膨脹土的礦物組成和化學(xué)成分分析

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摘要：本文首先利用X射線衍射（XRD）對鄂北膨脹土中的不同礦物組成成分進(jìn)行了鑒定，并根據(jù)衍射峰的強(qiáng)度和半高寬定量分析了各成分的含量，然后利用X射線能譜（EDX）對鄂北膨脹土中的化學(xué)元素組成進(jìn)行了測定和分析，最后對鄂北膨脹土的結(jié)核現(xiàn)象進(jìn)行了分析。其研究成果對評價鄂北膨脹土頁巖的潮解特性，揭示膨脹土和改性膨脹土特性以及強(qiáng)度形成機(jī)理具有重要的意義；并為今后膨脹土的研究和應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)。

  關(guān)鍵詞：膨脹土礦物成分化學(xué)成分XRDEDX1前言膨脹土的特殊工程性質(zhì)是受其礦物組成和化學(xué)成分控制的。研究膨脹土礦物組成和化學(xué)成分不僅是了解控制膨脹土工程性質(zhì)的內(nèi)在因素；探討其膨脹機(jī)理所必須的，而且是膨脹土性質(zhì)改良和加固，以及探討膨脹土研究的新技術(shù)和新方法所必不可少的。膨脹土在路堤施工和路堤使用時期，其特性不僅取決于膨脹土頁巖的剝蝕和潮解的性質(zhì)，而且取決于其主要的粘土礦物類型以及其它物理化學(xué)性質(zhì)[1][2]。本文利用X射線衍射（XRD）和X射線能譜（EDX）等技術(shù)手段，研究了鄂北膨脹土和改性膨脹土的礦物組成和化學(xué)成分以及膨脹土的結(jié)核現(xiàn)象。2膨脹土的礦物組成X射線衍射儀可對膨脹土中的不同礦物進(jìn)行準(zhǔn)確鑒定。粘土礦物的測定可利用粘土礦物X射線衍射圖譜，通過比較主要的峰值和判斷其強(qiáng)度來達(dá)到，并可根據(jù)衍射峰的強(qiáng)度和半高寬定量分析某種礦物在膨脹土中的含量。   通常膨脹土的礦物成分包括粘土礦物和碎屑礦物。碎屑礦物主要成分為石英、云母和長石，其次為方解石和石膏等礦物，碎屑礦物是粗粒部分的主要組成物質(zhì)。一般來說，粗粒在膨脹土中含量有限，對其脹縮性質(zhì)影響不大，而影響膨脹土工程性質(zhì)主要是細(xì)粒部分的粘土礦物，特別是蒙脫石類的礦物。圖1膨脹土X射線衍射圖   圖1是鄂北荊門地區(qū)膨脹土風(fēng)干樣品的X射線粉晶衍射圖，據(jù)JCPDS卡片查對，鑒定出的主要粘土礦物的伊利石、蒙脫石、高嶺石、石英、正長石和斜長石。通過定量計(jì)算衍射峰的強(qiáng)度和半高寬等，給出的膨脹土礦物組合及含量如表1所示。從中看出，荊門膨脹土的粘土礦物以伊利石和高嶺石為主，分別占總量的45%和25%，而蒙脫石含量有限，僅占7%左右。應(yīng)指出的是，在鄂北地區(qū)各地段膨脹土中，不同類型粘土礦物所占比例及其組合形式各有差異，這是由于各地區(qū)在成土過程中，母巖的堆積環(huán)境以及風(fēng)化程度等方面的差異所形成。表1膨脹土礦物成分與含量（%）礦物成分蒙脫石伊利石高嶺石石英長石本文結(jié)果940221910文獻(xiàn)[3]8~1622~5532~57——3膨脹土的化學(xué)成分美國通用電器公司生產(chǎn)Phoenix能譜儀（EDAX）作為掃描電子顯微鏡的附件配置在JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡中使用，主要用于元素的定性和定量分析。為了研究膨脹粘土顆粒與石灰和粉煤灰之間的機(jī)理，將石灰和粉煤灰處理前后的土樣分別進(jìn)行SEM圖像分析，利用EDX分析顆粒連接點(diǎn)成分。