鄂北膨胀土的微组构特征试验研究

毛天尔， 夏 林

(1.武汉理工大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430070； 2.武汉理工大学设计研究院， 湖北 武汉 430070)

鄂北岗地是湖北省主要的膨胀土分布区域之一。70年代以来，随着工程建设的增加，膨胀土的危害日益显现，或基础变形，引起建筑物垮坍，或边坡失稳，引起渠道或结构物破坏，因之造成的经济损失十分严重。为此，我国学者尤其是湖北的学者对鄂北膨胀土开展了深入研究，取得了一些成果。

膨胀土的微组构是指土在一定地质环境和条件下，土粒和粒团的排列方式，微孔隙与微裂隙的大小、形状、数量及其空间分布与弃填情况，接触与连结方式等所构成的微结构特征。近年来，人们愈来愈重视膨胀土微组构的研究，试验研究表明，微组构也是决定和影响土质的极其重要因素，在土的天然结构不受扰动的情况下，膨胀土的膨胀与收缩特性，强度特性以及变形性质，在很大程度上取决于膨胀土的原始结构特征。微组构一方面反映膨胀土形成条件，另一方面也是决定膨胀土物理力学以及其它性质的重要因素，这是认识膨胀土强度形成的理论基础[1～7]。本文将以鄂北膨胀土为对象，从其微组构特征的角度，研究微组构特征对膨胀土性质的影响。

1 试验概况

取无污染的结构未受扰动的膨胀土样品约3000 g，试验采用日本生产的JSM-5610LV型扫描电子显微镜(SEM)，高真空模式分辨率为3.0 nm，低真空模式分辨率为4.0 nm，放大倍数18～3×106，图像种类为二次电子像或背散射电子像。利用SEM研究膨胀土时，在样品放入仪器前必须风干，切成直径为20 mm，厚3 mm的土饼，然后再切割成两部分，以暴露出未受影响的新鲜表面供研究。对试样表面进行真空离子束溅射喷金镀膜，然后移至样品台进行SEM观察，对感兴趣的对象拍摄SEM图像，并记录下来。

2 膨胀土的微观结构特征

膨胀土在成土过程中，由于温度、湿度和压密等作用以及由不均匀胀缩效应引起的体积变化和土内复杂的物理化学的一个力学效应结果密切相关[8]。鄂北膨胀土由致密结构面(图1)和裂隙组合而成的裂隙结构体(图2)构成细观结构特征。此外，膨胀土体中产生的不均匀应力对导致结构面的形成起主要作用。裂隙结构体中的微裂隙成网状结构，纵横交错，裂面粗糙。胀缩效应所形成的水平应力差产生的缓倾角裂隙，裂面具腊状光泽。

图1 致密结构

图2 裂隙结构

细观结构面力学效应与其形态特征密切相关。裂隙结构面形态呈不规则的波状起伏曲面和平直面。当剪切沿波状起伏曲面发生时，结构面的力学效应就与起伏度的大小有关。此外，结构面的力学强度还与粘土矿物成分、风化程度、含水量大小等密切相关。上述结构面无论是张开还是充填的，都为水分的迁移和湿胀干缩创造了条件，对路堤和边坡的稳定造成不利影响。

3 膨胀土矿物形态特征

鄂北膨胀土的矿物形态各异，粒间孔隙大小不匀。高岭石呈六方片状，粒间孔隙为3～20 μm；伊利石呈叶片状，粒间孔隙为2～10 μm；石英为棱角状，嵌入到粘土矿物的集合体中；菱面状的方解石常被粘土矿物所包裹。由于矿物粒间的微孔隙易于吸附和存储水分，一旦因水侵蚀就会产生粒间膨胀。膨胀土粘土矿物结构单元是两层二氧化硅和一层三氧化二铝组成，因层间联结很弱，水分子可渗入层间，生成水夹层，产生晶架结构内膨胀，从而可激发膨胀土页岩迅速崩解，成为膨胀土页岩潮解的重要形成机制。

