合徐高速公路南段膨胀土矿物成分及微结构

PAGE11合徐高速公路南段膨胀土矿物成分及微结构摘要:本文运用X射线衍射、偏光显微镜、扫描电镜以及化学全分析综合方法，对合徐高速公路南段膨胀土的矿物组分及微结构等方面进行较为深入的研究，探明其特殊的工程性质不仅与膨胀土的矿物组分，阳离子交换量有关，更与其微结构密切相关，特别是其结构联结特征；膨胀土的胀缩特性随着粘土矿物含量的增大，特别是蒙脱石，阳离子交换量能力的增强而增强；土的微结构是控制膨胀土的胀缩性的另一个重要因素，随着粘土基质中的卷曲片状物质的增多而增强，而膨胀土的物理力学性质很大程度上取决于膨胀土粘土颗粒之间的结合连接程度。关键词：膨胀土;胀缩性;微结构;矿物成分;合徐高速公路南段前言合徐高速公路分南北两期修建，其中南段南起肥东，北至蚌埠，沿线所经的肥东、定远、凤阳以及蚌埠四个县市均有膨胀土分布，目前，对沿线各地膨胀土已做了最优掺灰率的研究，并在工程设计和施工中得到应用[1,2]。要全面了解研究区内膨胀土的工程地质性质，还须对其矿物组分以及微结构进行深入研究。本文仅对肥东、定远以及凤阳三地的膨胀土进行研究，进一步探讨膨胀土工程特性的本质特征。地貌、气候条件及膨胀土地层1—第四纪近代堆积物2—1—第四纪近代堆积物2—第四系下蜀组（含膨胀土）3—第三系戚家桥组、望虎墩组4—白垩系浮山组、朱巷浮山组、朱巷组5—中晚震旦系硅质灰岩6—早震旦系石英岩夹页岩图1合徐高速公路南段地貌及膨胀土分布剖面图Fig.1收稿日期：2004-10-21；修订日期：2004-11-17作者简介：柏立懂(1979–)，男，在读工学硕士研究生，从事岩土工程与测试技术的研究。E-mail：之间，仅在蚌埠－淮南山地海拔相对较高。研究区地处长江、淮河两大水系之间，地形以平原为主，兼有残丘、河间洼地、河漫滩以及较多的人工沟渠。总体上，地势比较平坦，海拔较低，大部分地区处于盆地之内。研究区属亚热带温湿季风气候区，气候温和，雨量适中。多年平均气温为15~17℃，冬季平均气温为-3℃，以12月份和1月份最冷，极低温度可达-20℃，夏季平均气温为34℃左右，以7、8月份为最热，极高可达41℃。冬夏较长，春秋较短，较适合膨胀土的发育生成。区内膨胀土一般分布在Ⅱ级或Ⅱ级以上的阶地、山前丘陵地区，个别分布在Ⅰ级阶地，埋藏较浅，常见于地表。研究区内的膨胀土形成的地质年代大多为第四纪中晚更新世(Q2-3)，地层为下蜀组，其它的地层均未发现有膨胀土的存在。据野外肉眼及偏光显微镜下观察发现研究区内的膨胀土均属于第四纪下蜀组的冲洪积膨胀土。矿物组分及粒度成分特征3.1研究区膨胀土中的矿物成分为了鉴定膨胀土中的矿物成分，以X射线衍射为主，结合偏光显微镜、扫描电镜以及化学全量分析对采自研究区内的膨胀土样做了综合鉴定。图2合徐高速公路北段膨胀土图2合徐高速公路北段膨胀土X射线衍射谱线Fig.2Diagramsofdiffractionofx-rayofexpansivesoilinM—蒙脱石，I—伊利石，K—高岭石，Q—石英，F—长石，C—方解石；图中数据单位均为Å试验所用X－射线衍射仪为日本理学电机株式会社生产的D/max-rB衍射仪，靶：CuKα、管电压：40kv、管电流：80mA、狭缝系统：DS＝SS＝1º，RS＝0.3mm、步进扫描、步长：0.01º。粘土矿物中，蒙脱石“M”、伊利石“I”和高岭石“K”分别以1.45nm、0.999nm和0.714nm附近的衍射峰为鉴定依据；在非粘土矿物中石英“Q”，以0.426nm和.0335nm为其特征衍射峰，长石“F”和方解石“C”分别以0.320nm和0.303nm附近的衍射峰为其特征峰（部分膨胀土X射线衍射谱线见图2）。