宣城网纹红土成分与微结构的定量研究

汪明武, 覃健桂, 蒋 辉, 徐新宇, 腾浩祥

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

宣城网纹红土成分与微结构的定量研究

汪明武, 覃健桂, 蒋 辉, 徐新宇, 腾浩祥

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

网纹红土红色基质和白色网纹的成分和结构差异性影响并控制着工程特性。文章通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)实验和数字图像处理技术定量研究原状网纹红土的微孔隙特征,进而基于能量色散谱仪(energy dispersive spectrometer,EDS)和X射线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD)分析了红色基质和白色网纹的化学成分和黏土矿物构成,以探讨网纹红土微结构和成分与其力学特征的内在联系。研究得出,网纹红土孔隙主要为小于0.5 μm2面积的微孔隙,而面积超过50 μm2的大孔隙则较少,但红色基质颗粒表面粗糙、棱角分明,主要由绿泥石/蒙脱石混层和伊利石以及少量的绿泥石和高岭石构成,而白色网纹颗粒则较为圆滑,由伊利石/蒙脱石混层和伊利石构成,且红色基质中Fe元素质量分数高于白色网纹,而两者中的Ti元素质量分数稳定。研究结果可为深入分析网纹红土工程特征提供依据。

网纹红土;X射线衍射仪(XRD);扫描电子显微镜(SEM);微结构;定量分析

网纹红土又称蠕虫状红土,广泛分布于宣城地区,具有红白相间的网纹结构,常作为现场土层的标志层,研究人员对其形成原因和环境意义开展了诸多研究[1-5],但至今对网纹形成机理尚不清楚。随着城市化和工程建设的加快,工程人员迫切需要深入了解网纹红土的工程特征。研究人员对其宏观力学和一维蠕变特征开展了一系列研究[6-7],并从微观角度定性研究了孔隙结构、铁矿物与黏土矿物赋存关系[7-9]。然而针对网纹红土工程地质特征研究中,结合微结构和成分特点的强度研究甚少。为此,本文从微结构和成分定量分析角度出发,探讨网纹红土成分和微结构及强度的关系,以深入分析安徽宣城网纹红土的强度特点,为工程设计提供依据。

1 实验用土基本特性

试验土样取于安徽宣城某网纹红土剖面(30°54′39″N,118°42′48″E)。网纹红土现场分布状态如图1所示。

图1 现场网纹红土分布状态

原状实验用土的物理力学参数见表1所列。由表1可知,原状网纹红土为塑性指数IP=13.65的低压缩性粉质黏土,其重塑土的最优含水率为15%,最小孔隙率为0.31,最大干密度为1.88 g/cm3,无侧限抗压强度为529.32 kPa。

表1 原状土基本力学物理参数

2 成分和微结构定量分析

土体的微结构和成分影响并控制着其工程地质特征。为从土体的化学成分、矿物成分及孔隙结构等方面深入研究其工程地质特征,本文采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、能量色散谱仪(energy dispersive spectrometer,EDS)和X射线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD)对原状网纹红土中的红色基质和白色网纹进行分析,并应用数字图像处理技术进行定量分析,以表征网纹红土的成分、微孔隙大小及其分布特征,并探讨矿物成分、微孔隙和结构与其力学特征间的内在关系。

2.1 微结构定量分析

SEM是研究材料和土体微结构的重要手段[10-11]。本文微结构SEM实验的样本制备方法为风干法。SEM实验获取的典型照片如图2所示。由图2可知,网纹红土以小颗粒和小孔隙为主,局部有少量大孔隙,小颗粒围绕在大颗粒周围共同形成结构,但原状白色网纹和红色基质的微观结构明显不同,红色基质土颗粒表面粗糙,棱角分明,而白色网纹部分的颗粒表面则较为圆滑;在颗粒紧密程度上,白色网纹颗粒分布明显比红色基质颗粒疏松,红色基质颗粒间多为面-面接触方式,而线-面、线-线接触方式较少。

图2 原状土样SEM照片

为了更好地对红色基质与白色网纹的微孔隙进行定量分析,应用专业数字图像处理软件Image-Pro Plus 6.0对获取的SEM图像进行分析,分析过程详见文献[7,12]。实验网纹红土的微孔隙大小所占比例见表2所列。表2结果表明,白色网纹与红色基质的微孔隙主要以小于0.5 μm2的小孔隙为主,其数量占全部孔隙数量的百分比超过50%,而面积超过50 μm2的大孔隙所占数量百分比较小,仅3%左右。

