纳米膨润土改良红黏土力学特性机理分析

陈学军

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院， 广西桂林541004；2.广西岩土力学与工程重点实验室， 广西桂林541004)

0 引言

红黏土是碳酸盐类岩石经过红土化、化学风化残积、坡积形成的黏土，一般颜色为黄褐色、褐红色，主要分布在热带、亚热带地区[1-2]。桂林地处南岭山脉的西南端，北纬25°14′，属于亚热带温湿多雨气候，干湿交替、气温多变，为红黏土的形成提供了外部条件[3-4]。红黏土受母岩、地形地貌、气候特征等各种因素的影响，复杂多变的地质成因是红黏土具有特殊性质的根本来源，主要表现在高强度性、低压缩性、高含水率、高孔隙比、高液限，及土层状态为上硬下软，硬塑红黏土有网状裂隙等特殊性质[5]，红黏土的特殊性诱发了地面塌陷、地基不均匀沉降、边坡失稳、道路开裂等工程病害。

针对红黏土特殊性质，孔雀[6]用废木灰改性红黏土,得到随废木灰含量的增大,红黏土的最优含水量、渗透系数增大，废木灰改变了红黏土的均一性；张金利等[7]研究聚丙烯纤维—红黏土的力学特性，得到加入纤维后,红黏土强度、粘聚力增高，内摩擦角变化不明显；刘之葵等[8]研究水泥对红黏土的改良效果，得到内摩擦角和粘聚力随着水泥掺入量增加而增大，以及加入一定量水泥后红黏土的液、塑限也会提高；栾传宝[9]用粉煤灰改性红黏土,确定掺加粉煤灰10 %时,红黏土的水稳定性、无侧限抗压强度最优；曾军[10]研究得到石灰可以有效的改良红黏土的力学特性,随着石灰掺量的增大,红黏土的无侧限抗压强度先增大后变小，最优含水率增加,最大干密度减小，最优掺量为8 %；罗斌等[11]研究碎石改良红黏土，得到掺加碎石后红黏土细粒含量减少、收缩性能降低、强度和压实密实提高；杨俊等[12]掺入天然砂砾改良红黏土，得到随着掺砂比例的增加，红黏土的无侧限抗压强度、抗剪强度先增大后减小，粘聚力减小，内摩擦角、CBR值、回弹模量值均增大，最优掺砂比为30 %。

纳米膨润土主要用于橡胶、涂料、沥青、钻井液等的改性材料[13-16]，常用的红黏土改良剂在实际工程中存在一些问题[17]。为红黏土改良技术提供新的路径，本文采用纳米膨润土作为红黏土的改良剂，利用室内试验研究不同掺量的纳米膨润土—红黏土力学性质变化规律，分析纳米膨润土对红黏土物质组成、微观结构的影响，并进一步探索其改良机理。

1 试验材料

试验所用的红黏土土样取自桂林市雁山区某建筑工地地下5～7m处，呈棕红色，其物理性质指标见表1，试验所用的纳米膨润土来自河北石家庄腾瑞矿产品贸易有限公司，其基本参数见表2。

表1 红黏土的物理性质指标Tab.1 Physical properties of red clay

表2 纳米膨润土的基本参数Tab.2 Basic parameters of nano bentonite

纳米材料因具有粒径小、比表面积大、表面能高等特点，而具备了小尺寸效应、表面效应等纳米效应。纳米膨润土的主要成分为蒙脱石，具有吸水膨胀的特性，对微量有机物具有吸附作用和多种聚附形式形成胶束，在聚集、絮凝、凝胶时产生黏结性，除此之外纳米膨润土还具有阳离子交换、悬浮等特性。

