黏粒对红黏土微观结构及力学性质的影响

李蜀江，陶 骞，王庆丰，罗力夫，王良玉，万明贵，刘秋林

（中国五冶集团有限公司，成都 610000）

红黏土是一种特殊性土，作为建筑地基、建筑介质等在工程建设中运用的越来越多[1]。随着社会经济的发展，大量工程都面临着红黏土特殊的物理特性问题[2]。国内外诸多学者对红黏土的研究也越来越广泛。在对红黏土的微观结构性质研究中，张慧颖等[3]利用X-荧光光谱仪、扫描电子显微镜对昆明红黏土的微观结构及化学组成进行了探讨，研究发现导致红黏土有较高的液塑限是因为红黏土中的胶结物游离氧化铁具有较强的水化能力。红黏土中的单元粒团导致土体具有高含水率。陈然等[4]为了研究渗透系数与干湿循环次数的关系，对红黏土真空饱和、恒温干燥后进行干湿循环，从微观条件下观察不同循环次数下孔隙的分布特点。在对红黏土的力学及工程性质的研究中，谭罗荣等[5]为了详细解释红黏土在工程力学性质中的不可逆性，提出了土体胶结结构模型，通过胶结离团解释了红黏土的特殊工程性能。谈云志等[6]以压实红黏土为研究对象，提出限制膨胀法，从微观角度探究不同状态对红黏土膨胀力的影响机制。方薇等[7]通过三轴试验，固结试验及膨胀试验对武广红黏土的应力-应变、固结变形和胀缩变形进行了研究，发现红黏土具有超固结性、固而不密，固结反剖面特性，中等压缩性，其膨胀性较小而收缩性较强等变形特性。黄翔等[8]对红黏土进行不排水三轴试验，讨论剪切带形成的条件。试验结果表明在三轴试验中，剪切带分为单一型、次单一型、双缝T 型和多缝型4 种。孟晓宇等[9]对江西新乡红黏土在不同物态和应力状态下进行动三轴试验，研究在不同含水率和固结围压条件下，红黏土破坏动应力-破坏振次关系、动黏聚力和动内摩擦角、动应变-动弹性模量关系以及阻尼比的变化规律。董金玉[10]、赵亚文[11-12]、蒲黍絛[13]、罗文俊等[14]均对红黏土在不同含水率作用下进行了抗剪强度试验，发现随着含水率的增加，红黏土的抗剪强度和黏聚力均减小。给出了黏聚力和内摩擦角的推荐范围值。

黏粒是红黏土的一种重要组成物质，在红黏土中含量较大。桂林红黏土中黏粒的主要矿物成分为高岭石，含量最高可达90%[15-16]。吕海波等[17]在桂林理工大学雁山校区取土样，通过净水沉降试验测得黏粒含量为61.27%，韦复才[18]通过对红黏土进行基本土工试验，发现黏粒含量一般在50%以上，工程地质性质上桂林红黏土具有弱膨胀性、弱崩解性等特点。王良玉等[19]对不同黏粒含量的红黏土进行裂隙试验，探究黏粒对裂隙的影响及发展规律。本文通过向黏粒含量低的红黏土中掺入不同比例的黏粒，对不同黏粒掺量的红黏土进行扫描电镜试验和三轴剪切试验，探究黏粒在红黏土中的微观结构及抗剪强度参数的变化。

1 试验

1.1 基本物理指标

本次试验用土取自桂林市某工地，对所取原状土进行一系列的土工基础试验，基本物理指标见表1。

表1 基本物理指标

1.2 制备黏粒

对所取土样进行颗粒分析试验，测得土体的颗粒级配，本次试验用土的颗粒组成见表2。

表2 颗粒组成%

d≤0.005 mm 的颗粒被称之为黏粒[20]，因此本次试验用土的黏粒含量为42.3%，然后利用净水沉降的原理使用自制黏粒提取装置制备黏粒[19]，然后以5%的梯度向低黏粒含量的土中掺入黏粒，然后进行扫描电镜试验和固结不排水三轴试验。制备的黏粒如图1 所示。

图1 红黏土黏粒

1.3 试验方案

三轴剪切试验：土样干密度为1.4 g/cm3，含水率为35%，将黏粒按0%、5%、10%、15%的比例掺入土样，制备体积为96.01 mm3的三轴试样，对其进行不同围压下的固结不排水剪，分析黏粒对抗剪强度的影响。

