黏粒對紅黏土微觀結構及力學性質的影響

李蜀江，陶 騫，王慶豐，羅力夫，王良玉，萬明貴，劉秋林

（中國五冶集團有限公司，成都 610000）

紅黏土是一種特殊性土，作為建筑地基、建筑介質等在工程建設中運用的越來越多[1]。隨著社會經濟的發展，大量工程都面臨著紅黏土特殊的物理特性問題[2]。國內外諸多學者對紅黏土的研究也越來越廣泛。在對紅黏土的微觀結構性質研究中，張慧穎等[3]利用X-熒光光譜儀、掃描電子顯微鏡對昆明紅黏土的微觀結構及化學組成進行了探討，研究發現導致紅黏土有較高的液塑限是因為紅黏土中的膠結物游離氧化鐵具有較強的水化能力。紅黏土中的單元粒團導致土體具有高含水率。陳然等[4]為了研究滲透系數與干濕循環次數的關系，對紅黏土真空飽和、恒溫干燥后進行干濕循環，從微觀條件下觀察不同循環次數下孔隙的分布特點。在對紅黏土的力學及工程性質的研究中，譚羅榮等[5]為了詳細解釋紅黏土在工程力學性質中的不可逆性，提出了土體膠結結構模型，通過膠結離團解釋了紅黏土的特殊工程性能。談云志等[6]以壓實紅黏土為研究對象，提出限制膨脹法，從微觀角度探究不同狀態對紅黏土膨脹力的影響機制。方薇等[7]通過三軸試驗，固結試驗及膨脹試驗對武廣紅黏土的應力-應變、固結變形和脹縮變形進行了研究，發現紅黏土具有超固結性、固而不密，固結反剖面特性，中等壓縮性，其膨脹性較小而收縮性較強等變形特性。黃翔等[8]對紅黏土進行不排水三軸試驗，討論剪切帶形成的條件。試驗結果表明在三軸試驗中，剪切帶分為單一型、次單一型、雙縫T 型和多縫型4 種。孟曉宇等[9]對江西新鄉紅黏土在不同物態和應力狀態下進行動三軸試驗，研究在不同含水率和固結圍壓條件下，紅黏土破壞動應力-破壞振次關系、動黏聚力和動內摩擦角、動應變-動彈性模量關系以及阻尼比的變化規律。董金玉[10]、趙亞文[11-12]、蒲黍絛[13]、羅文俊等[14]均對紅黏土在不同含水率作用下進行了抗剪強度試驗，發現隨著含水率的增加，紅黏土的抗剪強度和黏聚力均減小。給出了黏聚力和內摩擦角的推薦范圍值。

黏粒是紅黏土的一種重要組成物質，在紅黏土中含量較大。桂林紅黏土中黏粒的主要礦物成分為高嶺石，含量最高可達90%[15-16]。呂海波等[17]在桂林理工大學雁山校區取土樣，通過凈水沉降試驗測得黏粒含量為61.27%，韋復才[18]通過對紅黏土進行基本土工試驗，發現黏粒含量一般在50%以上，工程地質性質上桂林紅黏土具有弱膨脹性、弱崩解性等特點。王良玉等[19]對不同黏粒含量的紅黏土進行裂隙試驗，探究黏粒對裂隙的影響及發展規律。本文通過向黏粒含量低的紅黏土中摻入不同比例的黏粒，對不同黏粒摻量的紅黏土進行掃描電鏡試驗和三軸剪切試驗，探究黏粒在紅黏土中的微觀結構及抗剪強度參數的變化。

1 試驗

1.1 基本物理指標

本次試驗用土取自桂林市某工地，對所取原狀土進行一系列的土工基礎試驗，基本物理指標見表1。

表1 基本物理指標

1.2 制備黏粒

對所取土樣進行顆粒分析試驗，測得土體的顆粒級配，本次試驗用土的顆粒組成見表2。

表2 顆粒組成%

d≤0.005 mm 的顆粒被稱之為黏粒[20]，因此本次試驗用土的黏粒含量為42.3%，然后利用凈水沉降的原理使用自制黏粒提取裝置制備黏粒[19]，然后以5%的梯度向低黏粒含量的土中摻入黏粒，然后進行掃描電鏡試驗和固結不排水三軸試驗。制備的黏粒如圖1 所示。

圖1 紅黏土黏粒

1.3 試驗方案

三軸剪切試驗：土樣干密度為1.4 g/cm3，含水率為35%，將黏粒按0%、5%、10%、15%的比例摻入土樣，制備體積為96.01 mm3的三軸試樣，對其進行不同圍壓下的固結不排水剪，分析黏粒對抗剪強度的影響。