2 纳米膨润土—红黏土的力学性质

取回红黏土土样后，将其风干、碾碎、过2 mm筛，然后放入温度为100～110 ℃的烘箱内烘干，待烘干的土样冷却后，将0 %、1 %、2 %、3 %、4 %(纳米膨润土与风干红黏土的质量比)的纳米膨润土掺加到红黏土中，再按最优含水率30 %进行喷水，搅拌均匀后密封、静置24 h。根据干密度1.35 g/cm3称取红黏土的质量，采用击实法制备三轴样，抽气两小时后，用蒸馏水浸泡12 h，饱和后进行三轴试验。试验仪器为南京土壤仪器厂生产的TSZ-1应变式三轴仪，每组试样分别进行围压100、200、300、400 kPa的不固结不排水三轴试验，剪切速率为0.9 mm/min，直至轴向应变达到15 %终止试验。

根据《土工试验方法标准》[18]，取应力应变曲线上偏应力的峰值作为破坏点，不存在峰值时，取轴向应变15 %所对应曲线上的点作为破坏点，再以法向应力为横坐标、剪应力为纵坐标，在应力平面上绘制莫尔圆，做公切线求得粘聚力、内摩擦角，最后根据莫尔—库仑强度准则(1)计算抗剪强度。抗剪强度及抗剪强度指标计算结果见表3，抗剪强度拟合函数相关系数见表4,拟合曲线如图1所示。

τf=c+σtanφ,

(1)

式中：c、φ分别是粘聚力和内摩擦角。

表3 抗剪强度和抗剪强度指标Tab.3 Shear strength and shear strength index kPa

表4 抗剪强度拟合函数的相关系数Tab.4 Correlation coefficient of shear strength fitting function

(a) 抗剪强度拟合曲线

(b) 粘聚力拟合曲线

(c) 内摩擦角拟合曲线

从表3和图1可以看出，重塑红黏土的抗剪强度、粘聚力、内摩擦角随着纳米膨润土的增加呈先增大后减小的趋势，纳米膨润土掺量在2 %～3 %之间抗剪强度最大，当纳米膨润土掺量相同时，抗剪强度与围压成正比例关系。抗剪强度随纳米膨润土掺量变化的拟合函数(y=ax2+bx+c)相关系数见表4，从表中可以看出不同围压下纳米膨润土最优掺量对应的最大抗剪强度值，取不同围压对应的纳米膨润土最优掺量的平均值作为改良土抗剪强度的最终最优掺量，即2.23 %；同理根据图1(b)、(c)求得当纳米膨润土掺量为2.87 %时粘聚力最大，其最大值为51.87，当纳米膨润土掺量为1.76 %时内摩擦角最大，其最大值为4.44°。

3 纳米膨润土—红黏土的组成成分

将掺加1 %的纳米膨润土—红黏土三轴试样碾碎，烘干后再过0.075 mm筛，分别进行X射线衍射试验(XRD)和X射线荧光光谱试验(XRF)，并与素土进行对比，研究纳米膨润土对红黏土矿物组成及化学组成成分的影响规律。XRD试验采用荷兰帕纳科公司PANalyticalB.V.生产的X′PertPRO X射线衍射仪，得到X射线衍射图谱如图2所示，每种矿物的半定量见表5；XRF试验设备使用日本株式会社理学公司生产的ZSX PrimusⅡ型X射线荧光光谱仪，得到土样氧化物百分含量的变化规律见表6。

(a) 红黏土X射线衍射图谱

(b) 纳米膨润土—红黏土X射线衍射图谱

表5 矿物的半定量Tab.5 Semiquant of minerals

表6 土样氧化物的质量分数Tab.6 Percentage of soil oxides

由图2中X射线衍射图谱可知，桂林市雁山区的红黏土主要有石英SiO2、高岭石Al2Si2O5(OH)4、赤铁矿Fe2O3三种矿物，由表5可知红黏土矿物中石英半定量相对较高，主要因为石英的结晶好,其衍射强度较强，加入纳米膨润土后石英的半定量减少，高岭石、赤铁矿的半定量增加。根据表6可知红黏土化学成分组成包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、MnO、P2O5、TiO2，其中SiO2、Al2O3、Fe2O3所占比例较高，共占76.73 %，SiO2主要存在黏土矿物和石英中，Al2O3、Fe2O3分别是高岭石、赤铁矿的主要成分，这与X射线衍射所测矿物石英(SiO2)、高岭石(Al4[Si4O10](OH)8)、赤铁矿(Fe2O3)的半定量相对应。