妥众所周知垦，粘土矿溪物的准确同定量非常抬困难，最贡大的困难凉就是标准苗矿物的代皮表性问题办，不同产够地的粘性及土矿物的忠强度相差项很大，如毫蒙脱石的卷强度有时述可能会相辞差几倍，恭甚至更大悠，且自然闹界中也很研难得到纯甘净的蒙脱柏石。但膨索胀土中石耕英含量一萄般比较高歌，且定量杂也较为容绩易。为此奇，以刚玉颤为参考物吴质，运用码K奏值法庙[3]蚕完成石英川的定量，典在此基础德上，假定弊石英为原撑膨胀土样掘的参考物档质，再次死运用预K怀值法求出婚长石和方面解石的含占量。根据教所用仪器症设备对大亚量样品实跑验测出石糟英的晨0.33缩5nm皆峰、长石迁的探0.32衣0nm绝峰和方解库石的喘0.30旁3nm碍峰所对应据晶面权重烧系数比值阴为阳K蚁0专.帝335晚:K亮0兔.行320门:K稳0.30添3吧≈睬1:1.虽25:1草.1骆，从而计繁算出长石蒙和方解石鲜的相对含蹦量，将其恋和石英的烈含量累加从起来，则互粘土矿物罩的总含量恳就等于封100%构减去长石鼓与方解石柴的相对含玉量与石英诞含量之和觉的差值。狸根据试验慧所测出高逆岭石的邮0.71航4nm繁峰、伊利猜石的激0.99构9nm恒峰、蒙脱急石的汤1.45匪nm魂峰的权重干系数比为债K浪0连.膊714让:K字0.99粪9尘:K巾1.45肠≈吃1.3:梢2.95足:1例，最后运待用文献眉[4]持的方法计疑算出各自储的含量，斜X骂射线衍射功半定量分扮析结果见苍表雄1牛。颗如表恋1例所示，研汗究区内的贷膨胀土粘怜土矿物含础量中，蒙拼脱石的含华量变化范谎围为寻15.5疤%~19盈.73%城，伊利石更为趴28.3系9%~3富5.42料%灿，高岭石役的含量最杜大者为缴10.6爆2%宰，总体含血量比较低谈，石英等冒碎屑矿物贫的含量相观对比较高神，均大于却36%饺，这也是球影响膨胀付土的胀缩欲性的另一扑个因素，祝膨胀性随谨石英等矿锹物含量的穷增大，出在现逐渐递贺减的趋势粉。章表胃1鼓合徐高速尊公路南段封膨胀土棕X傻射线衍射袄半定量分勿析成果表非Tabl躬e1贵The祥half利-qu锯anti漫tati什veX辈DAr屯esul攀tof老exp烘ansi看ves唇oil肠in末况山碑垃窄犹签纲地点赤蒙脱石盖伊利石隆高岭石斗石英愤长石瓶方解石所凤阳僻1桨18.9惩0斥31.2裳7愤8.54桐33.2莫0夺8.09终0.00暮2光17.1植4管35.4条2陡8.89攀33.8搞9净4.65触0.00薯定远坑1泊16.7世4纹28.3烧9弓7.03谷41.5烟7疫6.27个0.00驻2永15.5慧0张32.8授5忠7.61戚38.1永9欢5.84昂0.00即肥东动1络18.2求7巡33.6窜5怀10.6内2滚31.6兴0以4.53持1.33宿2添19.7注3芽34.0惊9辜10.0狂3鲜30.5番7责4.50笋1.08舱(配2)少偏光显微慌镜下的中咱观结构特届征欠研究区内奴膨胀土薄始片在偏光胀显微镜下足观察（图漫3唇），发现跌其砂粒（愉＞明0.05原mm枪）主要由须石英组成渗，含少量蒜的长石、浓方解石以吴及云母等侦矿物组成宿，一般分恋散在粘胶尿颗粒构成篇的基质当颠中，互不惕接触，故关而不起骨研架作用。田此外，粘梅胶颗粒构浊成的基质遮中，还展铺布一些裂塔隙与孔隙无。其中凤监阳膨胀土据局部可见讨云母的定答向排列，质主要是沿缝裂隙的延丑伸方向展龙布烤(茄图拳3(1)钢)哑；而定远魔膨胀土未豆见云母的载片状矿物裙的定向排娘列，且裂砌隙也相对径少见，榴但孔隙相凉对比较发族育均(县图替3(2)迁)躁，肥东膨诸胀土的粘挤胶颗粒构危成定向排寸列比较明目显，砂粒稀较少，孔盾隙和裂隙缴也相对较姑少，同时所可见一些歌磨圆度比慌较好的泥有块无规则费分布于基察质中盛(许图攀3(3)鞋)倚。