聯(lián)用,研究膨潤(rùn)土的孔隙結(jié)構(gòu)。上述研究主要利用針對(duì)土體受到外力影響以及CT等技術(shù)下內(nèi)部孔隙的變化情況,但較少涉及自然狀態(tài)下內(nèi)部孔隙。孟曉宇等[13]研究了不同含水率和固結(jié)圍壓條件下,紅黏土破壞動(dòng)應(yīng)力-破壞振次關(guān)系、動(dòng)黏聚力和動(dòng)內(nèi)摩擦角、動(dòng)應(yīng)變-動(dòng)彈性模量關(guān)系及阻尼比的變化規(guī)律。王賀等[14]通過(guò)對(duì)摻入氧化鈣、氧化鋁、氧化鈣與氧化鋁聯(lián)合摻入對(duì)紅黏土的力學(xué)性質(zhì)的影響,并建立模型對(duì)紅黏土脆性指數(shù)進(jìn)行量化分析。當(dāng)前有關(guān)廣西地區(qū)紅黏土自然條件下微觀孔隙結(jié)構(gòu)方面的研究尚不充分,特別是針對(duì)原狀土與重塑土微觀結(jié)構(gòu)的對(duì)比研究很不多見(jiàn)。

測(cè)定孔分布的試驗(yàn)方法主要有兩種:一種主要通過(guò)處理掃描電鏡圖片[15-17],用軟件將感測(cè)的孔隙分布進(jìn)行量化；一種是通過(guò)直接注汞或液氮脫附[18]的體積進(jìn)行計(jì)算土體的孔隙分布。掃描電鏡較直觀,但由于其觀察的視域較小,只能局部反應(yīng)土體的孔隙特征；而壓汞法、氮吸附法能更全面、更準(zhǔn)確地反映土體整體的孔隙分布特征。因此,一般采用壓汞法和氮?dú)馕椒y(cè)試土體孔隙分布[19-20]。由壓汞實(shí)驗(yàn)可知,部分孔隙在壓力作用下易受到破壞,孔隙表征準(zhǔn)確程度較低,而低溫氮?dú)馕綄?duì)孔隙無(wú)破壞作用,尤其對(duì)小孔隙具有極好的表征作用。壓汞與氮?dú)馕皆诳紫督Y(jié)構(gòu)表征中各具優(yōu)勢(shì),兩者在孔隙表征中具有互補(bǔ)性。

現(xiàn)利用壓汞試驗(yàn)和氮?dú)馕皆囼?yàn)互相結(jié)合的方法對(duì)柳州地區(qū)紅黏土原狀土及其重塑土的微觀孔隙情況進(jìn)行研究,針對(duì)兩者的差異性展開(kāi)對(duì)比分析,探究不同深度下原狀土的孔隙差異和不同干密度下受擾動(dòng)后重塑土的孔隙變化,了解其內(nèi)在區(qū)別與共同點(diǎn),并對(duì)差異性的成因進(jìn)行分析,從而揭示力學(xué)性質(zhì)改變的原因,為實(shí)際工程運(yùn)用特別是有關(guān)回填土和地基處理方面提供參考數(shù)據(jù),具有一定實(shí)際意義和工程價(jià)值。

1 試驗(yàn)土樣及方法

1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)對(duì)象主要為柳州紅黏土,其中原狀土采用的是不同深度的原狀樣,在所需深度利用涂抹少許凡士林的取樣器取樣,經(jīng)過(guò)垂直均勻受力下切,待環(huán)刀鉆入土里到需要的深度后即將取土器拔出,之后將環(huán)刀及半圓筒拆下,用刮刀將取土器兩端多余的土刮去修平,此時(shí)取土器環(huán)內(nèi)的土可作為試驗(yàn)式樣。并在相同深度取部分柳州紅黏土,烘干后過(guò)篩,制作重塑土。柳州重塑紅黏土配置了1.2、1.3、1.4 g/cm33種干密度,使用壓樣器靜壓制樣。柳州原狀紅黏土的基本物性指標(biāo)如表1所示。

表1 柳州原狀紅黏土基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of undisturbed red clay in Liuzhou