掃描電鏡試驗（SEM）：對黏粒進行電鏡掃描試驗觀察其微觀結構，對加入黏粒后的紅黏土進行電鏡掃描試驗觀察，通過觀察分析黏粒在紅黏土結構中的形態。對進行完三軸試驗的紅黏土試樣進行掃描電鏡試驗，觀察土樣中土體結構的變化。

2 試驗結果分析

2.1 三軸剪切試驗

對不同黏粒摻量的紅黏土進行固結不排水剪試驗，試驗結果如圖2 所示。

通過觀察圖2 可以看出，黏粒摻量為0%的紅黏土剪切峰值為83.6～548.5 kPa，黏粒摻量為5%的紅黏土剪切峰值為101.8～569.2 kPa，黏粒摻量為10%的紅黏土剪切峰值為165.3～507.1 kPa，黏粒摻量15%的紅黏土剪切峰值為124.8～558.8 kPa；無論黏粒摻量為多少，在100 kPa 低圍壓時，應力-應變曲線先升高，后期基本保持水平發展，土體發生塑性變形，達到硬化狀態。在200、300、400 kPa 高圍壓階段，紅黏土的應力-應變曲線在拐點之前發生彈性變形，之后應力-應變曲線一直處于上升狀態，土體達到強塑性狀態。

圖2 不同黏粒摻量應力-應變曲線

黏粒含量對土體的應力-應變曲線存在影響，黏粒含量增大時，紅黏土的偏應力隨著圍壓的增大會先增大后降低，但部分曲線的拐點產生的較晚，這是由于在配土過程中，黏粒在土體中分布不均勻造成的，而有的曲線在后期發生突變也是由于黏粒分布不均勻的情況而對試驗產生影響。黏粒摻量的不同，對土體的應力應變會產生較大的影響。

2.2 黏粒對紅黏土黏聚力和內摩擦角的影響

通過繪制有效應力摩爾圓，得到土樣的有效應力指標，通過所得黏聚力與內摩擦角繪制相應的曲線，如圖3 所示。

圖3 黏粒對紅黏土抗剪強度參數影響

由圖3（a）可知，不同比例的黏粒對紅黏土的黏聚力影響明顯，黏粒摻量對黏聚力c 值得改變很大，黏聚力隨著紅黏土黏粒摻量的增加不斷逐級遞增。添加少量黏粒時，黏聚力變化的幅度比較小；隨著黏粒的不斷添加，黏聚力會不斷上升。這是由于黏粒都是由次生礦物和倍伴氧化物組成，紅黏土中總是存在著不同厚度的結合水膜，當加入黏粒后，倍伴氧化物會與結合水膜發生反應，使土體的連結更加緊密，所以土體的黏聚力會增加。

由圖3（b）可知，黏粒對紅黏土的內摩擦角影響也很明顯，與天然紅黏土相比，黏粒摻量對紅黏土內摩擦角A 的改變也很大，內摩擦角隨著黏粒摻量的增加逐級遞減。內摩擦角由18～22°降低到15～16°。內摩擦角的變化與土粒的粗糙度有關，隨著黏粒的增加，黏粒會將土體的孔隙填充，使得土顆粒表面粗糙度減小，從而使內摩擦角減小。

2.3 黏粒微觀結構

在本次試驗中，黏粒是極為重要的一部分，黏粒在紅黏土中起到的作用至關重要，為了探究黏粒在紅黏土中的分布形態，因此對所制取的黏粒進行了掃描電鏡試驗，通過觀察黏粒的微觀結構，從微觀角度來分析黏粒對紅黏土物理力學特性的影響。黏粒的微觀結構圖如圖4 所示。

圖4 黏粒微觀結構圖

觀察圖4，黏粒放大200 倍，此時的黏粒就像是很多細小的粉末顆粒平鋪在一起，圖中凹下的部分為導電膠，沒有黏粒分布，從200 倍的SEM 圖像中可以大概看出孔隙，黏粒都是致密的堆積在一起。放大倍數為1000 倍，此時可以看到黏粒中的小固體顆粒，黏粒的分布都是由大小不一的顆粒緊密均勻地堆積在一起，致密松軟。當放大倍數為5000 倍時，黏粒中也存在很多的孔隙，并且可以看出晶體的存在，這是黏粒中的礦物，這些礦物咬合堆積在一起。當放大倍數為10000倍時，黏粒的表面附著一層層“毛絨”物，通過這些“毛絨”物可以將土體顆粒緊密的連接起來，從而使土體的孔隙減小，使土體的強度增加。