作者利用X射線能譜技術(shù)測定膨脹土SEM圖像中任意點(diǎn)的化學(xué)元素組成。分析時將一束細(xì)小的電子探針打擊到所要研究的點(diǎn)上，這樣可以得到一系列的X射線光譜，通過光譜分析確定該點(diǎn)的化學(xué)成分，從而達(dá)到對元素定性和定量分析目的。   本文利用EDX技術(shù)分析了石灰和粉煤灰對膨脹粘土穩(wěn)定性的影響。為了降低膨脹土的膨脹和收縮，將膨脹土樣分別摻以9%的石灰粉和50%的粉煤灰（重量百分比）。表2給出了它們的化學(xué)成分與含量。表2顯示，膨脹土的化學(xué)成分含量雖有差異，但主要是SiO2、Al2O3和Fe2O3，三種氧化物總量為84.11%，這一現(xiàn)象表明，在粗顆粒中石英礦物相對富集，而細(xì)小的粘土顆粒中鋁硅酸鹽粘土礦物相對富集。   在膨脹土的膠粒化學(xué)成分中，硅鋁分子比率為3.81，表明礦物成分以伊利石為主，同鑒定結(jié)果粘土礦物成分以伊利石為主基本相吻合。在膨脹土的化學(xué)成分中，較活潑的元素K、Na、Ca、Mg等堿金屬和堿土金屬含量普遍較高，表明它的風(fēng)化淋濾程度有限，化學(xué)風(fēng)化程度較低，只要?dú)夂?、水介質(zhì)與氧化還原等環(huán)境條件發(fā)生改變時，還將進(jìn)一步風(fēng)化。如促使伊利石脫鉀轉(zhuǎn)變?yōu)轵问蛎擅撌?，?dǎo)致膨脹土的親水性增強(qiáng)，從而使膨脹土的工程性質(zhì)進(jìn)一步惡化。   從表2中還看出，膨脹土經(jīng)石灰和粉煤灰改性處理后，增加了膨脹土中的CaO和MgO組分的含量，減小了Na2O和K2O成分含量。這對解釋石灰和粉煤灰處理膨脹土的機(jī)理具有重要的意義。由于粉煤灰的主要成分是SiO2，因而導(dǎo)致粉煤灰改性膨脹土中的SiO2含量增加。表2膨脹土和改性膨脹土的化學(xué)成分與含量（%）化學(xué)成分Na2OMgOAl2O3SiO2K2OCaOTiO2MnOFe2O3SiO2/Al2O3純膨脹土2.653.7122.3950.202.491.191.254.6011.523.81膨脹土+9%石灰1.064.1211.7345.661.6731.350.943.46膨脹土+50%粉煤灰1.585.3015.5358.881.7412.041.003.93比較三者光譜可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)石灰和粉煤灰處理后，土樣顆粒膠結(jié)物中鈣離子的含量明顯增加，使顆粒間連接力增加，從而導(dǎo)致土體膨脹性和收縮性降低。經(jīng)石灰處理后的土樣與摻粉煤灰處理相比，其鈣離子含量的增加更為明顯，對膨脹土的改性效果更好。   石灰處理膨脹土的機(jī)理在于：石灰摻入后極大地增加了膨脹土中的Ca2+、Mg2+離子。眾所周知，石灰遇水的消解反應(yīng)和陽離子交換作用，使膨脹土中的Na+、K+離子逐步被Ca2+、Mg2+離子所替換，從而顯著減小了膨脹土的塑性指數(shù)。由于膨脹土可塑性減小往往導(dǎo)致土體的膨脹勢減小，因而減小了土的脹縮性。此外，經(jīng)石灰處理后增加了膨脹土的pH值，從而進(jìn)一步增加了這種離子交換能力。   粉煤灰處理膨脹土的機(jī)理在于：呈空心球狀的粉煤灰顆粒，其主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3等，在二價和三價陽離子（如Si4+、Al3+、Fe3+等）的電離作用下，對分散的粘土顆粒產(chǎn)生絮凝作用，可減少膨脹土顆粒的比表面積和親水性，從而減小膨脹土的脹縮性。4膨脹土的結(jié)核對鄂北膨脹土的現(xiàn)場調(diào)查表明，無論何種成因類型的膨脹土或多或少含有一定數(shù)量的結(jié)核。