1.2 壓汞試驗(yàn)方法

壓汞試驗(yàn)[21]備有3個(gè)平行樣,為符合壓汞試驗(yàn)要求,對(duì)試驗(yàn)樣品做以下預(yù)處理。

(1)切塊。將壓汞試驗(yàn)樣品放在專用的膨脹計(jì)上,樣品尺寸要求不能太大,用細(xì)鋼絲鋸切成1.0 cm×1.0 cm×1.0 cm左右的土塊。

(2)干燥。將切好的土塊品放入液氮中(其沸點(diǎn)為-196 ℃)冷凍15 min讓土樣中的水快速凍結(jié)而來(lái)不及膨脹,再在較高低溫(-50 ℃)下抽真空24 h使冰升華,從而去除土樣中的水分而又保持其結(jié)構(gòu)性；粉末樣采用低溫60 ℃烘干12 h處理。

(3)壓汞試驗(yàn)設(shè)備為美國(guó)麥克公司生產(chǎn)的Auto pore IV 9500型壓汞儀,孔徑測(cè)量范圍為5～1×106nm。試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行采集,試驗(yàn)過(guò)程分為:選取適當(dāng)?shù)臉悠愤M(jìn)行抽真空,保證孔隙內(nèi)氣體壓強(qiáng)接近真空狀態(tài),注汞進(jìn)行低壓分析,低壓試驗(yàn)結(jié)束后,取樣稱重繼續(xù)高壓注汞分析,加壓至227 568 kPa終止。

黏土存在特殊的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),因此在測(cè)定黏土的孔隙分布時(shí),采用二次注汞試驗(yàn)(即在完成一次低壓和高壓注汞試驗(yàn)后,卸壓繼續(xù)進(jìn)行第二次高壓注汞試驗(yàn))來(lái)測(cè)得黏土團(tuán)粒內(nèi)孔的含量。

1.3 氮?dú)馕皆囼?yàn)原理及方法

氮吸附試驗(yàn)[22]時(shí),由于放到氣體體系中的固體樣品,其物質(zhì)表面在低溫下將發(fā)生物理吸附,氣體在多孔固體上的吸附有多種機(jī)制,一般包括單層吸附、多層吸附到毛細(xì)管凝聚3個(gè)過(guò)程。介孔孔徑分布的計(jì)算一般采用基于Kelvin方程的方法。在液氮溫度 (77 K) 下,以氮?dú)鉃槲綒怏w,Kelvin方程可表述為

(1)

式(1)中:rk為孔隙半徑；P0為平面上的蒸汽壓；p為曲面上的蒸汽壓；R為曲面的曲率半徑；σ1、Vm1分別為液體的表面張力、摩爾體積；TB為液氮溫度。

經(jīng)計(jì)算簡(jiǎn)化為

(2)

即Kelvin半徑與吸附相對(duì)壓力有線性關(guān)系。由于只有在孔壁上形成吸附層之后,才能發(fā)生凝聚,因而必須考慮該吸附層的厚度,由此得出孔徑分布。由吸附總的氣體體積轉(zhuǎn)化成液體體積,得出孔容積。

氮吸附試驗(yàn)試驗(yàn)采用的是ASAP 2020M。測(cè)定孔徑范圍為1.7～300 nm。樣品首先在150 ℃下真空脫氣12 h,以脫去孔隙表面吸附的空氣和水分,然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別得到不同粒徑樣品的氮?dú)馕胶兔摳角€。

氮吸附試驗(yàn)樣品放入專用的小試管中,樣品要求較小,采用制備同一深度塊狀原狀樣品和相應(yīng)的平行粉末樣品進(jìn)行試驗(yàn),原狀樣用細(xì)鋼絲鋸切成0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm左右的土塊,粉末樣(<0.075 mm)。

壓汞試驗(yàn)、氮吸附試驗(yàn)試樣的原狀樣編號(hào)和對(duì)應(yīng)的土層深度對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 試樣編號(hào)和土層深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 Correspondence between sample number and soil depth

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓汞試驗(yàn)

壓汞試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。柳州紅黏土原狀試樣孔隙分布情況隨深度變化而不同,表現(xiàn)出如下幾個(gè)特征。