纵观上目述分析，呼三地膨胀磨土的基质穴各具特点锐，但又不粥乏共性，渴粘胶颗粒市为基质的剧结构特征活决定和影尽响着图3研究区内膨胀土的中观结构特征(+)Fig.3Moderatestructureofexpansivesoilinresearchregion(+)1—凤阳膨胀土，2—图3研究区内膨胀土的中观结构特征(+)Fig.3Moderatestructureofexpansivesoilinresearchregion(+)1—凤阳膨胀土，2—定远膨胀土，3—肥东膨胀土兽(悔3)秧扫描电镜痰下的微结斤构图4研究区内膨胀土的微结构特征Fig.4Microstructureofexpansivesoilinresearchregion1－凤阳膨胀土，2－定远膨胀土，2－肥东膨胀土戚在高倍数湾扫描电镜耻下观察，土发现凤阳闷膨胀土基捐质中的粘昆胶颗粒呈六叠聚体的访形式存在特，少见外尊形呈弯曲付的片状粘放粒存在，昆叠聚体本粪身叠聚得户十分紧密获，联结较稿强，并具虹有定向排手列的特征剂，微裂隙古较少，且魄微孔隙也氧比较小，仅微孔隙呈盾拉长形状蜘，长轴方笔向也具有解定向特征罩(甲图星4(1)蛋)乌；低倍数券扫描电镜棋下观察，青发现凤阳耐膨胀土基全质中发育棕一些裂隙浴和孔隙，集叠聚体定围向排列，趣呈似层流集状微结构顺特征。而筒在高倍扫证描电镜下夫观察，发按现定远膨动胀土的粘盐粒基质被就裂隙分割款成形状各党异的小块饥，粘土颗值粒以单片酱状的形式皆存在，但带片状颗粒忠一般呈平久片状，很督少见弯曲持的单片，贺少量片状烦颗粒呈稍样曲，边缘扯无规则，烛结构单元摸体多以微待集聚体或盛粘粒片浇呈妖“帽面－爆面爷”袄、追“独面－题边闲”航形式叠聚绸构成，很押显然，定座远膨胀土圾的片状颗奇粒相对多彻于凤阳膨匀胀土，裂桨隙也明显储增多，且似主要为垂聋向发育，仪裂隙连通查性比较好策，叠聚体宗之间的联选结程度较拖差川(博图热4(2)烤)坛；低倍数持扫描电镜进下观察，槽发现叠聚永体之间的楼展布具有刚一定的定吼向性，土铜体表面很皱不平整，回这主要是带由于发育背大量的垂掀向和沿层摆面方向的仓裂隙所致懂。与上述较两地膨胀壁土的微结芽构不同，俘肥东膨胀笨土的粘胶划基质主要粗以卷曲的秀片状形式摘存在，单蓬片极薄，者结构单元喊体之间的坝联结比较早松散，裂宁隙相当发痕育，具有丛明显的定按向排列特名征掏(斥图漏4(3)吵)状，片状颗匠粒定向排派列，具有附层流状微垮结构特征转。正是这委种结构特陶征，使得商肥东膨胀图4研究区内膨胀土的微结构特征Fig.4Microstructureofexpansivesoilinresearchregion1－凤阳膨胀土，2－定远膨胀土，2－肥东膨胀土控上述微观竖结构特征畜是研究区冤内膨胀土酒产生胀缩从特性的物樱质基础格体架，其格稠架中的裂巡隙或孔隙劲是渗水的债良好通道该，当水渗色入时，蒙飞脱石和伊形利石等粘故土矿物组纷成结构单季元体粘片河吸水膨胀姻，水膜增歼厚，反之矩，失水水虎膜减薄，巾脱水收缩误。投(非4)伸化学全量割分析师为检验只X姿射线衍射弄半定量分谅析的可靠蛾性，进行井了化学全日量分析耕(允表首2)弹。表突2庸中，定远充膨胀土中校SiO赶2铺的含量（锻69.6冲3%怕）最高，仪凤阳膨胀乡土次之，同肥东膨胀移土最小。除石英、乡SiO跃2构含量的变意化趋势均浩为：定远矮＞凤阳＞押肥东；同丝样肥东膨旧胀土的役CaO着含量最高留，凤阳膨女胀土和肥原东膨胀土躬的物质组浆分比较接禾近，这在鞠X刷射线衍射泉半定量分刺析中都可省得到证实耳。说明牙X编射线衍射委半定量分斥析的结果屯还是可靠什的。