扫描电镜试验（SEM）：对黏粒进行电镜扫描试验观察其微观结构，对加入黏粒后的红黏土进行电镜扫描试验观察，通过观察分析黏粒在红黏土结构中的形态。对进行完三轴试验的红黏土试样进行扫描电镜试验，观察土样中土体结构的变化。

2 试验结果分析

2.1 三轴剪切试验

对不同黏粒掺量的红黏土进行固结不排水剪试验，试验结果如图2 所示。

通过观察图2 可以看出，黏粒掺量为0%的红黏土剪切峰值为83.6～548.5 kPa，黏粒掺量为5%的红黏土剪切峰值为101.8～569.2 kPa，黏粒掺量为10%的红黏土剪切峰值为165.3～507.1 kPa，黏粒掺量15%的红黏土剪切峰值为124.8～558.8 kPa；无论黏粒掺量为多少，在100 kPa 低围压时，应力-应变曲线先升高，后期基本保持水平发展，土体发生塑性变形，达到硬化状态。在200、300、400 kPa 高围压阶段，红黏土的应力-应变曲线在拐点之前发生弹性变形，之后应力-应变曲线一直处于上升状态，土体达到强塑性状态。

图2 不同黏粒掺量应力-应变曲线

黏粒含量对土体的应力-应变曲线存在影响，黏粒含量增大时，红黏土的偏应力随着围压的增大会先增大后降低，但部分曲线的拐点产生的较晚，这是由于在配土过程中，黏粒在土体中分布不均匀造成的，而有的曲线在后期发生突变也是由于黏粒分布不均匀的情况而对试验产生影响。黏粒掺量的不同，对土体的应力应变会产生较大的影响。

2.2 黏粒对红黏土黏聚力和内摩擦角的影响

通过绘制有效应力摩尔圆，得到土样的有效应力指标，通过所得黏聚力与内摩擦角绘制相应的曲线，如图3 所示。

图3 黏粒对红黏土抗剪强度参数影响

由图3（a）可知，不同比例的黏粒对红黏土的黏聚力影响明显，黏粒掺量对黏聚力c 值得改变很大，黏聚力随着红黏土黏粒掺量的增加不断逐级递增。添加少量黏粒时，黏聚力变化的幅度比较小；随着黏粒的不断添加，黏聚力会不断上升。这是由于黏粒都是由次生矿物和倍伴氧化物组成，红黏土中总是存在着不同厚度的结合水膜，当加入黏粒后，倍伴氧化物会与结合水膜发生反应，使土体的连结更加紧密，所以土体的黏聚力会增加。

由图3（b）可知，黏粒对红黏土的内摩擦角影响也很明显，与天然红黏土相比，黏粒掺量对红黏土内摩擦角A 的改变也很大，内摩擦角随着黏粒掺量的增加逐级递减。内摩擦角由18～22°降低到15～16°。内摩擦角的变化与土粒的粗糙度有关，随着黏粒的增加，黏粒会将土体的孔隙填充，使得土颗粒表面粗糙度减小，从而使内摩擦角减小。

2.3 黏粒微观结构

在本次试验中，黏粒是极为重要的一部分，黏粒在红黏土中起到的作用至关重要，为了探究黏粒在红黏土中的分布形态，因此对所制取的黏粒进行了扫描电镜试验，通过观察黏粒的微观结构，从微观角度来分析黏粒对红黏土物理力学特性的影响。黏粒的微观结构图如图4 所示。

图4 黏粒微观结构图

观察图4，黏粒放大200 倍，此时的黏粒就像是很多细小的粉末颗粒平铺在一起，图中凹下的部分为导电胶，没有黏粒分布，从200 倍的SEM 图像中可以大概看出孔隙，黏粒都是致密的堆积在一起。放大倍数为1000 倍，此时可以看到黏粒中的小固体颗粒，黏粒的分布都是由大小不一的颗粒紧密均匀地堆积在一起，致密松软。当放大倍数为5000 倍时，黏粒中也存在很多的孔隙，并且可以看出晶体的存在，这是黏粒中的矿物，这些矿物咬合堆积在一起。当放大倍数为10000倍时，黏粒的表面附着一层层“毛绒”物，通过这些“毛绒”物可以将土体颗粒紧密的连接起来，从而使土体的孔隙减小，使土体的强度增加。