(1)孔隙累積分布曲線的總體趨勢(shì)是土樣隨深度的增大逐漸向上移動(dòng)。

(2)孔隙累積分布曲線分成明顯的兩段:飛速增長(zhǎng)階段以100 nm為分界線,孔徑小于100 nm的曲線陡直,斜率大；穩(wěn)定階段在孔徑大于100 nm以后,曲線平緩,可見(jiàn)小于100 nm的粒徑孔體積含量較多,大孔隙則比較少。推斷紅黏土的結(jié)構(gòu)單元為微小團(tuán)粒,20～100 nm為團(tuán)粒內(nèi)和團(tuán)粒間的分界線。

(3)孔隙分布均在100 000 nm(即100 μm)和10～100 nm附近出現(xiàn)峰值,其中10～100 nm范圍的孔隙分布占主要部分；深度從上往下,隨著深度增加孔分布從粒徑100 nm逐漸向10 nm方向發(fā)展,即孔隙分布從團(tuán)粒間逐漸向團(tuán)粒內(nèi)的孔隙變化,顆粒聯(lián)系更為緊密。

為了便于分析,根據(jù)圖1、圖2中原狀土的曲線特征,粗略地將孔隙分為4類:大孔隙d>1 000 nm,中孔隙100 nm

圖1 柳州原狀紅黏土孔隙累積曲線Fig.1 Porosity accumulation curve of undisturbed red clay in Liuzhou

圖2 柳州原狀紅黏土孔隙分布曲線Fig.2 Porosity distribution curve of undisturbed red clay in Liuzhou

表3 紅黏土的孔隙分布Table 3 Pore distribution of red clay

由表3數(shù)據(jù)可知從基巖到地表的紅黏土中孔隙分布微孔逐漸減少,小孔變化不大。即隨著風(fēng)化程度的不斷增強(qiáng),紅黏土的孔隙從團(tuán)粒內(nèi)逐漸向團(tuán)粒間孔隙轉(zhuǎn)變。紅黏土中團(tuán)粒減少,揭示了紅黏土在形成過(guò)程中,團(tuán)粒內(nèi)孔隙隨著游離氧化鐵的膠結(jié)陳化作用,整體孔隙逐漸變小。

可見(jiàn)對(duì)同一種土不同密度、深度,其小峰值孔徑尺寸基本相同,此處對(duì)應(yīng)的應(yīng)是團(tuán)粒內(nèi)孔隙；而大的峰值尺寸處則變化較大,對(duì)應(yīng)的是團(tuán)粒間孔隙。而柳州紅黏土的團(tuán)粒內(nèi)孔隙的孔徑中心尺寸為0.13 μm。

對(duì)比原狀土,以重塑土壓汞試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖4 柳州重塑紅黏土壓汞試驗(yàn)孔徑分布曲線Fig.4 Porosity distribution curve of the mercury injection test of red clay in Liuzhou

試驗(yàn)結(jié)果可知,柳州重塑紅黏土孔隙分布情況呈現(xiàn)出以下特征。

(1)圖3中孔隙累積分布曲線的總體趨勢(shì)是隨著試樣干密度的減小逐漸上移的。

圖3 柳州重塑紅黏土壓汞試驗(yàn)孔徑累積曲線Fig.3 Cumulative pore diameter curve of mercury injection test of red clay in Liuzhou

(2)孔隙累積分布曲線分成明顯的4段,分別以0.2 μm和20 μm為分界線,孔徑小于0.2 μm的曲線和20～100 μm段的曲線相對(duì)陡峭,0.2～20 μm段以及100 μm以上段的曲線相對(duì)平緩。

(3)重塑紅黏土雙峰明顯,孔隙分布均在0.01～0.2 μm出現(xiàn)第1個(gè)峰值,在20～100 μm出現(xiàn)第2個(gè)峰值,說(shuō)明這兩部分孔徑的孔隙占了主要部分。

(4)隨著重塑土干密度的增加,大孔隙逐漸減少,孔隙分布雙峰隨著干密度增加而向左移動(dòng)。

對(duì)比原狀土,由于重塑土受到了擾動(dòng),孔隙分布更為均勻、分散,而且原狀土孔隙集中分布在1～100 nm,比較集中,且孔隙整體比較致密,這是由于土中針鐵礦長(zhǎng)期作用使顆粒之間膠結(jié)得更為緊密。而重塑土孔隙集中分布在10～1 000 μm和1 000～10 000 μm,由于沒(méi)有經(jīng)歷時(shí)間沉淀,膠結(jié)作用不是太強(qiáng),孔隙偏大,隨著干密度的增加,孔隙體積減小,顆粒之間結(jié)合更為緊密,膠結(jié)性不斷增強(qiáng)。兩者之間都有孔隙重疊部分,即100～1 000 μm部分,在重塑過(guò)程中由于外力作用下,大孔隙可以被壓縮,微孔隙難以壓縮,只有隨著長(zhǎng)期膠結(jié)作用和固結(jié)作用才會(huì)慢慢減小。