衬表萍2题合徐高速做公路南段远膨胀土化圈学全量分嗽析成果表键Tabl贞e2控The陆chem苹istr原yan国alys骆isr捡esul雨tof兄exp朱ansi书ves拒oil祥in挤坑躁艘冻惑殖巷胆地点歉SiO途2笼Fe面2选O聪3绿Al触2笔O四3窑TiO灶2燕CaO呜MgO哲P筑2蚕O印5抚MnO知K吐2柄O垄Na蛙2霸O帆FeO昏H息2扬O填+猛烧失量仓SiO历2递/R床2辟O纱3伶SiO挖2扬/Al樱2澡O猜3拖凤阳番67.2尺7础5.84俩15.4宁0斑0.83看1.18奶1.23陕0.03馒3但0.13罗0熔1.83屿0.86武0.06吓1楚5.54稼5.73追5.96覆8默7.41切3隙定远鸭69.6萄3扑4.69只14.1庭9套0.85何0.93苹1.14它0.07副0清0.04验7养2.05垒1.16梁0.39翁4.90蓝5.02倒6.87源6虽8.32质7暮肥东白66.7狐9漠5.96被14.9株0付0.77伪1.31南1.25沟0.03隆8器0.19叮0漠1.96很0.90参0.10呀5.82泄5.54剧6.05疯9扇7.60用7倍3.2河粒度成分体及阳离子朱交换量顶如表尊3蹄所示撇(篇按照《公适路土工试湖验规程》辰（吩JTJ0贫51野－冬93种）要求进租行防)助，三个地悦区膨胀土既的粉粒含宴量均小于兔粘粒含量顷，属于粘吴土，但粘会粒含量并爷不是很大舞，基本上俗只占总含倡量的赠50%违左右，甚惹至更低，知这就决定紧了研究区怜内的膨胀恩土所具有有的胀缩性直比较弱，边即为低膨敢胀土。胡表初3托合徐高速钻公路南段咬膨胀土的暖某些工程竹地质性质浑Tabl亚e3尖Some薪eng迷inee澡ring腿pro青pert永ies疤ofe而xpan鉴sive册soi丙lin渔碌销隶僚泉殊辟途尸地点哀粒度农(弊mm)板成分导%蜜物理水理庆性质撞物理力学浓性质霞物理化学渠性质索胀缩性质级>0.0须5细0.05就~0.0查05淡<0.0艘05喂比重梳G半g/c筑m腹3垒孔隙比父e拘液限较W航l夏%耽塑限刮W侮p纹%泉塑限指数唇I妖p绕压缩系数过a盏1-2齿MPa秩-1鹅压缩模量闻E活1-2鱼蜘MPa举粘聚力聋c养k据Pa戏内摩擦角拳φ所亦º现阳离子交根换量蝴(同CEC)刑me/唐100g他土扮自由膨胀钟率织F徒s谱%拦膨胀力碎P满e算kPa焦凤阳秧11.5交40.2续48.3财2.71交0.81希43.9妨0渗22.0闻0立21.9慎0粮0.23椒8.73存103丝15.0盘20.6批43.0迫0斧40.0蔬0殃定远饱13.4糖36.1筛50.5倚2.74层0.75分46.7踪0辞23.8阻0烫22.9雁0侄0.25假8.21艳109妈18.2愁26.4境55.0撤0摄55.0林0徐肥东运11.1堆41.3址47.6今2.74寒0.75乖47.7灵0垦23.9复0榜23.8教0熊0.26些7.77坟117阴18.4撑30.3置59.0高0坟65.0轮0狸土的阳离藏子交换量止对膨胀土驴胀缩性以漆及一些物土理水理性奔质的影响季也不容忽艰视。如表粘3头所示，不杯难看出研智究区内的绣膨胀土的悄阳离子交栏换量都在捏20me晓/100诊g羊土以上，遍但最大值烂仅为笑30.3尾me/1驾00g愧土，因而榨其液限以捕及胀缩性劝都相对比施较小，其拾胀缩性均边未达到中概等膨胀土抢。栽3.3奋膨胀土胀泄缩性特征林如表海3碌所示，研纲究区内的筑粘土的液榨限均大于普40%轧，塑性指近数也均大宋于奉20秀，自由膨现胀率均大骑于望40%己以及阳离哀子交换量危均在防20me石/100饼g恳土以上，母均为膨胀土土。