陳學軍

(1.桂林理工大學土木與建筑工程學院， 廣西桂林541004；2.廣西巖土力學與工程重點實驗室， 廣西桂林541004)

0 引言

紅黏土是碳酸鹽類巖石經過紅土化、化學風化殘積、坡積形成的黏土，一般顏色為黃褐色、褐紅色，主要分布在熱帶、亞熱帶地區(qū)[1-2]。桂林地處南嶺山脈的西南端，北緯25°14′，屬于亞熱帶溫濕多雨氣候，干濕交替、氣溫多變，為紅黏土的形成提供了外部條件[3-4]。紅黏土受母巖、地形地貌、氣候特征等各種因素的影響，復雜多變的地質成因是紅黏土具有特殊性質的根本來源，主要表現(xiàn)在高強度性、低壓縮性、高含水率、高孔隙比、高液限，及土層狀態(tài)為上硬下軟，硬塑紅黏土有網狀裂隙等特殊性質[5]，紅黏土的特殊性誘發(fā)了地面塌陷、地基不均勻沉降、邊坡失穩(wěn)、道路開裂等工程病害。

針對紅黏土特殊性質，孔雀[6]用廢木灰改性紅黏土,得到隨廢木灰含量的增大,紅黏土的最優(yōu)含水量、滲透系數(shù)增大，廢木灰改變了紅黏土的均一性；張金利等[7]研究聚丙烯纖維—紅黏土的力學特性，得到加入纖維后,紅黏土強度、粘聚力增高，內摩擦角變化不明顯；劉之葵等[8]研究水泥對紅黏土的改良效果，得到內摩擦角和粘聚力隨著水泥摻入量增加而增大，以及加入一定量水泥后紅黏土的液、塑限也會提高；欒傳寶[9]用粉煤灰改性紅黏土,確定摻加粉煤灰10 %時,紅黏土的水穩(wěn)定性、無側限抗壓強度最優(yōu)；曾軍[10]研究得到石灰可以有效的改良紅黏土的力學特性,隨著石灰摻量的增大,紅黏土的無側限抗壓強度先增大后變小，最優(yōu)含水率增加,最大干密度減小，最優(yōu)摻量為8 %；羅斌等[11]研究碎石改良紅黏土，得到摻加碎石后紅黏土細粒含量減少、收縮性能降低、強度和壓實密實提高；楊俊等[12]摻入天然砂礫改良紅黏土，得到隨著摻砂比例的增加，紅黏土的無側限抗壓強度、抗剪強度先增大后減小，粘聚力減小，內摩擦角、CBR值、回彈模量值均增大，最優(yōu)摻砂比為30 %。

納米膨潤土主要用于橡膠、涂料、瀝青、鉆井液等的改性材料[13-16]，常用的紅黏土改良劑在實際工程中存在一些問題[17]。為紅黏土改良技術提供新的路徑，本文采用納米膨潤土作為紅黏土的改良劑，利用室內試驗研究不同摻量的納米膨潤土—紅黏土力學性質變化規(guī)律，分析納米膨潤土對紅黏土物質組成、微觀結構的影響，并進一步探索其改良機理。

1 試驗材料

試驗所用的紅黏土土樣取自桂林市雁山區(qū)某建筑工地地下5～7m處，呈棕紅色，其物理性質指標見表1，試驗所用的納米膨潤土來自河北石家莊騰瑞礦產品貿易有限公司，其基本參數(shù)見表2。

表1 紅黏土的物理性質指標Tab.1 Physical properties of red clay

表2 納米膨潤土的基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of nano bentonite

納米材料因具有粒徑小、比表面積大、表面能高等特點，而具備了小尺寸效應、表面效應等納米效應。納米膨潤土的主要成分為蒙脫石，具有吸水膨脹的特性，對微量有機物具有吸附作用和多種聚附形式形成膠束，在聚集、絮凝、凝膠時產生黏結性，除此之外納米膨潤土還具有陽離子交換、懸浮等特性。