根據(jù)壓汞試驗(yàn)結(jié)果,可以肯定的是紅黏土中孔徑分布的雙峰結(jié)構(gòu)非常明顯,結(jié)合紅土的形成機(jī)理可以推測(cè)由于顆粒間聚合形成了聚合體,也就是團(tuán)粒,團(tuán)粒之間的結(jié)合構(gòu)成了黏土骨架,而團(tuán)粒之間的結(jié)合形成了大量的孔隙,而微孔隙是由于游離氧化鐵的膠結(jié)作用使土顆粒相互膠結(jié)形成的,有原狀樣和重塑土之間對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)由于長(zhǎng)時(shí)間游離氧化鐵的膠結(jié)作用,原狀樣第1個(gè)峰值明顯高于重塑樣。

一般認(rèn)為團(tuán)粒間的孔隙數(shù)量會(huì)隨著外力的作用而產(chǎn)生變化,而團(tuán)粒內(nèi)的孔隙由于強(qiáng)膠結(jié)作用而保持穩(wěn)定。根據(jù)上述思路,不同制樣方法形成的土體的團(tuán)粒內(nèi)孔隙是穩(wěn)定的,那么通過(guò)比較這些土樣的孔徑分布曲線,發(fā)現(xiàn)孔徑尺寸保持恒定的部分孔隙即代表團(tuán)粒內(nèi)部孔隙。而且孔隙測(cè)量比較全面,覆蓋面比較廣,包括了大孔隙和微孔隙,整體孔隙分布和孔隙累積體積展示清晰,但是有關(guān)更小的微孔隙測(cè)試不夠精確,無(wú)法估測(cè)。

2.2 氮吸附試驗(yàn)

在用氮吸附試驗(yàn)計(jì)算孔徑分布時(shí),通常認(rèn)為脫附等溫線比吸附等溫線更適用,因?yàn)閷?duì)相同體積的氣體,脫附等溫線對(duì)應(yīng)的自由能更小,相對(duì)壓力較小,更接近于真實(shí)的熱力學(xué)平衡。測(cè)定結(jié)果不同孔徑的孔體積分布如表4所示。

表4 柳州紅黏土的孔隙分布Table 4 Porosity distribution of Liuzhou red clay

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可得以下結(jié)果。

(1)從基巖面往上紅黏土的在微孔和小孔范圍內(nèi)累積孔體積逐漸減小,且遞減層次明顯。觀察原狀樣累積孔體積和孔分布曲線可知,柳州下層紅黏土(LZ-B-5和LZ-B-7)的累積孔隙曲線在1.7～20 nm范圍內(nèi)基本重合,呈現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象,1.7～20 nm范圍內(nèi)下層紅黏土累積孔體積明顯高于上層黏土層。

(2)紅黏土原狀樣在3.5～20 nm范圍內(nèi)的孔隙體積含量最多,且此范圍內(nèi)孔體積從下往上逐漸變小；并表現(xiàn)出明顯的分上下兩層現(xiàn)象。

(3)對(duì)比原狀樣與粉末樣的孔體積分布曲線可知,碾磨之后的粉末樣(粒徑小于0.075 mm)曲線相對(duì)于原狀樣在中孔3.5～20 nm的孔隙體積變化不大,而在大于20 nm范圍內(nèi)的孔體積明顯增多,因此可以推斷:碾磨作用不會(huì)破壞土體團(tuán)粒的結(jié)構(gòu)單元(小于20 nm),原狀土的結(jié)構(gòu)性主要由團(tuán)粒間的孔隙決定的。

(4)從基巖面往上,紅黏土團(tuán)粒內(nèi)孔隙含量逐漸減少,并表現(xiàn)出較明顯的分層現(xiàn)象,下層紅黏土中團(tuán)粒內(nèi)孔隙體積含量明顯大于上層紅黏土,從而證明了氧化鐵的膠結(jié)作用。