比重敢在浑2.71须~2.7四4g/细cm打3垒之间，孔傲隙比在嚼0.71仗~0.8初1秧之间，而串压缩系数唇在市0.23劲~0.蒸26MP卫a持-1偶之间，属贡中等压缩网性，压缩芽模量在貌7.77域~8.7仓3MPa粪之间，其够中定远膨惰胀土和肥帮东膨胀土煌的粘聚力胳以及内摩希擦力比较矛大，凤阳滔膨胀土的蔽较两者小把些。区内萝膨胀土的仔膨胀势不晨是很强，久特别是凤炸阳膨胀土泡，自由膨宪胀率仅为黄43%询，膨胀力刊仅为轰40kP溪a见，液限也脉比较低，性但定远和局肥东膨胀念土的胀缩刑性相对比涨较强些，茧但其自由猎膨胀率也董不足差60%揭。趋尽管该区蚊膨胀土的找胀缩性比庙较低，但著在这些地届区修建公顾路和铁路笋等低负荷斑的路基工爷程时必须夫对膨胀土封进行改性短处理。结论哥合徐高速每公路南段国的肥东、蜓定远和凤希阳三地土侵均为第四粗纪下蜀组搂（洗Q暗2-3杏）的冲洪布积粘土具貌有弱的胀议缩性，属硬低膨胀土泉。包研究区膨蓄胀土的粘拿粒含量较杰高，自然早分散程度刻较高，粘惯粒含量在工47.6冰%~50桨.5%啦之间，这板是膨胀土砍具有胀缩页性的一个挤重要物质斜基础。恳该区膨胀洋土粘土矿掠物中以伊俭利石、蒙扶脱石为主慨，并含有敬一定量的抄高岭石，植它们主要陆赋存于粘挨胶粒组中单，而粘胶罩粒组重量同百分含量尽较高，碎猛屑矿物主湿要为石英顶、并有一算定量的长敲石和少朱量云母，量其中肥东练膨胀土还死可见很少归量的方解蕉石。碎屑膛矿物的含渡量增大将板会降低膨作胀土的胀僻缩性，研滩究区内，疯尽管各地票膨胀土的冈蒙脱石含蜓量都在董14浆％两-25%稠之间，应短属中等膨仇胀势土，捐而其仅具贷有低等膨著胀势。票微观结构社是膨胀土锡胀缩变形滨的结构基幸础，也是大膨胀土物辰理力学性厅质不同的舍根本原因额，膨胀土贱中的砂粒菊矿物含量蜡较少，无械规则分布洗于粘土颗蛮粒构成的岛基质中，折不起骨架扫作用，膨韵胀土的结茶构单元体耽多盖以耳“户面－考面界”家、垃“矛面－集边傻”峰叠聚形成公的叠聚体喂，局部可蔽见独立的蝶卷曲片状跪颗粒，具像有一定的董定向排列巧性，发育眉良好的层井间裂隙。墙其中肥东宵膨胀土具追有层流状锈微结构特邪征，其余硬两地具有鸟似层流状烫的微结构歉特征。参考文献协顾中华哨.展合徐高速涂公路沿线创地区膨胀务土最优掺挡灰率试验创研究洽[J]拼.培岩土工宾程技术亚,20揉03,觉5(5)丝:28森6-28疑8病．刺顾中华德.策合徐高速错公路南段拴膨胀土改园性研究及先膨胀土与最构造的关显系届[D].君盗合肥嫂:单合肥工业境大学地,20让02所．正GB52箩25-8漫5.跌金属材料槽定量相分围析医——切X河射线衍射勾K痕值法处[S]汪闵连太骆,脖黄凤贞忧.穷粘土矿物腥的忙X睁射线定量趴研究黑[J].肚所水文地质女与工程地怨质夏,19蔑94,惧(4):尿17-浮20叔．痛The稿mine趟ral迟comp怀osit逆ion重and塌micr迈ostr巩uctu昌reo侍fex喊pans勿ive草soil被in催sout平hpa餐rto且fHe碌-Xu捆expr纺essw寿ay仪Abst猛ract主:寺The这mine革ral补comp召osit细ion献and死micr秤ostr孩uctu惨reo决fex你pans岩ive测soil喊in浆sout挖hpa昼rto覆fHe赶-Xu架expr启essw忙aya馆res白tudi汗edm事ainl妈yby喇X-r录ayD漏iffr苏acti颂onA破naly耗sis耽(XDA泡),P馒arti抢alM费icro喊scop功e,S块cann能ing阁Elec标tron递Mic仰rosc庭ope茫(SEM差)an牙dCh稼emis猜try铜Anal谦ysis区in晨this反p