2 納米膨潤土—紅黏土的力學性質

取回紅黏土土樣后，將其風干、碾碎、過2 mm篩，然后放入溫度為100～110 ℃的烘箱內烘干，待烘干的土樣冷卻后，將0 %、1 %、2 %、3 %、4 %(納米膨潤土與風干紅黏土的質量比)的納米膨潤土摻加到紅黏土中，再按最優(yōu)含水率30 %進行噴水，攪拌均勻后密封、靜置24 h。根據(jù)干密度1.35 g/cm3稱取紅黏土的質量，采用擊實法制備三軸樣，抽氣兩小時后，用蒸餾水浸泡12 h，飽和后進行三軸試驗。試驗儀器為南京土壤儀器廠生產的TSZ-1應變式三軸儀，每組試樣分別進行圍壓100、200、300、400 kPa的不固結不排水三軸試驗，剪切速率為0.9 mm/min，直至軸向應變達到15 %終止試驗。

根據(jù)《土工試驗方法標準》[18]，取應力應變曲線上偏應力的峰值作為破壞點，不存在峰值時，取軸向應變15 %所對應曲線上的點作為破壞點，再以法向應力為橫坐標、剪應力為縱坐標，在應力平面上繪制莫爾圓，做公切線求得粘聚力、內摩擦角，最后根據(jù)莫爾—庫侖強度準則(1)計算抗剪強度?？辜魪姸燃翱辜魪姸戎笜擞嬎憬Y果見表3，抗剪強度擬合函數(shù)相關系數(shù)見表4,擬合曲線如圖1所示。

τf=c+σtanφ,

(1)

式中：c、φ分別是粘聚力和內摩擦角。

表3 抗剪強度和抗剪強度指標Tab.3 Shear strength and shear strength index kPa

表4 抗剪強度擬合函數(shù)的相關系數(shù)Tab.4 Correlation coefficient of shear strength fitting function

(a) 抗剪強度擬合曲線

(b) 粘聚力擬合曲線

(c) 內摩擦角擬合曲線

從表3和圖1可以看出，重塑紅黏土的抗剪強度、粘聚力、內摩擦角隨著納米膨潤土的增加呈先增大后減小的趨勢，納米膨潤土摻量在2 %～3 %之間抗剪強度最大，當納米膨潤土摻量相同時，抗剪強度與圍壓成正比例關系?？辜魪姸入S納米膨潤土摻量變化的擬合函數(shù)(y=ax2+bx+c)相關系數(shù)見表4，從表中可以看出不同圍壓下納米膨潤土最優(yōu)摻量對應的最大抗剪強度值，取不同圍壓對應的納米膨潤土最優(yōu)摻量的平均值作為改良土抗剪強度的最終最優(yōu)摻量，即2.23 %；同理根據(jù)圖1(b)、(c)求得當納米膨潤土摻量為2.87 %時粘聚力最大，其最大值為51.87，當納米膨潤土摻量為1.76 %時內摩擦角最大，其最大值為4.44°。

3 納米膨潤土—紅黏土的組成成分

將摻加1 %的納米膨潤土—紅黏土三軸試樣碾碎，烘干后再過0.075 mm篩，分別進行X射線衍射試驗(XRD)和X射線熒光光譜試驗(XRF)，并與素土進行對比，研究納米膨潤土對紅黏土礦物組成及化學組成成分的影響規(guī)律。XRD試驗采用荷蘭帕納科公司PANalyticalB.V.生產的X′PertPRO X射線衍射儀，得到X射線衍射圖譜如圖2所示，每種礦物的半定量見表5；XRF試驗設備使用日本株式會社理學公司生產的ZSX PrimusⅡ型X射線熒光光譜儀，得到土樣氧化物百分含量的變化規(guī)律見表6。

(a) 紅黏土X射線衍射圖譜

(b) 納米膨潤土—紅黏土X射線衍射圖譜

表5 礦物的半定量Tab.5 Semiquant of minerals

表6 土樣氧化物的質量分數(shù)Tab.6 Percentage of soil oxides

由圖2中X射線衍射圖譜可知，桂林市雁山區(qū)的紅黏土主要有石英SiO2、高嶺石Al2Si2O5(OH)4、赤鐵礦Fe2O3三種礦物，由表5可知紅黏土礦物中石英半定量相對較高，主要因為石英的結晶好,其衍射強度較強，加入納米膨潤土后石英的半定量減少，高嶺石、赤鐵礦的半定量增加。根據(jù)表6可知紅黏土化學成分組成包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、MnO、P2O5、TiO2，其中SiO2、Al2O3、Fe2O3所占比例較高，共占76.73 %，SiO2主要存在黏土礦物和石英中，Al2O3、Fe2O3分別是高嶺石、赤鐵礦的主要成分，這與X射線衍射所測礦物石英(SiO2)、高嶺石(Al4[Si4O10](OH)8)、赤鐵礦(Fe2O3)的半定量相對應。

