基于压汞试验及氮气吸附试验下柳州红黏土微观结构分析

吕海波,薛小杰,蒋 熠,尹国强,曾召田*

(1.桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室,桂林 541004;2.贺州学院建筑与电气工程学院,贺州 542800;3.南宁城市建设投资发展有限公司,南宁 530031)

土体微结构作为影响土体变形破坏的内因,是组成土体的物质基础,如土中的骨架颗粒、孔隙结构、胶结物等因素以及这些结构单元体的不同组合,它们造成了土体工程性质的各向异性、不均匀性和差异性[1],而土中的孔隙结构决定了土的诸多物理力学性质[2],土中的孔径分布情况是用来解释持水性能的差异性[3-4]、水动力运动参数、固结强度等力学特性的重要依据。因此对土中孔隙分布情况的研究十分必要。在外力作用方面，Simms等[5]测量了不同吸力下土的孔隙分布,提出脱湿过程孔隙的演化规律并代入推算持水曲线模型中。胡冉等[6]在孔隙分布的基础上,建立了考虑土体变形并反映滞回效应的土水特征曲线模型。谈云志等[7]基于孔隙分布分析解释了固结应力对持水曲线的影响。叶为民等[8-9]对不同吸力范围下的自由状态和侧限状态下孔隙结构以及干湿循环条件下高庙子(GMZ)膨润土的孔隙结构进行了研究。而施斌等[10]使用CT技术观测了土体在外力作用下内部裂隙的发育过程。Lubelli等[11]、Hemes等[12]则是通过多种方法的联用,研究膨润土的孔隙结构。上述研究主要利用针对土体受到外力影响以及CT等技术下内部孔隙的变化情况,但较少涉及自然状态下内部孔隙。孟晓宇等[13]研究了不同含水率和固结围压条件下,红黏土破坏动应力-破坏振次关系、动黏聚力和动内摩擦角、动应变-动弹性模量关系及阻尼比的变化规律。王贺等[14]通过对掺入氧化钙、氧化铝、氧化钙与氧化铝联合掺入对红黏土的力学性质的影响,并建立模型对红黏土脆性指数进行量化分析。当前有关广西地区红黏土自然条件下微观孔隙结构方面的研究尚不充分,特别是针对原状土与重塑土微观结构的对比研究很不多见。

测定孔分布的试验方法主要有两种:一种主要通过处理扫描电镜图片[15-17],用软件将感测的孔隙分布进行量化；一种是通过直接注汞或液氮脱附[18]的体积进行计算土体的孔隙分布。扫描电镜较直观,但由于其观察的视域较小,只能局部反应土体的孔隙特征；而压汞法、氮吸附法能更全面、更准确地反映土体整体的孔隙分布特征。因此,一般采用压汞法和氮气吸附法测试土体孔隙分布[19-20]。由压汞实验可知,部分孔隙在压力作用下易受到破坏,孔隙表征准确程度较低,而低温氮气吸附对孔隙无破坏作用,尤其对小孔隙具有极好的表征作用。压汞与氮气吸附在孔隙结构表征中各具优势,两者在孔隙表征中具有互补性。

现利用压汞试验和氮气吸附试验互相结合的方法对柳州地区红黏土原状土及其重塑土的微观孔隙情况进行研究,针对两者的差异性展开对比分析,探究不同深度下原状土的孔隙差异和不同干密度下受扰动后重塑土的孔隙变化,了解其内在区别与共同点,并对差异性的成因进行分析,从而揭示力学性质改变的原因,为实际工程运用特别是有关回填土和地基处理方面提供参考数据,具有一定实际意义和工程价值。

1 试验土样及方法

1.1 试验用土

试验对象主要为柳州红黏土,其中原状土采用的是不同深度的原状样,在所需深度利用涂抹少许凡士林的取样器取样,经过垂直均匀受力下切,待环刀钻入土里到需要的深度后即将取土器拔出,之后将环刀及半圆筒拆下,用刮刀将取土器两端多余的土刮去修平,此时取土器环内的土可作为试验式样。并在相同深度取部分柳州红黏土,烘干后过筛,制作重塑土。柳州重塑红黏土配置了1.2、1.3、1.4 g/cm33种干密度,使用压样器静压制样。柳州原状红黏土的基本物性指标如表1所示。