从矿物成分角度分析，不同类型矿物颗粒的表面摩擦和胶结影响着红黏土的力学性质，主要是因为不同黏土矿物因颗粒特征各异，导致比表面积、表面微电场强度、结合水膜厚度不同，进而影响红黏土的力学特性。纳米膨润土的主要成分是蒙脱石，因为蒙脱石、高岭石属于硅酸盐，具有特有的片或层状结构，非黏土矿物石英通常为针状或粒状，属于三方偏方面体晶类，所以蒙脱石、高岭石总表面积远大于石英。当红黏土中加入纳米膨润土后，蒙脱石和高岭石的含量增加，提高了红黏土颗粒的比表面积，使土颗粒间作用力强，增强了土颗粒间的联结；另外，赤铁矿的增加使土颗粒间游离氧化铁胶结增加，宏观表现为红黏土的力学性质增强。当纳米膨润土掺量超过最优掺量以后，大量的蒙脱石吸水膨胀破坏了红黏土的结构，且蒙脱石吸附的结合水膜增厚，土颗粒间的接触点减少，粒间易于错动，内摩擦角减小，且颗粒间的胶结作用减弱，抗剪强度、粘聚力降低。

从化学组成成分角度分析，粘聚力可分为固化粘聚力和原始粘聚力，土中胶结物的含量及其存在形式决定固化粘聚力大小，带电荷的离子运动产生的分子间作用力决定原始粘聚力大小。XRF试验中，加入纳米膨润土后，Fe2O3含量增加，游离氧化铁以极细的粒状分布在红黏土矿物颗粒的表面或颗粒间，将分散的土颗粒胶结在一起，红黏土的固化粘聚力增大；另一方面，可以用扩散双电层理论来阐述离子之间的作用，由于阳离子价数和浓度不同，将导致黏粒表面双电层厚度发生变化，吸着水膜的厚度也就不同，直接影响到土的性状。由表6可得，加入纳米膨润土后，金属阳离子Al3+、Fe3+、Ca2+、Na+、K+等含量增加，发生离子交换使扩散层厚度变薄，颗粒间吸附连接力增强，进而使红黏土原始粘聚力增大。

王静等[19]证明土的抗剪强度主要受FeO、K2O、SiO2含量影响，其次是Na2O、CaO、Al2O3；粘聚力主要受P2O5含量影响，其次是Al2O3、MnO；内摩擦角主要受Na2O，SiO2含量影响，其次是K2O、FeO。根据表6可以看出加入纳米膨润土后大部分氧化物含量增多，导致红黏土的抗剪强度、粘聚力、内摩擦角增加，与其结论相符。

4 纳米膨润土—红黏土的微观结构

本次试验所采用的是日本高新技术公司生产的S-4800型场发射扫描电子显微镜(JM-2100F)，最大加速电压为30 kV，最大放大倍数可达80万倍，分辨率最大可达1 nm。将掺量0 %和1 %的纳米膨润土—红黏土制成干密度为1.35 g/cm3的土样进行扫描电镜试验，放大倍数为500、3 000倍，测试结果由图3所示:

(a) 红黏土500倍

(b) 红黏土3000倍

(c) 纳米膨润土—红黏土500倍

(d) 纳米膨润土—红黏土3000倍

由图3(a)将红黏土放大500倍可知颗粒主要以粒团构建的结构骨架，团絮凝结构，土颗粒以集聚体形态存在,呈独立小山峰状，颗粒间十分松散，在空间中连接排列形成架空孔隙，孔隙及裂隙极其发育，由(b)放大3 000倍可知红黏土粒团内以片状或颗粒状单元相互搭接，片状碎屑状颗粒与小团粒体较多，土颗粒边缘棱角明显，土体疏松，接触方式主要为点接触，颗粒间孔隙较多。