氮?dú)馕皆囼?yàn)中不同土層,孔隙體積逐漸減小,且分層,由于土的自重以及長(zhǎng)期的膠結(jié)氧化作用,在膠結(jié)作用下顆粒團(tuán)粒產(chǎn)生結(jié)構(gòu)作用,相對(duì)于壓汞試驗(yàn),氮?dú)馕礁鼈?cè)重于微孔隙的體積,測(cè)量精確度高,最小孔隙探測(cè)到1.7 nm,在微孔隙部分的分布情況比較詳細(xì),但是對(duì)于整體孔隙分布情況顯示有限。從孔隙累積體積上看,在20 nm以下時(shí)壓汞試驗(yàn)測(cè)得孔隙體積均小于氮?dú)馕皆囼?yàn),說(shuō)明在微小孔隙方面氮?dú)馕皆囼?yàn)測(cè)得的孔隙更為精確,壓汞試驗(yàn)壓力下細(xì)小孔隙難以進(jìn)入；而在50 nm時(shí)，壓汞試驗(yàn)測(cè)得孔隙累積體積則較大一點(diǎn),說(shuō)明在大孔隙測(cè)量方面壓汞試驗(yàn)比較可靠。

從微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看,紅黏土中發(fā)育有大小不一的團(tuán)粒,由于游離氧化鐵的膠結(jié)作用,團(tuán)粒內(nèi)部具有高的穩(wěn)定性,在一般的荷載作用或擾動(dòng)下不會(huì)發(fā)生破壞,且團(tuán)粒內(nèi)部存在大量尺寸較小的孔隙,與團(tuán)粒間孔隙一起構(gòu)成紅黏土的孔隙空間。

3 結(jié)論

(1)從基巖面到地表,紅黏土孔體積逐漸變小,平均孔徑逐漸變大,團(tuán)粒內(nèi)孔隙逐漸減少?？梢酝茰y(cè)紅黏土形成過(guò)程中,團(tuán)粒內(nèi)孔隙隨著游離氧化鐵的膠結(jié)陳化作用,結(jié)構(gòu)單元的膠結(jié)更密實(shí)。而重塑土由于沒(méi)有經(jīng)歷時(shí)間沉淀,膠結(jié)作用不是太強(qiáng),孔隙偏大；隨著干密度的增加,孔隙體積減小。兩者之間都有孔隙重疊部分,在重塑過(guò)程中由于外力作用下,大孔隙可以被壓縮,為微孔隙難以壓縮,只有隨著長(zhǎng)期膠結(jié)作用和固結(jié)作用才會(huì)慢慢減小。

(2)壓汞和氮吸附試驗(yàn)結(jié)果表明，紅黏土中孔徑分布的雙峰結(jié)構(gòu)非常明顯,而團(tuán)粒內(nèi)的孔隙由于強(qiáng)膠結(jié)作用而保持穩(wěn)定,因此柳州紅黏土的團(tuán)粒內(nèi)孔隙的孔徑中心尺寸僅為0.13 μm,不同制樣方法形成的土體的團(tuán)粒內(nèi)孔隙是穩(wěn)定的。

(3)根據(jù)壓汞試驗(yàn)結(jié)果,通過(guò)比較這些土樣的孔徑分布曲線,發(fā)現(xiàn)孔徑尺寸保持恒定的部分孔隙即代表團(tuán)粒內(nèi)部孔隙。而且孔隙測(cè)量,覆蓋面比較全面,包括了大孔隙和微孔隙,整體孔隙分布和孔隙累積體積展示清晰,但是有關(guān)更小的微孔隙測(cè)試不夠精確,無(wú)法估測(cè)。

氮?dú)馕皆囼?yàn)中不同土層,孔隙體積逐漸減小,由于土的自重以及長(zhǎng)期的膠結(jié)氧化作用,在膠結(jié)作用下顆粒團(tuán)粒產(chǎn)生結(jié)構(gòu)作用,相對(duì)于壓汞試驗(yàn),氮?dú)馕礁鼈?cè)重于微孔隙的體積,測(cè)量精確度高,在微孔隙部分的分布情況比較詳細(xì),但是對(duì)于整體孔隙分布情況顯示有限。