表1 柳州原状红黏土基本性质Table 1 Basic properties of undisturbed red clay in Liuzhou

1.2 压汞试验方法

压汞试验[21]备有3个平行样,为符合压汞试验要求,对试验样品做以下预处理。

(1)切块。将压汞试验样品放在专用的膨胀计上,样品尺寸要求不能太大,用细钢丝锯切成1.0 cm×1.0 cm×1.0 cm左右的土块。

(2)干燥。将切好的土块品放入液氮中(其沸点为-196 ℃)冷冻15 min让土样中的水快速冻结而来不及膨胀,再在较高低温(-50 ℃)下抽真空24 h使冰升华,从而去除土样中的水分而又保持其结构性；粉末样采用低温60 ℃烘干12 h处理。

(3)压汞试验设备为美国麦克公司生产的Auto pore IV 9500型压汞仪,孔径测量范围为5～1×106nm。试验数据主要通过计算机软件进行采集,试验过程分为:选取适当的样品进行抽真空,保证孔隙内气体压强接近真空状态,注汞进行低压分析,低压试验结束后,取样称重继续高压注汞分析,加压至227 568 kPa终止。

黏土存在特殊的团粒结构,因此在测定黏土的孔隙分布时,采用二次注汞试验(即在完成一次低压和高压注汞试验后,卸压继续进行第二次高压注汞试验)来测得黏土团粒内孔的含量。

1.3 氮气吸附试验原理及方法

氮吸附试验[22]时,由于放到气体体系中的固体样品,其物质表面在低温下将发生物理吸附,气体在多孔固体上的吸附有多种机制,一般包括单层吸附、多层吸附到毛细管凝聚3个过程。介孔孔径分布的计算一般采用基于Kelvin方程的方法。在液氮温度 (77 K) 下,以氮气为吸附气体,Kelvin方程可表述为

(1)

式(1)中:rk为孔隙半径；P0为平面上的蒸汽压；p为曲面上的蒸汽压；R为曲面的曲率半径；σ1、Vm1分别为液体的表面张力、摩尔体积；TB为液氮温度。

经计算简化为

(2)

即Kelvin半径与吸附相对压力有线性关系。由于只有在孔壁上形成吸附层之后,才能发生凝聚,因而必须考虑该吸附层的厚度,由此得出孔径分布。由吸附总的气体体积转化成液体体积,得出孔容积。

氮吸附试验试验采用的是ASAP 2020M。测定孔径范围为1.7～300 nm。样品首先在150 ℃下真空脱气12 h,以脱去孔隙表面吸附的空气和水分,然后通过实验分别得到不同粒径样品的氮气吸附和脱附曲线。

氮吸附试验样品放入专用的小试管中,样品要求较小,采用制备同一深度块状原状样品和相应的平行粉末样品进行试验,原状样用细钢丝锯切成0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm左右的土块,粉末样(<0.075 mm)。

压汞试验、氮吸附试验试样的原状样编号和对应的土层深度对应关系如表2所示。

表2 试样编号和土层深度的对应关系Table 2 Correspondence between sample number and soil depth

2 试验结果与分析

2.1 压汞试验

压汞试验结果如图1、图2所示。柳州红黏土原状试样孔隙分布情况随深度变化而不同,表现出如下几个特征。

(1)孔隙累积分布曲线的总体趋势是土样随深度的增大逐渐向上移动。

(2)孔隙累积分布曲线分成明显的两段:飞速增长阶段以100 nm为分界线,孔径小于100 nm的曲线陡直,斜率大；稳定阶段在孔径大于100 nm以后,曲线平缓,可见小于100 nm的粒径孔体积含量较多,大孔隙则比较少。推断红黏土的结构单元为微小团粒,20～100 nm为团粒内和团粒间的分界线。

(3)孔隙分布均在100 000 nm(即100 μm)和10～100 nm附近出现峰值,其中10～100 nm范围的孔隙分布占主要部分；深度从上往下,随着深度增加孔分布从粒径100 nm逐渐向10 nm方向发展,即孔隙分布从团粒间逐渐向团粒内的孔隙变化,颗粒联系更为紧密。

