湿陷性粉质黏土的组成成分及细观特征

(中国铁道科学研究院，北京 100081)

湿陷性粉质黏土环境稳定性差，遇水软化，压缩性显著增大，易引起路基沉降[1-2]。随着科技的发展，扫描电子显微镜以及各类先进测试技术被应用于土的湿陷性研究，使湿陷机理的研究由宏观走向微观[3-4]。文献[5-7]采用电子显微镜等技术研究了中国西北地区湿陷性黄土的微观结构特征，认为骨架颗粒矿物的接触形态、胶结物的连接形态与胶结程度、孔隙特征是决定黄土工程性质的主要结构特征，黄土的湿陷破坏主要是土中骨架颗粒胶结的破坏；黄土中的胶结物主要是以碳酸钙以及伊利石为主的黏土矿物，其次是其他水溶盐和腐殖质，微晶粒状碳酸盐类与细粒胶结物呈薄膜状黏附在骨架颗粒表面，起胶结作用，是构成黄土结构强度的重要组成部分。文献[8-9]研究认为黄土的物理力学性质较为复杂，且与黄土自身的组成成分、结构有着密切的联系。文献[10]结合扫描电镜分析了黄土湿陷过程中各组成单元微观结构的变化，引入方向性孔隙度函数，认为黄土的湿陷变形过程就是土体由初始稳态到非稳态再至稳态的变化过程，在此过程中土的孔隙结构系数由小到大再变小。文献[11]提出了利用立体测量技术描述孔隙分布方向性的思路并给出了一套利用扫描电镜来确定方向性孔隙比的计算方法，通过推导可以分析不同方向上的孔隙度，得出方向性孔隙度函数，从而评价孔隙度变化。文献[12]通过分析粒度和矿物成分研究了黄土的黏土矿物成分及其分级荷载下的微结构演化规律，研究表明棕红黏土和褐黄粉土在粒度组成上差异很大，黄土在压力作用下的微结构变化主要体现在棕红黏土内，由原集粒支架中孔半胶结结构转变为集粒镶嵌小孔胶结结构。同时，土的湿陷过程是骨架颗粒重分布的过程，湿陷性机理在于其特殊矿物成分和独特的微观结构。本文以东北地区的湿陷性粉质黏土为研究对象，通过X衍射矿物试验以及扫描电镜进行试验，分析其矿物组成成分以及浸水后结构变化特征，从而得出粉质黏土湿陷性成因。

1 湿陷性粉质黏土矿物组成成分分析

通过开挖探井取得原状地基表层粉质黏土试样进行双线法湿陷性试验，共分为18组，得到粉质黏土的湿陷系数(见表1)。按照TB 10038—2012《铁路工程特殊岩土勘察规程》中室内湿陷性试验湿陷程度进行判断，共有14组湿陷系数δ>0.015，具有轻微至强烈湿陷性，具有湿陷性的粉质黏土平均湿陷系数为0.042。

表1 粉质黏土湿陷性

该地区地基粉质黏土普遍具有湿陷性，通过X衍射矿物分析试验以及易溶盐、难溶盐、有机质试验分析其矿物组成。

1.1 X衍射矿物分析

X光衍射(X-Ray Diffraction)分析是依据不同矿物晶体X光射线衍射的不同强度和角度鉴别晶体矿物的方法。将粉质黏土样品粉碎至粒径小于1 mm，采用水悬浮液分离方法或离心分离方法分别提取粒径小于10 μm和小于2 μm的黏土矿物样品。粒径小于10 μm 的黏土矿物样品用于测定黏土矿物在原岩中的相对含量；粒径小于2 μm的黏土矿物样品用于测定各种黏土矿物种类的相对含量。将所要分析的各常见非黏土矿物含量与黏土矿物总量加在一起作为100%来计算，得到各矿物晶体的相对含量。

X衍射共分析3处不同位置的探井不同深度的粉质黏土试样，共6组。X衍射矿物晶体分析结果见表2。不同位置以及深度处粉质黏土试样成分基本接近，粉质黏土中矿物成分主要为石英(35%～66%)、斜长石(12%～29%)、微斜长石(7%～8%)，同时含有方解石(4%～8%)、蒙脱石(8%～15%)和少量伊利石(2%～5%)。

