濕陷性粉質黏土的組成成分及細觀特征

(中國鐵道科學研究院，北京 100081)

濕陷性粉質黏土環境穩定性差，遇水軟化，壓縮性顯著增大，易引起路基沉降[1-2]。隨著科技的發展，掃描電子顯微鏡以及各類先進測試技術被應用于土的濕陷性研究，使濕陷機理的研究由宏觀走向微觀[3-4]。文獻[5-7]采用電子顯微鏡等技術研究了中國西北地區濕陷性黃土的微觀結構特征，認為骨架顆粒礦物的接觸形態、膠結物的連接形態與膠結程度、孔隙特征是決定黃土工程性質的主要結構特征，黃土的濕陷破壞主要是土中骨架顆粒膠結的破壞；黃土中的膠結物主要是以碳酸鈣以及伊利石為主的黏土礦物，其次是其他水溶鹽和腐殖質，微晶粒狀碳酸鹽類與細粒膠結物呈薄膜狀黏附在骨架顆粒表面，起膠結作用，是構成黃土結構強度的重要組成部分。文獻[8-9]研究認為黃土的物理力學性質較為復雜，且與黃土自身的組成成分、結構有著密切的聯系。文獻[10]結合掃描電鏡分析了黃土濕陷過程中各組成單元微觀結構的變化，引入方向性孔隙度函數，認為黃土的濕陷變形過程就是土體由初始穩態到非穩態再至穩態的變化過程，在此過程中土的孔隙結構系數由小到大再變小。文獻[11]提出了利用立體測量技術描述孔隙分布方向性的思路并給出了一套利用掃描電鏡來確定方向性孔隙比的計算方法，通過推導可以分析不同方向上的孔隙度，得出方向性孔隙度函數，從而評價孔隙度變化。文獻[12]通過分析粒度和礦物成分研究了黃土的黏土礦物成分及其分級荷載下的微結構演化規律，研究表明棕紅黏土和褐黃粉土在粒度組成上差異很大，黃土在壓力作用下的微結構變化主要體現在棕紅黏土內，由原集粒支架中孔半膠結結構轉變為集粒鑲嵌小孔膠結結構。同時，土的濕陷過程是骨架顆粒重分布的過程，濕陷性機理在于其特殊礦物成分和獨特的微觀結構。本文以東北地區的濕陷性粉質黏土為研究對象，通過X衍射礦物試驗以及掃描電鏡進行試驗，分析其礦物組成成分以及浸水后結構變化特征，從而得出粉質黏土濕陷性成因。

1 濕陷性粉質黏土礦物組成成分分析

通過開挖探井取得原狀地基表層粉質黏土試樣進行雙線法濕陷性試驗，共分為18組，得到粉質黏土的濕陷系數(見表1)。按照TB 10038—2012《鐵路工程特殊巖土勘察規程》中室內濕陷性試驗濕陷程度進行判斷，共有14組濕陷系數δ>0.015，具有輕微至強烈濕陷性，具有濕陷性的粉質黏土平均濕陷系數為0.042。

表1 粉質黏土濕陷性

該地區地基粉質黏土普遍具有濕陷性，通過X衍射礦物分析試驗以及易溶鹽、難溶鹽、有機質試驗分析其礦物組成。

1.1 X衍射礦物分析

X光衍射(X-Ray Diffraction)分析是依據不同礦物晶體X光射線衍射的不同強度和角度鑒別晶體礦物的方法。將粉質黏土樣品粉碎至粒徑小于1 mm，采用水懸浮液分離方法或離心分離方法分別提取粒徑小于10 μm和小于2 μm的黏土礦物樣品。粒徑小于10 μm 的黏土礦物樣品用于測定黏土礦物在原巖中的相對含量；粒徑小于2 μm的黏土礦物樣品用于測定各種黏土礦物種類的相對含量。將所要分析的各常見非黏土礦物含量與黏土礦物總量加在一起作為100%來計算，得到各礦物晶體的相對含量。

X衍射共分析3處不同位置的探井不同深度的粉質黏土試樣，共6組。X衍射礦物晶體分析結果見表2。不同位置以及深度處粉質黏土試樣成分基本接近，粉質黏土中礦物成分主要為石英(35%～66%)、斜長石(12%～29%)、微斜長石(7%～8%)，同時含有方解石(4%～8%)、蒙脫石(8%～15%)和少量伊利石(2%～5%)。