4 膨胀土微组构类型

4.1 基本颗粒排列

鄂北膨胀土的基本颗粒排列包括粘土片形状呈波状或揉皱状，并能排列成许多外形。其中，最普遍的是“紊流结构”(图3)，其结构单元以片状和扁平状颗粒为主，含有粒状颗粒，它们之间形成似山洞小溪流水似的结构。从总体来看，片状，扁平状颗粒有一定的定向趋势。包括面-面结合和边-边结合的粘土磷片，但性质上都是致密的和强烈褶皱式揉皱的。

图3 紊流结构

鄂北膨胀土的颗粒排列也包括粘土片展现出一种以边-边结合和面-面结合的“层流结构”，即定向排列结构，其基本结构单元为片状和叠片状颗粒。它们以面-面接触为主构成高度定向排列结构(图4)。在光滑裂隙面上常可见高度定向排列薄层，土体中有时也可看到这种局部高主向排列结构。以及全部簿片状线列都展现出在某一优势方向上，这取决于含有的阳离子种类。膨胀易发生在粘土片间或粘土片内和粘土片间，尤其在经受过干湿循坏的干燥土中易发现。在超固结膨胀粘土中，常见有水平向的优势方向，当有大的粉粒和砂粒存在时，则平行化被阻止和减弱，形成扰动的层流结构。

图4 层流结构

鄂北膨胀土的颗粒排列还包括似晶体形粘土鳞片间的互作用，以及膨胀粘土鳞片包被粉砂或砂粒间的互作用(包被颗粒-颗粒排列)，在包被颗粒-颗粒接触的情况下，膨胀经常发生在接触点互生的包被层间。在有胶结物存在时，形成所谓的胶粘式结构，其结构单元可以是单粒体和团粒体，也可以是片状体和叠片体，它们之间可以各种形式接触，然后，被一层糊状物包裹，单元体有明确的边界和清晰的轮廊(图5)。

图5 胶结结构

此外，鄂北膨胀土的颗粒排列可见粒状堆积结构(图6)，基本结构单元主要为聚集体和单粒体，它们存在于以高岭石为主或含石英杂质的土中。

图6 粒状堆积结构

4.2 颗粒组合

颗粒组合是由各种基本颗粒排列的阵列形成的颗粒组织单元，它包括基质、团聚体及连结物。基质是一种向三度空间延展的组合根，据其组分排列可进行分类。例如，包括颗粒-颗粒接触形成颗粒状基质，紊流或层流粘土形成粘土基质。

团聚体实际上是一种单个或多颗粒作用的组合，通常由紊流粘土基质排列组成，其内部可嵌入粉粒、砂粒或较小的团聚体。团聚体一般呈规则的或圆形次角形状，相当于砂粒大小。干湿交替是团粒发展的一种可能机制，团粒结构、联结、稳定性及团粒内和团粒间伴生孔隙性在收缩和膨胀性状中具有重要作用。连结物是一种把粉砂粒、砂粒或团聚体连结式搭接起来的组合。它包括紊流粘土基质排列和胶结物，一般是碳酸钙，有时也可能是其他物质。

团聚体和连结物与颗粒-颗粒接触形成颗粒状基质一样，都具有压缩倾向。在较小荷载作用下，随着水的浸进，活性粘土便包围颗粒，并形成团聚体而膨胀，因此保持了稳定的全部膨胀。然而，在较大的剪切荷载作用下，随着水的浸进，团聚体和连结物则在包被颗粒接触点上发生滑动，发生破裂和粉碎，导致颗粒和组合间孔隙发生压缩。

4.3 复合微组构

正如基本颗粒排列结合成颗粒组合一样，这些单个组合则结合成综合或复合微组构，复合微组构组织显露出某些其它特征。从微组构特征和定义来看，对于大多数的膨胀土来说，不可能仅有某一种结构特征，而往往是各种结构的综合，如紊流结构中嵌入粒状颗粒后则形成了复式结构。

团聚体形状一般是块状的、不规则的或次棱角状的，而团聚体连接界面可以是部分地或全部地被磨光，孔隙的不连续性是以贯通组合孔隙的形式出现，其形状可以是不规则的，或者是裂隙和层面形式，或者是不规则定向和散布的波浪面状孔隙。贯通组合孔隙及团块内孔隙，都允许膨胀势有一些消耗，以及增加土体的渗透性，因此膨胀率也相应增大。