2.4 不同黏粒摻量紅黏土微觀結構分析

對不同黏粒摻量的紅黏土進行掃描電鏡試驗，觀察其微觀結構，分析黏粒在紅黏土中的作用。

圖5 是黏粒摻量為0%的紅黏土SEM 圖像，通過放大倍數為200 倍和1000 倍的圖像可以看出，顆粒形狀大小不一且復雜多樣化，有的顆粒極大而有的顆粒則像粉末一樣極其細小。通過放大倍數為5000 倍和10000 倍的圖像可以看出，粒間孔隙比較多且大，孔隙缺少黏粒的填充，顆粒表面存在細小的晶體，這是紅黏土中本身就含有的礦物物質，而且通過圖像可以看出顆粒間的連接力弱，結構強度不高，但靈敏度高，土體的壓縮性較好。

圖5 黏粒摻量0%

圖6 、7、8 分別為黏粒摻量為5%、10%和15%的重塑紅黏土在不同放大倍數下的SEM 圖像。通過放大倍數為200 倍的圖像均可看出摻入黏粒后的重塑紅黏土中顆粒分布不均勻，大小不一且復雜。放大倍數為1000倍的圖像可以看出，在局部黏粒填充了紅黏土的孔隙，黏粒摻量越高，土樣看起來越細密，土樣看起來像是被吸附在一起，這是由于黏粒的作用，將大大小小的紅黏土顆粒連接起來。觀察放大倍數為5000 倍和10000倍的圖像可以看出，隨著黏粒摻量的增加，土樣的孔隙越來越小，這是因為黏粒填充了土體的孔隙，形成了聚集體，在放大倍數為10000 倍的圖像中可以看出，這些團聚體以面-面接觸、邊-面接觸、邊-邊接觸的形式連接，孔隙也在不斷的減小。

圖6 黏粒摻量5%

2.5 不同黏粒摻量紅黏土剪切試驗微觀結構分析

本節通過微觀角度分析壓縮后的土樣結構變化，本節選取的土樣均為300 kPa 圍壓試驗后的不同黏粒摻量的SEM 圖像，在掃描電鏡試驗中土樣必須為干土，所以試驗結束后對土樣進行干燥處理，然后進行掃描試驗，探究剪切后土樣的結構變化情況。本節選取放大倍數為200 倍和10000 倍的圖像進行對比分析，分析低放大倍數與高放大倍數之間土樣的微觀結構，如圖9、10 所示。

圖7 黏粒摻量10%

圖8 黏粒摻量15%

圖9 黏粒摻量0%

圖10 黏粒摻量5%

圖9、10 為剪切后不同黏粒摻量試樣干燥后的SEM圖像，由低放大倍數的圖像可以看出，剪切后的試樣更為緊密，顆粒全都緊密地黏結在一起，土樣表面有飽滿的凹凸感與顆粒感；而通過高放大倍數的圖像可以看出，壓縮前的團聚體膠結連接被破壞形成了更大的團聚體，顆粒與團聚物之間以面-面連接的形式存在，黏粒摻量的不同，團聚體的大小也不同，黏粒摻量多的團聚體大，這是因為黏粒的增多，土體顆粒之間的連結力增強。這些團聚物之間存在著大大小小的孔隙，這些孔隙是水分的散失所留下的，并且很少可以觀察到單獨的片狀顆粒，顆粒基本都是以團聚體的形式存在，每個團聚體之間存在著不同大小的孔隙。

3 結論

通過對不同黏粒摻量的紅黏土進行三軸試驗和掃描電鏡試驗，黏粒對紅黏土的黏聚力和內摩擦角都有明顯的影響，黏聚力隨黏粒的增多而增大，內摩擦角反之。通過微觀結構的分析，摻入黏粒后，土體的顆粒分布不均，大小不一且復雜化。黏粒會填充紅黏土的孔隙，黏粒摻量越高，土樣看起來越細密，黏粒會將顆粒緊密連結，而在剪切后，土體顆粒更加緊密，形成大小不一的團聚體，使得土體的孔隙不斷減小。

桂林地區紅黏土廣泛分布，通過以上試驗得出黏粒對桂林紅黏土的影響，對工程性質的研究具有一定的實際意義，為紅黏土這類特殊土的治理提供一定的幫助。