從礦物成分角度分析，不同類型礦物顆粒的表面摩擦和膠結影響著紅黏土的力學性質，主要是因為不同黏土礦物因顆粒特征各異，導致比表面積、表面微電場強度、結合水膜厚度不同，進而影響紅黏土的力學特性。納米膨潤土的主要成分是蒙脫石，因為蒙脫石、高嶺石屬于硅酸鹽，具有特有的片或層狀結構，非黏土礦物石英通常為針狀或粒狀，屬于三方偏方面體晶類，所以蒙脫石、高嶺石總表面積遠大于石英。當紅黏土中加入納米膨潤土后，蒙脫石和高嶺石的含量增加，提高了紅黏土顆粒的比表面積，使土顆粒間作用力強，增強了土顆粒間的聯(lián)結；另外，赤鐵礦的增加使土顆粒間游離氧化鐵膠結增加，宏觀表現(xiàn)為紅黏土的力學性質增強。當納米膨潤土摻量超過最優(yōu)摻量以后，大量的蒙脫石吸水膨脹破壞了紅黏土的結構，且蒙脫石吸附的結合水膜增厚，土顆粒間的接觸點減少，粒間易于錯動，內摩擦角減小，且顆粒間的膠結作用減弱，抗剪強度、粘聚力降低。

從化學組成成分角度分析，粘聚力可分為固化粘聚力和原始粘聚力，土中膠結物的含量及其存在形式決定固化粘聚力大小，帶電荷的離子運動產生的分子間作用力決定原始粘聚力大小。XRF試驗中，加入納米膨潤土后，F(xiàn)e2O3含量增加，游離氧化鐵以極細的粒狀分布在紅黏土礦物顆粒的表面或顆粒間，將分散的土顆粒膠結在一起，紅黏土的固化粘聚力增大；另一方面，可以用擴散雙電層理論來闡述離子之間的作用，由于陽離子價數(shù)和濃度不同，將導致黏粒表面雙電層厚度發(fā)生變化，吸著水膜的厚度也就不同，直接影響到土的性狀。由表6可得，加入納米膨潤土后，金屬陽離子Al3+、Fe3+、Ca2+、Na+、K+等含量增加，發(fā)生離子交換使擴散層厚度變薄，顆粒間吸附連接力增強，進而使紅黏土原始粘聚力增大。

王靜等[19]證明土的抗剪強度主要受FeO、K2O、SiO2含量影響，其次是Na2O、CaO、Al2O3；粘聚力主要受P2O5含量影響，其次是Al2O3、MnO；內摩擦角主要受Na2O，SiO2含量影響，其次是K2O、FeO。根據(jù)表6可以看出加入納米膨潤土后大部分氧化物含量增多，導致紅黏土的抗剪強度、粘聚力、內摩擦角增加，與其結論相符。

4 納米膨潤土—紅黏土的微觀結構

本次試驗所采用的是日本高新技術公司生產的S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(JM-2100F)，最大加速電壓為30 kV，最大放大倍數(shù)可達80萬倍，分辨率最大可達1 nm。將摻量0 %和1 %的納米膨潤土—紅黏土制成干密度為1.35 g/cm3的土樣進行掃描電鏡試驗，放大倍數(shù)為500、3 000倍，測試結果由圖3所示:

(a) 紅黏土500倍

(b) 紅黏土3000倍

(c) 納米膨潤土—紅黏土500倍

(d) 納米膨潤土—紅黏土3000倍

由圖3(a)將紅黏土放大500倍可知顆粒主要以粒團構建的結構骨架，團絮凝結構，土顆粒以集聚體形態(tài)存在,呈獨立小山峰狀，顆粒間十分松散，在空間中連接排列形成架空孔隙，孔隙及裂隙極其發(fā)育，由(b)放大3 000倍可知紅黏土粒團內以片狀或顆粒狀單元相互搭接，片狀碎屑狀顆粒與小團粒體較多，土顆粒邊緣棱角明顯，土體疏松，接觸方式主要為點接觸，顆粒間孔隙較多。