表2 网纹红土微孔隙数量占比统计结果 %

2.2 成分定量分析

2.2.1 EDS能谱实验

基于SEM-EDS能谱实验对原状网纹红土中红色基质和白色网纹的主要化学元素分析结果见表3所列。

由表3可知,网纹红土土样中元素主要以O、Al、Si、K、Fe为主,还有少量C和稀有金属Ti,但C元素分布不均匀,仅局部存在于土样中,而Ti元素则相对稳定。据黏土矿物晶体的化学式分析可知绝大部分元素为Si和O。红色基质和白色网纹的化学元素质量分数存在一定的差异,红色基质中Fe质量分数相对于白色网纹高,且表现出Fe元素聚集现象,但Fe的分布并不均匀,且由于氧化铁在土中有一定胶结作用,可以含水氧化铁胶状存在于土中。

表3 土样中化学元素质量分数 %

2.2.2 XRD分析

为了更好地确定试样中的黏土矿物含量,开展相应的XRD实验,并根据文献[13]进行了定性和定量分析。典型的XRD图谱如图3所示,图3中，3条线从下往上依次为自然定向晶片(N)、乙二醇饱和片(EG)和加热片(550 ℃)结果;红色基质和白色网纹EG片和550 ℃加热片衍射图谱均是在N片图谱的基础上,向上平移200计数和400计数得到。

由图3可知,红色基质与白色网纹均在N片、EG片出现0.480、0.333、0.335、0.500、0.710、0.720、1.000、1.420、1.250 nm特征峰,但对550 ℃加热片,0.720 nm特征峰消失,表明晶格破坏,1.420 nm特征峰则发生偏移,并在1.000～1.420 nm之间出现1个峰值。

图3 土样XRD图谱

对试样的黏土矿物质量分数半定量分析结果如图4所示。

图4 黏土矿物质量分数半定量分析结果

图4中横轴符号K、C、C/S、It和I/S分别代表高岭石、绿泥石、绿泥石/蒙脱石混层、伊利石和伊利石/蒙脱石混层。

由图4可见,红色基质部分以绿泥石/蒙脱石混层为主,另含大量的伊利石,并有少量的绿泥石、高岭石;而白色网纹部分则以伊利石/蒙脱石混层为主,同样还含有大量伊利石,而高岭石、绿泥石含量较少。另外通过物相分析得出,土样含有一定量的珍珠陶石与迪开石矿物。

3 讨 论

从网纹红土现场调查和室内微观工程地质特征实验结果可知,网纹红土具有压缩性小、抗剪强度和无侧限抗压强度高、塑性指数相对较小等特点。由网纹红土的SEM微结构和成分定量分析可知,网纹红土主要由微小孔隙和颗粒构成,土粒比表面积大,且红色基质颗粒接触面粗糙,网纹红土存在颗粒间游离氧化铁胶结作用,能将土颗粒包裹起来,这些可提高颗粒间的黏结力与抗泌水性,致使土颗粒孔隙之间的连通性差,一定程度上限制了荷载作用下孔隙内的空气压缩变形和水分排出及颗粒间的错位变形,从而控制了颗粒间的咬合力和黏聚力。同时,由XRD实验的黏土矿物半定量分析结果可知,网纹红土矿物组成主要有绿泥石、伊利石、绿泥石/蒙脱石混层、伊利石/蒙脱石混层等,它们的亲水性均较低,颗粒表面吸附水层薄,颗粒间分子相互引力相对较大,提高了土的黏聚力,而网纹红土的红色基质土颗粒表面粗糙,棱角分明,导致颗粒间的摩擦系数高,提高了土样内摩擦角,使网纹红土表现出比一般土较低的压缩性和较高的抗剪强度特性。

4 结 论

网纹红土广泛分布于宣城地区,其工程地质特征直接关系到工程的合理设计和施工。本文通过对宣城网纹红土进行SEM-EDS和XRD实验,从宏、微观角度综合分析网纹红土的力学特性与其微结构、成分、矿物成分的相互关系。研究得出网纹红土中红色基质和白色网纹的微结构和成分存在差异,且定量表征了区别,明确了网纹红土力学特征的微观机理,为深入认识网纹红土的结构性提供了数据,同时为该地区的工程设计提供了科学依据。

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(责任编辑 张淑艳)

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

国家自然科学基金资助项目 (41172274;71273081);安徽省大学生创新创业训练计划资助项目(2015CXCYS086)和合肥工业大学大学生创新创业训练计划资助项目(2014CXCY289)

汪明武(1972-),男,安徽歙县人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.12.014

TU411.92

A

1003-5060(2016)12-1661-04