1.2 盐类以及有机质分析

表2 X衍射矿物晶体分析结果

表3 盐类以及有机质含量

1.3 组成成分对比分析

该地区湿陷性粉质黏土与我国西北地区常见湿陷性黄土组成成分见表4。可知，东北地区湿陷性粉质黏土主要粗颗粒成分为石英和长石，与常见湿陷性黄土粗颗粒矿物成分相似，而粉质黏土细颗粒矿物成分为蒙脱石，常见的湿陷性黄土细颗粒矿物成分为伊利石。同时，粉质黏土中易溶盐含量总体相对于湿陷性黄土要低，难溶盐CaCO3含量约为11%～17%,与湿陷性黄土中的CaCO3含量相近。

表4 各类湿陷性土组成成分

2 湿陷性粉质黏土细观形貌分析

图1 湿陷性粉质黏土扫描电镜细观形貌图像

通过带有EDS(Energy Dispersive Spectrometer)X光微区分析功能的扫描电镜对比天然状态下试样与在一定压力下浸水后的试样细观形貌。浸水后试样采用浸水快速固结的方法对试样进行前期处理，40 ℃烘干24 h，用斜口钳取直径约8 mm、高度约5 mm小试块放入扫描电镜试验台上进行试验。粉质黏土扫描电镜细观形貌图像见图1，分别从单个颗粒尺寸(约20 μm)和土体整体表观尺寸(约200 μm)2种维度对浸水前后粉质黏土细观形貌进行分析。图1(a)中原状粉质黏土颗粒表面有絮状包裹物，而图1(b)中粉质黏土颗粒表面较为光滑，浸水后絮状包裹物有明显的脱落现象，同时在土样表观尺寸状态下也能观察到类似的现象。粉质黏土在水和一定压力作用下，起骨架颗粒胶结作用的结构遇水发生部分分解，导致胶结物脱落，从而在很大程度上丧失其胶结功能，使得骨架颗粒脱离约束而重新排列，宏观上表现为湿陷特性。

3 湿陷性粉质黏土微区元素分析

借助扫描电镜附带的EDS系统可以对一定区域的元素构成进行分析，借由此方法对粉质黏土扫描电镜图像中的胶结物和颗粒进行微区元素分析，见图2。图2(a)中区域1为明显絮状包裹物胶结区域，区域2为颗粒区域。

图2 湿陷性粉质黏土微区成分分析图像

胶结物和颗粒的元素成分分析结果见表5。微区元素分析对于氧以前的原子序数较小的元素测试结果不准确，分析结果中只显示原子序数在O之后的元素。

表5 湿陷性粉质黏土不同区域元素成分分析结果

由表5可知，胶结物中主要元素为O,Al,Si,Ca，结合粉质黏土的矿物成分进行分析，胶结物主要为碳酸钙与蒙脱石相互胶结的钙质絮状物；而土颗粒的主要元素为O,Na,Al,Si，主要矿物成分为石英、长石等硅酸盐矿物，胶结物中钙元素明显高于颗粒处。粉质黏土中起胶结作用的是碳酸钙与蒙脱石相互胶结的钙质絮状物，浸水后脱落导致颗粒间胶结程度减弱，颗粒重分布导致湿陷性变形。

4 结论

通过对湿陷性粉质黏土组成成分、细观形貌以及微区成分的分析，得到主要结论如下：

1)湿陷性粉质黏土主要粗颗粒成分为石英和长石，主要细颗粒成分为蒙脱石，易溶盐含量极少，含有一定的难溶盐碳酸钙，具有与湿陷性黄土类似的矿物成分组成。

2)胶结物中钙元素明显高于颗粒处，颗粒间胶结物是碳酸钙与蒙脱石互相胶结的钙质絮状包裹物。

3)粉质黏土的胶结强度受制于颗粒间胶结的絮状包裹物，浸水后一定压力下絮状包裹物剥落导致土骨架间胶结程度降低，胶结强度减弱，使得骨架颗粒脱离约束而重新排列，宏观上呈现出湿陷变形的特性。