膨脹土礦物分析論文

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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行了鑒定，并根據衍射峰的強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元素組成進行了測定和分析，最后對鄂北膨脹土的結核現象進行了分析。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度形成機理具有重要的意義；并為今后膨脹土的研究和應用提供了一定的理論依據。

關鍵詞：膨脹土礦物成分化學成分XRDEDX

1前言

膨脹土的特殊工程性質是受其礦物組成和化學成分控制的。研究膨脹土礦物組成和化學成分不僅是了解控制膨脹土工程性質的內在因素；探討其膨脹機理所必須的，而且是膨脹土性質改良和加固，以及探討膨脹土研究的新技術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，而且取決于其主要的粘土礦物類型以及其它物理化學性質[1][2]。本文利用X射線衍射（XRD）和X射線能譜（EDX）等技術手段，研究了鄂北膨脹土和改性膨脹土的礦物組成和化學成分以及膨脹土的結核現象。

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行準確鑒定。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度來達到，并可根據衍射峰的強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。一般來說，粗粒在膨脹土中含量有限，對其脹縮性質影響不大，而影響膨脹土工程性質主要是細粒部分的粘土礦物，特別是蒙脫石類的礦物。

圖1膨脹土X射線衍射圖

圖1是鄂北荊門地區膨脹土風干樣品的X射線粉晶衍射圖，據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。通過定量計算衍射峰的強度和半高寬等，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。應指出的是，在鄂北地區各地段膨脹土中，不同類型粘土礦物所占比例及其組合形式各有差異，這是由于各地區在成土過程中，母巖的堆積環境以及風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

本文結果

9

40

22

19

10

文獻[3]

8~16

22~55

32~57

—

—

3膨脹土的化學成分

美國通用電器公司生產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理，將石灰和粉煤灰處理前后的土樣分別進行SEM圖像分析，利用EDX分析顆粒連接點成分。作者利用X射線能譜技術測定膨脹土SEM圖像中任意點的化學元素組成。分析時將一束細小的電子探針打擊到所要研究的點上，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的化學成分，從而達到對元素定性和定量分析目的。

本文利用EDX技術分析了石灰和粉煤灰對膨脹粘土穩定性的影響。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給出了它們的化學成分與含量。表2顯示，膨脹土的化學成分含量雖有差異，但主要是SiO2、Al2O3和Fe2O3，三種氧化物總量為84.11%，這一現象表明，在粗顆粒中石英礦物相對富集，而細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，表明它的風化淋濾程度有限，化學風化程度較低，只要氣候、水介質與氧化還原等環境條件發生改變時，還將進一步風化。如促使伊利石脫鉀轉變為蛭石或蒙脫石，導致膨脹土的親水性增強，從而使膨脹土的工程性質進一步惡化。

從表2中還看出，膨脹土經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理具有重要的意義。由于粉煤灰的主要成分是SiO2，因而導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成分與含量（%）

化學成分

Na2O

MgO

Al2O3

SiO2

K2O

CaO

TiO2

MnO

Fe2O3

SiO2/

Al2O3

純膨脹土

2.65

3.71

22.39

50.20

2.49

1.19

1.25

4.60

11.52

3.81

膨脹土+9%石灰

1.06

4.12

11.73

45.66

1.67

31.35

0.94

3.46

膨脹土+50%粉煤灰

1.58

5.30

15.53

58.88

1.74

12.04

1.00

3.93

比較三者光譜可以發現，經石灰和粉煤灰處理后，土樣顆粒膠結物中鈣離子的含量明顯增加，使顆粒間連接力增加，從而導致土體膨脹性和收縮性降低。經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。由于膨脹土可塑性減小往往導致土體的膨脹勢減小，因而減小了土的脹縮性。此外，經石灰處理后增加了膨脹土的pH值，從而進一步增加了這種離子交換能力。

粉煤灰處理膨脹土的機理在于：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膨脹土的結核

對鄂北膨脹土的現場調查表明，無論何種成因類型的膨脹土或多或少含有一定數量的結核。這些結核大多組成膨脹土的粒狀物質，一部分富集成層成為土中骨架，對膨脹土路堤邊坡的穩定性起著重要的作用。因此，研究膨脹土中的結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核，利用EDX技術對其成分進行分析。結果表明：鄂北膨脹土中的結核以鐵錳質結核為主，存在少量的鈣質結核。結核的生成是膨脹土在成土過程中地球化學作用的結果。它與一定的地形、氣候和地下水活動等條件有密切關系。

膨脹土鐵錳結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散，并被氧化而形成Fe3+、Mn3+的化合物而產生沉淀，形成鐵錳結核。

鄂北膨脹土的鐵錳結核形狀各異，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層面附近，含量變化范圍5%~15%，由于含量小于20%，未能在膨脹土中起骨架作用，對提高土體的強度作用不十分明顯。

5小結

本文利用X射線衍射（XRD）和X射線能譜（EDX）等技術手段，研究鄂北中等膨脹土的礦物組成和化學成分以及結核現象，并得到以下結論：

(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而變化，這取決于它在沉積過程中的周圍環境。鄂北荊門地區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)鄂北荊門地區膨脹土的化學成分主要是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變為蛭石或蒙脫石，導致膨脹土的親水性增強，從而使膨脹土的工程性質進一步惡化。

(3)鄂北荊門地區膨脹土中的結核以鐵錳質結核為主，存在少量的鈣質結核。由于結核含量小于20%，未能在膨脹土中起骨架作用，對提高土體的強度作用不十分明顯。

(4)經石灰和粉煤灰處理后，膨脹土樣顆粒膠結物中鈣離子的含量明顯增加，使顆粒間連接力增加，從而導致土體膨脹性和收縮性降低。經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

[1]MitchellJK.Fundamentalsofsoilbehavior.NewYork:JohnWileyandSonsInc,SecondEdition,1993,131～160

[2]MorgenstemNR.TchalenkoJS.MicroscopicstructureinKaolinsubjectedtodirectshear.Geotechnique,1967,17(4):309～328

[3]膨脹土地區建筑技術規程（GBJ112-87）