为了便于分析,根据图1、图2中原状土的曲线特征,粗略地将孔隙分为4类:大孔隙d>1 000 nm,中孔隙100 nm

图1 柳州原状红黏土孔隙累积曲线Fig.1 Porosity accumulation curve of undisturbed red clay in Liuzhou

图2 柳州原状红黏土孔隙分布曲线Fig.2 Porosity distribution curve of undisturbed red clay in Liuzhou

表3 红黏土的孔隙分布Table 3 Pore distribution of red clay

由表3数据可知从基岩到地表的红黏土中孔隙分布微孔逐渐减少,小孔变化不大。即随着风化程度的不断增强,红黏土的孔隙从团粒内逐渐向团粒间孔隙转变。红黏土中团粒减少,揭示了红黏土在形成过程中,团粒内孔隙随着游离氧化铁的胶结陈化作用,整体孔隙逐渐变小。

可见对同一种土不同密度、深度,其小峰值孔径尺寸基本相同,此处对应的应是团粒内孔隙；而大的峰值尺寸处则变化较大,对应的是团粒间孔隙。而柳州红黏土的团粒内孔隙的孔径中心尺寸为0.13 μm。

对比原状土,以重塑土压汞试验结果如图3、图4所示。

图4 柳州重塑红黏土压汞试验孔径分布曲线Fig.4 Porosity distribution curve of the mercury injection test of red clay in Liuzhou

试验结果可知,柳州重塑红黏土孔隙分布情况呈现出以下特征。

(1)图3中孔隙累积分布曲线的总体趋势是随着试样干密度的减小逐渐上移的。

图3 柳州重塑红黏土压汞试验孔径累积曲线Fig.3 Cumulative pore diameter curve of mercury injection test of red clay in Liuzhou

(2)孔隙累积分布曲线分成明显的4段,分别以0.2 μm和20 μm为分界线,孔径小于0.2 μm的曲线和20～100 μm段的曲线相对陡峭,0.2～20 μm段以及100 μm以上段的曲线相对平缓。

(3)重塑红黏土双峰明显,孔隙分布均在0.01～0.2 μm出现第1个峰值,在20～100 μm出现第2个峰值,说明这两部分孔径的孔隙占了主要部分。

(4)随着重塑土干密度的增加,大孔隙逐渐减少,孔隙分布双峰随着干密度增加而向左移动。

对比原状土,由于重塑土受到了扰动,孔隙分布更为均匀、分散,而且原状土孔隙集中分布在1～100 nm,比较集中,且孔隙整体比较致密,这是由于土中针铁矿长期作用使颗粒之间胶结得更为紧密。而重塑土孔隙集中分布在10～1 000 μm和1 000～10 000 μm,由于没有经历时间沉淀,胶结作用不是太强,孔隙偏大,随着干密度的增加,孔隙体积减小,颗粒之间结合更为紧密,胶结性不断增强。两者之间都有孔隙重叠部分,即100～1 000 μm部分,在重塑过程中由于外力作用下,大孔隙可以被压缩,微孔隙难以压缩,只有随着长期胶结作用和固结作用才会慢慢减小。

根据压汞试验结果,可以肯定的是红黏土中孔径分布的双峰结构非常明显,结合红土的形成机理可以推测由于颗粒间聚合形成了聚合体,也就是团粒,团粒之间的结合构成了黏土骨架,而团粒之间的结合形成了大量的孔隙,而微孔隙是由于游离氧化铁的胶结作用使土颗粒相互胶结形成的,有原状样和重塑土之间对比可以发现由于长时间游离氧化铁的胶结作用,原状样第1个峰值明显高于重塑样。

一般认为团粒间的孔隙数量会随着外力的作用而产生变化,而团粒内的孔隙由于强胶结作用而保持稳定。根据上述思路,不同制样方法形成的土体的团粒内孔隙是稳定的,那么通过比较这些土样的孔径分布曲线,发现孔径尺寸保持恒定的部分孔隙即代表团粒内部孔隙。而且孔隙测量比较全面,覆盖面比较广,包括了大孔隙和微孔隙,整体孔隙分布和孔隙累积体积展示清晰,但是有关更小的微孔隙测试不够精确,无法估测。

2.2 氮吸附试验

在用氮吸附试验计算孔径分布时,通常认为脱附等温线比吸附等温线更适用,因为对相同体积的气体,脱附等温线对应的自由能更小,相对压力较小,更接近于真实的热力学平衡。测定结果不同孔径的孔体积分布如表4所示。