加入纳米膨润土后，放大500倍可以看出改良后红黏土的孔隙和颗粒的排列发生了变化，结构紧密，孔隙面积明显减少，土颗粒表面的粗糙程度得到改善，多为片层状结构，纳米膨润土增强了颗粒整体胶结性，使红黏土的结构从团絮凝结构变化至絮状结构，这些絮状物主要是纳米膨润土和游离的氧化物与水结合形成了溶胶胶体。放大3 000倍可见改良土整体以层流结构为主，颗粒的边缘轮廓较为模糊，土颗粒整体为胶结式，改良土内部组成结构单元以大小不一的扁平状、片状和叠片体凝聚而形成，无明显排列规律，碎屑颗粒填充在孔隙中，使部分裂隙、大孔隙减小，接触方式由点点、点面接触转变为面面接触和边面接触，单粒体与团粒体之间紧密连接在一起，土颗粒相互联结增多，结构致密性增强。以红黏土放大500倍为例，用MATLAB处理得到的二进制图，白色区域代表颗粒、黑色区域代表孔隙，如图4所示，重塑红黏土MATLAB处理SEM图片所得数据如表7所示。

(a) 原图

(b)二进制图

表7 MATLAB处理图片所得数据Tab.7 Data obtained by processing the image with MATLAB

由表7可知，放大倍数相同时，加入纳米膨润土后，红黏土的孔隙率、分型维数降低，相同土样类型，放大倍数越大土样的孔隙率、分型维数越小。纳米膨润土—红黏土力学性质提高的主要原因是纳米膨润土加入红黏土中，会吸附在红黏土颗粒表面及填充在孔隙中，因为纳米膨润土粒径小、比表面积大、表面能高，增强了土体内部的胶结，且纳米膨润土的主要成分为蒙脱石，蒙脱石是上下硅氧四面体、中间铝氢氧八面体组成的三层片状结构，水分子很容易进入晶胞之间，具有吸水膨胀的特性，进一步的填充红黏土的孔隙，增加颗粒间接触面积，进而提高了红黏土的力学性质。

5 结论

① 红黏土的抗剪强度、粘聚力、内摩擦角随着纳米膨润土的增加呈先增大后减小的趋势，改良土抗剪强度的最优掺量为2.23 %，当纳米膨润土掺量为2.87 %、1.76 %时，粘聚力、内摩擦角最大，其最大值分别为51.87、4.44°；当纳米膨润土掺量相同时，抗剪强度与围压成正比例关系。

② 桂林市雁山区红黏土的主要矿物有石英、高岭石、赤铁矿，加入纳米膨润土后石英的半定量减少，高岭石、赤铁矿的半定量增加；红黏土化学成分组成包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、MnO、P2O5、TiO2，其中SiO2、Al2O3、Fe2O3所占比例较高，共占76.73 %，加入纳米膨润土后，除MnO以外其余氧化物百分含量均增加，其中Al2O3、Fe2O3分别增加5.67 %、1.93 %，相对较高。

③ 红黏土颗粒主要以粒团构建的结构骨架，粒团内以片状或颗粒状单元相互搭接，颗粒松散，土颗粒边缘棱角明显，孔隙、裂隙极其发育；加入纳米膨润土后，孔隙面积明显减少，土颗粒整体为胶结式，颗粒的边缘轮廓较为模糊，颗粒间由点点接触转变为面面接触，相互联结增多，结构致密性增强。

④ MATLAB处理扫描电镜图得到，放大倍数相同时，纳米膨润土使红黏土的孔隙率、分型维数降低；相同土样类型时，放大倍数越大土样的孔隙率、分型维数越小。