1.2 鹽類以及有機質分析

表2 X衍射礦物晶體分析結果

表3 鹽類以及有機質含量

1.3 組成成分對比分析

該地區濕陷性粉質黏土與我國西北地區常見濕陷性黃土組成成分見表4。可知，東北地區濕陷性粉質黏土主要粗顆粒成分為石英和長石，與常見濕陷性黃土粗顆粒礦物成分相似，而粉質黏土細顆粒礦物成分為蒙脫石，常見的濕陷性黃土細顆粒礦物成分為伊利石。同時，粉質黏土中易溶鹽含量總體相對于濕陷性黃土要低，難溶鹽CaCO3含量約為11%～17%,與濕陷性黃土中的CaCO3含量相近。

表4 各類濕陷性土組成成分

2 濕陷性粉質黏土細觀形貌分析

圖1 濕陷性粉質黏土掃描電鏡細觀形貌圖像

通過帶有EDS(Energy Dispersive Spectrometer)X光微區分析功能的掃描電鏡對比天然狀態下試樣與在一定壓力下浸水后的試樣細觀形貌。浸水后試樣采用浸水快速固結的方法對試樣進行前期處理，40 ℃烘干24 h，用斜口鉗取直徑約8 mm、高度約5 mm小試塊放入掃描電鏡試驗臺上進行試驗。粉質黏土掃描電鏡細觀形貌圖像見圖1，分別從單個顆粒尺寸(約20 μm)和土體整體表觀尺寸(約200 μm)2種維度對浸水前后粉質黏土細觀形貌進行分析。圖1(a)中原狀粉質黏土顆粒表面有絮狀包裹物，而圖1(b)中粉質黏土顆粒表面較為光滑，浸水后絮狀包裹物有明顯的脫落現象，同時在土樣表觀尺寸狀態下也能觀察到類似的現象。粉質黏土在水和一定壓力作用下，起骨架顆粒膠結作用的結構遇水發生部分分解，導致膠結物脫落，從而在很大程度上喪失其膠結功能，使得骨架顆粒脫離約束而重新排列，宏觀上表現為濕陷特性。

3 濕陷性粉質黏土微區元素分析

借助掃描電鏡附帶的EDS系統可以對一定區域的元素構成進行分析，借由此方法對粉質黏土掃描電鏡圖像中的膠結物和顆粒進行微區元素分析，見圖2。圖2(a)中區域1為明顯絮狀包裹物膠結區域，區域2為顆粒區域。

圖2 濕陷性粉質黏土微區成分分析圖像

膠結物和顆粒的元素成分分析結果見表5。微區元素分析對于氧以前的原子序數較小的元素測試結果不準確，分析結果中只顯示原子序數在O之后的元素。

表5 濕陷性粉質黏土不同區域元素成分分析結果

由表5可知，膠結物中主要元素為O,Al,Si,Ca，結合粉質黏土的礦物成分進行分析，膠結物主要為碳酸鈣與蒙脫石相互膠結的鈣質絮狀物；而土顆粒的主要元素為O,Na,Al,Si，主要礦物成分為石英、長石等硅酸鹽礦物，膠結物中鈣元素明顯高于顆粒處。粉質黏土中起膠結作用的是碳酸鈣與蒙脫石相互膠結的鈣質絮狀物，浸水后脫落導致顆粒間膠結程度減弱，顆粒重分布導致濕陷性變形。

4 結論

通過對濕陷性粉質黏土組成成分、細觀形貌以及微區成分的分析，得到主要結論如下：

1)濕陷性粉質黏土主要粗顆粒成分為石英和長石，主要細顆粒成分為蒙脫石，易溶鹽含量極少，含有一定的難溶鹽碳酸鈣，具有與濕陷性黃土類似的礦物成分組成。

2)膠結物中鈣元素明顯高于顆粒處，顆粒間膠結物是碳酸鈣與蒙脫石互相膠結的鈣質絮狀包裹物。

3)粉質黏土的膠結強度受制于顆粒間膠結的絮狀包裹物，浸水后一定壓力下絮狀包裹物剝落導致土骨架間膠結程度降低，膠結強度減弱，使得骨架顆粒脫離約束而重新排列，宏觀上呈現出濕陷變形的特性。