2.4 不同黏粒掺量红黏土微观结构分析

对不同黏粒掺量的红黏土进行扫描电镜试验，观察其微观结构，分析黏粒在红黏土中的作用。

图5 是黏粒掺量为0%的红黏土SEM 图像，通过放大倍数为200 倍和1000 倍的图像可以看出，颗粒形状大小不一且复杂多样化，有的颗粒极大而有的颗粒则像粉末一样极其细小。通过放大倍数为5000 倍和10000 倍的图像可以看出，粒间孔隙比较多且大，孔隙缺少黏粒的填充，颗粒表面存在细小的晶体，这是红黏土中本身就含有的矿物物质，而且通过图像可以看出颗粒间的连接力弱，结构强度不高，但灵敏度高，土体的压缩性较好。

图5 黏粒掺量0%

图6 、7、8 分别为黏粒掺量为5%、10%和15%的重塑红黏土在不同放大倍数下的SEM 图像。通过放大倍数为200 倍的图像均可看出掺入黏粒后的重塑红黏土中颗粒分布不均匀，大小不一且复杂。放大倍数为1000倍的图像可以看出，在局部黏粒填充了红黏土的孔隙，黏粒掺量越高，土样看起来越细密，土样看起来像是被吸附在一起，这是由于黏粒的作用，将大大小小的红黏土颗粒连接起来。观察放大倍数为5000 倍和10000倍的图像可以看出，随着黏粒掺量的增加，土样的孔隙越来越小，这是因为黏粒填充了土体的孔隙，形成了聚集体，在放大倍数为10000 倍的图像中可以看出，这些团聚体以面-面接触、边-面接触、边-边接触的形式连接，孔隙也在不断的减小。

图6 黏粒掺量5%

2.5 不同黏粒掺量红黏土剪切试验微观结构分析

本节通过微观角度分析压缩后的土样结构变化，本节选取的土样均为300 kPa 围压试验后的不同黏粒掺量的SEM 图像，在扫描电镜试验中土样必须为干土，所以试验结束后对土样进行干燥处理，然后进行扫描试验，探究剪切后土样的结构变化情况。本节选取放大倍数为200 倍和10000 倍的图像进行对比分析，分析低放大倍数与高放大倍数之间土样的微观结构，如图9、10 所示。

图7 黏粒掺量10%

图8 黏粒掺量15%

图9 黏粒掺量0%

图10 黏粒掺量5%

图9、10 为剪切后不同黏粒掺量试样干燥后的SEM图像，由低放大倍数的图像可以看出，剪切后的试样更为紧密，颗粒全都紧密地黏结在一起，土样表面有饱满的凹凸感与颗粒感；而通过高放大倍数的图像可以看出，压缩前的团聚体胶结连接被破坏形成了更大的团聚体，颗粒与团聚物之间以面-面连接的形式存在，黏粒掺量的不同，团聚体的大小也不同，黏粒掺量多的团聚体大，这是因为黏粒的增多，土体颗粒之间的连结力增强。这些团聚物之间存在着大大小小的孔隙，这些孔隙是水分的散失所留下的，并且很少可以观察到单独的片状颗粒，颗粒基本都是以团聚体的形式存在，每个团聚体之间存在着不同大小的孔隙。

3 结论

通过对不同黏粒掺量的红黏土进行三轴试验和扫描电镜试验，黏粒对红黏土的黏聚力和内摩擦角都有明显的影响，黏聚力随黏粒的增多而增大，内摩擦角反之。通过微观结构的分析，掺入黏粒后，土体的颗粒分布不均，大小不一且复杂化。黏粒会填充红黏土的孔隙，黏粒掺量越高，土样看起来越细密，黏粒会将颗粒紧密连结，而在剪切后，土体颗粒更加紧密，形成大小不一的团聚体，使得土体的孔隙不断减小。

桂林地区红黏土广泛分布，通过以上试验得出黏粒对桂林红黏土的影响，对工程性质的研究具有一定的实际意义，为红黏土这类特殊土的治理提供一定的帮助。