表4 柳州红黏土的孔隙分布Table 4 Porosity distribution of Liuzhou red clay

根据试验结果分析可得以下结果。

(1)从基岩面往上红黏土的在微孔和小孔范围内累积孔体积逐渐减小,且递减层次明显。观察原状样累积孔体积和孔分布曲线可知,柳州下层红黏土(LZ-B-5和LZ-B-7)的累积孔隙曲线在1.7～20 nm范围内基本重合,呈现明显分层现象,1.7～20 nm范围内下层红黏土累积孔体积明显高于上层黏土层。

(2)红黏土原状样在3.5～20 nm范围内的孔隙体积含量最多,且此范围内孔体积从下往上逐渐变小；并表现出明显的分上下两层现象。

(3)对比原状样与粉末样的孔体积分布曲线可知,碾磨之后的粉末样(粒径小于0.075 mm)曲线相对于原状样在中孔3.5～20 nm的孔隙体积变化不大,而在大于20 nm范围内的孔体积明显增多,因此可以推断:碾磨作用不会破坏土体团粒的结构单元(小于20 nm),原状土的结构性主要由团粒间的孔隙决定的。

(4)从基岩面往上,红黏土团粒内孔隙含量逐渐减少,并表现出较明显的分层现象,下层红黏土中团粒内孔隙体积含量明显大于上层红黏土,从而证明了氧化铁的胶结作用。

氮气吸附试验中不同土层,孔隙体积逐渐减小,且分层,由于土的自重以及长期的胶结氧化作用,在胶结作用下颗粒团粒产生结构作用,相对于压汞试验,氮气吸附更侧重于微孔隙的体积,测量精确度高,最小孔隙探测到1.7 nm,在微孔隙部分的分布情况比较详细,但是对于整体孔隙分布情况显示有限。从孔隙累积体积上看,在20 nm以下时压汞试验测得孔隙体积均小于氮气吸附试验,说明在微小孔隙方面氮气吸附试验测得的孔隙更为精确,压汞试验压力下细小孔隙难以进入；而在50 nm时，压汞试验测得孔隙累积体积则较大一点,说明在大孔隙测量方面压汞试验比较可靠。

从微观结构来看,红黏土中发育有大小不一的团粒,由于游离氧化铁的胶结作用,团粒内部具有高的稳定性,在一般的荷载作用或扰动下不会发生破坏,且团粒内部存在大量尺寸较小的孔隙,与团粒间孔隙一起构成红黏土的孔隙空间。

3 结论

(1)从基岩面到地表,红黏土孔体积逐渐变小,平均孔径逐渐变大,团粒内孔隙逐渐减少。可以推测红黏土形成过程中,团粒内孔隙随着游离氧化铁的胶结陈化作用,结构单元的胶结更密实。而重塑土由于没有经历时间沉淀,胶结作用不是太强,孔隙偏大；随着干密度的增加,孔隙体积减小。两者之间都有孔隙重叠部分,在重塑过程中由于外力作用下,大孔隙可以被压缩,为微孔隙难以压缩,只有随着长期胶结作用和固结作用才会慢慢减小。

(2)压汞和氮吸附试验结果表明，红黏土中孔径分布的双峰结构非常明显,而团粒内的孔隙由于强胶结作用而保持稳定,因此柳州红黏土的团粒内孔隙的孔径中心尺寸仅为0.13 μm,不同制样方法形成的土体的团粒内孔隙是稳定的。

(3)根据压汞试验结果,通过比较这些土样的孔径分布曲线,发现孔径尺寸保持恒定的部分孔隙即代表团粒内部孔隙。而且孔隙测量,覆盖面比较全面,包括了大孔隙和微孔隙,整体孔隙分布和孔隙累积体积展示清晰,但是有关更小的微孔隙测试不够精确,无法估测。

氮气吸附试验中不同土层,孔隙体积逐渐减小,由于土的自重以及长期的胶结氧化作用,在胶结作用下颗粒团粒产生结构作用,相对于压汞试验,氮气吸附更侧重于微孔隙的体积,测量精确度高,在微孔隙部分的分布情况比较详细,但是对于整体孔隙分布情况显示有限。