這些結(jié)核大多組成膨脹土的粒狀物質(zhì)，一部分富集成層成為土中骨架，對膨脹土路堤邊坡的穩(wěn)定性起著重要的作用。因此，研究膨脹土中的結(jié)核及其含量有重要的工程意義。   對鄂北膨脹土塊狀樣品剝離出若干粒狀的結(jié)核，利用EDX技術(shù)對其成分進(jìn)行分析。結(jié)果表明：鄂北膨脹土中的結(jié)核以鐵錳質(zhì)結(jié)核為主，存在少量的鈣質(zhì)結(jié)核。結(jié)核的生成是膨脹土在成土過程中地球化學(xué)作用的結(jié)果。它與一定的地形、氣候和地下水活動等條件有密切關(guān)系。   膨脹土鐵錳結(jié)核的成因可解釋為在膨脹土中的氧化—還原界面上，由于存在著不同的氧化還原電位值，使其下部的鐵錳被還原成Fe2+和Mn2+，由于這些元素的低價化合物比高價化合物的溶解度大，于是在水中的濃度較高，便逐漸向上部水中擴(kuò)散，并被氧化而形成Fe3+、Mn3+的化合物而產(chǎn)生沉淀，形成鐵錳結(jié)核。   鄂北膨脹土的鐵錳結(jié)核形狀各異，大小不等，一般粒徑在20~150mm之間，小者2~10mm。部分富集成層或呈透鏡體狀，有時集中分布在裂隙或?qū)用娓浇?，含量變化范?%~15%，由于含量小于20%，未能在膨脹土中起骨架作用，對提高土體的強(qiáng)度作用不十分明顯。5小結(jié)本文利用X射線衍射（XRD）和X射線能譜（EDX）等技術(shù)手段，研究鄂北中等膨脹土的礦物組成和化學(xué)成分以及結(jié)核現(xiàn)象，并得到以下結(jié)論：   (1)粘土礦物相對百分含量，可用鑒定粘土礦物的X-射線衍射圖譜來測定。粘土礦物相對百分含量常隨地區(qū)而變化，這取決于它在沉積過程中的周圍環(huán)境。鄂北荊門地區(qū)中等膨脹土的粘土礦物以伊利石和高嶺石為主，該各地段膨脹土中，不同類型粘土礦物所占比例極其組合形式存在一定的差異。   (2)鄂北荊門地區(qū)膨脹土的化學(xué)成分主要是SiO2、Al2O3和Fe2O3，三種氧化物總量為84.11%，表明在粗顆粒中石英礦物相對富集，而細(xì)小的粘土顆粒中鋁硅酸鹽粘土礦物相對富集，較活潑的元素K、Na、Ca、Mg等堿金屬和堿土金屬含量普遍較高，有可能促使伊利石轉(zhuǎn)變?yōu)轵问蛎擅撌?，?dǎo)致膨脹土的親水性增強(qiáng)，從而使膨脹土的工程性質(zhì)進(jìn)一步惡化。   (3)鄂北荊門地區(qū)膨脹土中的結(jié)核以鐵錳質(zhì)結(jié)核為主，存在少量的鈣質(zhì)結(jié)核。由于結(jié)核含量小于20%，未能在膨脹土中起骨架作用，對提高土體的強(qiáng)度作用不十分明顯。   (4)經(jīng)石灰和粉煤灰處理后，膨脹土樣顆粒膠結(jié)物中鈣離子的含量明顯增加，使顆粒間連接力增加，從而導(dǎo)致土體膨脹性和收縮性降低。經(jīng)石灰處理后的土樣與摻粉煤灰處理相比，其鈣離子含量的增加更為明顯，對膨脹土的改性效果更好。參考文獻(xiàn)[1]MitchellJK.Fundamentalsofsoilbehavior.NewYork:JohnWileyandSonsInc,SecondEdition,1993,131～160   [2]MorgenstemNR.TchalenkoJS.MicroscopicstructureinKaolinsubjectedtodirectshear.Geotechnique,1967,17(4):309～328   [3]膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)程（GBJ112-87）