鄂北膨胀土微团聚体群排列混乱，受粘粒矿物伊利石的影响，团聚体间相嵌较紧密，这种结构反映出土体的工程性质相对较好。但普遍发育着微孔隙与微裂隙，无论在颗粒、团聚体或颗粒、团聚体组合体间，都分布有各种大小不同，形状各异的微孔隙与微裂隙，尤其是微裂隙，它是构成膨胀土特有的微结构特征的重要组成部分。微孔隙与微裂隙的存在有利于水的渗入与排出，为团聚体的胀缩创造水分迁移变化的必要条件，这直接影响膨胀土的工程性质。

5 改性膨胀土微组构特征

为了研究膨胀粘土颗粒与石灰和粉煤灰之间的机理，将石灰和粉煤灰处理前后的土样分别进行SEM图像分析。可知石灰和粉煤灰处理前后的土样的颗粒组合为颗粒-颗粒接触形成颗粒状基质。它包括颗粒基质、团聚体及连结物。没有了膨胀土颗粒排列的粘土片形状呈波状或揉皱状，和以片状和扁平状颗粒为主形成似山洞小溪流水似的结构。由于石灰对膨胀粘土颗粒有絮凝作用，使土颗粒的组织结构发生变化，减小了粘粒含量，因而也就相应减小了土的膨胀与收缩[9](图7)。粉煤灰对粘土颗粒也具有一定的絮凝作用，其次粉煤灰自身是一种细颗粒的无粘性材料，由于掺入量较大，人为地减小了膨胀土的粘粒含量，因而减小了塑性指数(图8)。

(a)

(b)

(c)

(d)图7 粉煤灰改性膨胀土的微结构

另有学者利用EDX分析膨胀土颗粒连接点成分，利用X射线能谱技术测定膨胀土SEM图像中任意点的化学元素组成。结果显示，膨胀土的化学成分含量虽有差异，但主要是SiO2、Al2O3和Fe2O3，三种氧化物总量为84.11%。这一现象表明，在粗颗粒中石英矿物相对富集，而细小的粘土颗粒中铝硅酸盐粘土矿物相对富集，而膨胀土经石灰和粉煤灰改性处理后，增加了膨胀土中的CaO和MgO组分的含量，减小了Na2O和K2O成分含量[10]。这对解释石灰和粉煤灰处理膨胀土的机理也具有重要的意义。

(a)

(b)

(c)

(d)图8 石灰改性膨胀土的微结构

6 结 论

利用扫描电子显微镜(SEM)研究鄂北膨胀土的微观结构形貌。观察到了微组构形式种类和许多组构组织等级，并且显示出其中每个涉及膨胀状态的意义。提出表征鄂北膨胀土特征的微组构类型，揭示了膨胀土微组构与工程性状的关系和导致膨胀和收缩的内在原因，并得到如下结论：

(1) 已鉴定出鄂北膨胀土多种主要微组构形式。基本颗粒排列除具有紊流结构和层流结构外，其微结构也表现了一定的粒状堆积结构、胶结式结构特征。

(2) 鄂北膨胀土微结构单元以颗粒、团聚集体单元为主，集结成堆，片状、扁平状颗粒具有一定的定向趋势。颗粒组合包括基质、团聚体及连结物。基质主要包括颗粒—颗粒接触形成颗粒状基质，紊流或层流粘土形成粘土基质；连结物包括紊流粘土基质排列和胶结物，颗粒连结比较松散，组合间孔隙性比较显著。

(3) 鄂北膨胀土普遍发育着微孔隙与微裂隙，孔隙的不连续性是以贯通组合孔隙的形式出现，微孔隙与微裂隙的存在有利于水的渗入与排出，为团聚体的胀缩创造水分迁移变化的必要条件，并直接影响膨胀土的工程性质。

(4) 石灰和粉煤灰处理前后，土样颗粒组合为颗粒—颗粒接触形成颗粒状基质。由于石灰和粉煤灰对膨胀粘土颗粒有絮凝作用，使土颗粒的组织结构发生变化，减小了粘粒含量，因而也就相应减小了土的膨胀与收缩。此外，粉煤灰自身是一种细颗粒的无粘性材料，由于掺入量较大，人为地减小了膨胀土的粘粒含量，因而减小了塑性指数。

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