加入納米膨潤土后，放大500倍可以看出改良后紅黏土的孔隙和顆粒的排列發(fā)生了變化，結構緊密，孔隙面積明顯減少，土顆粒表面的粗糙程度得到改善，多為片層狀結構，納米膨潤土增強了顆粒整體膠結性，使紅黏土的結構從團絮凝結構變化至絮狀結構，這些絮狀物主要是納米膨潤土和游離的氧化物與水結合形成了溶膠膠體。放大3 000倍可見改良土整體以層流結構為主，顆粒的邊緣輪廓較為模糊，土顆粒整體為膠結式，改良土內部組成結構單元以大小不一的扁平狀、片狀和疊片體凝聚而形成，無明顯排列規(guī)律，碎屑顆粒填充在孔隙中，使部分裂隙、大孔隙減小，接觸方式由點點、點面接觸轉變?yōu)槊婷娼佑|和邊面接觸，單粒體與團粒體之間緊密連接在一起，土顆粒相互聯(lián)結增多，結構致密性增強。以紅黏土放大500倍為例，用MATLAB處理得到的二進制圖，白色區(qū)域代表顆粒、黑色區(qū)域代表孔隙，如圖4所示，重塑紅黏土MATLAB處理SEM圖片所得數(shù)據(jù)如表7所示。

(a) 原圖

(b)二進制圖

表7 MATLAB處理圖片所得數(shù)據(jù)Tab.7 Data obtained by processing the image with MATLAB

由表7可知，放大倍數(shù)相同時，加入納米膨潤土后，紅黏土的孔隙率、分型維數(shù)降低，相同土樣類型，放大倍數(shù)越大土樣的孔隙率、分型維數(shù)越小。納米膨潤土—紅黏土力學性質提高的主要原因是納米膨潤土加入紅黏土中，會吸附在紅黏土顆粒表面及填充在孔隙中，因為納米膨潤土粒徑小、比表面積大、表面能高，增強了土體內部的膠結，且納米膨潤土的主要成分為蒙脫石，蒙脫石是上下硅氧四面體、中間鋁氫氧八面體組成的三層片狀結構，水分子很容易進入晶胞之間，具有吸水膨脹的特性，進一步的填充紅黏土的孔隙，增加顆粒間接觸面積，進而提高了紅黏土的力學性質。

5 結論

① 紅黏土的抗剪強度、粘聚力、內摩擦角隨著納米膨潤土的增加呈先增大后減小的趨勢，改良土抗剪強度的最優(yōu)摻量為2.23 %，當納米膨潤土摻量為2.87 %、1.76 %時，粘聚力、內摩擦角最大，其最大值分別為51.87、4.44°；當納米膨潤土摻量相同時，抗剪強度與圍壓成正比例關系。

② 桂林市雁山區(qū)紅黏土的主要礦物有石英、高嶺石、赤鐵礦，加入納米膨潤土后石英的半定量減少，高嶺石、赤鐵礦的半定量增加；紅黏土化學成分組成包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、MnO、P2O5、TiO2，其中SiO2、Al2O3、Fe2O3所占比例較高，共占76.73 %，加入納米膨潤土后，除MnO以外其余氧化物百分含量均增加，其中Al2O3、Fe2O3分別增加5.67 %、1.93 %，相對較高。

③ 紅黏土顆粒主要以粒團構建的結構骨架，粒團內以片狀或顆粒狀單元相互搭接，顆粒松散，土顆粒邊緣棱角明顯，孔隙、裂隙極其發(fā)育；加入納米膨潤土后，孔隙面積明顯減少，土顆粒整體為膠結式，顆粒的邊緣輪廓較為模糊，顆粒間由點點接觸轉變?yōu)槊婷娼佑|，相互聯(lián)結增多，結構致密性增強。

④ MATLAB處理掃描電鏡圖得到，放大倍數(shù)相同時，納米膨潤土使紅黏土的孔隙率、分型維數(shù)降低；相同土樣類型時，放大倍數(shù)越大土樣的孔隙率、分型維數(shù)越小。