膨胀土的矿物组成和化学成分分析

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摘要：本文首先利用X射线衍射（XRD）对鄂北膨胀土中的不同矿物组成成分进行了鉴定，并根据衍射峰的强度和半高宽定量分析了各成分的含量，然后利用X射线能谱（EDX）对鄂北膨胀土中的化学元素组成进行了测定和分析，最后对鄂北膨胀土的结核现象进行了分析。其研究成果对评价鄂北膨胀土页岩的潮解特性，揭示膨胀土和改性膨胀土特性以及强度形成机理具有重要的意义；并为今后膨胀土的研究和应用提供了一定的理论依据。

  关键词：膨胀土矿物成分化学成分XRDEDX1前言膨胀土的特殊工程性质是受其矿物组成和化学成分控制的。研究膨胀土矿物组成和化学成分不仅是了解控制膨胀土工程性质的内在因素；探讨其膨胀机理所必须的，而且是膨胀土性质改良和加固，以及探讨膨胀土研究的新技术和新方法所必不可少的。膨胀土在路堤施工和路堤使用时期，其特性不仅取决于膨胀土页岩的剥蚀和潮解的性质，而且取决于其主要的粘土矿物类型以及其它物理化学性质[1][2]。本文利用X射线衍射（XRD）和X射线能谱（EDX）等技术手段，研究了鄂北膨胀土和改性膨胀土的矿物组成和化学成分以及膨胀土的结核现象。2膨胀土的矿物组成X射线衍射仪可对膨胀土中的不同矿物进行准确鉴定。粘土矿物的测定可利用粘土矿物X射线衍射图谱，通过比较主要的峰值和判断其强度来达到，并可根据衍射峰的强度和半高宽定量分析某种矿物在膨胀土中的含量。   通常膨胀土的矿物成分包括粘土矿物和碎屑矿物。碎屑矿物主要成分为石英、云母和长石，其次为方解石和石膏等矿物，碎屑矿物是粗粒部分的主要组成物质。一般来说，粗粒在膨胀土中含量有限，对其胀缩性质影响不大，而影响膨胀土工程性质主要是细粒部分的粘土矿物，特别是蒙脱石类的矿物。图1膨胀土X射线衍射图   图1是鄂北荆门地区膨胀土风干样品的X射线粉晶衍射图，据JCPDS卡片查对，鉴定出的主要粘土矿物的伊利石、蒙脱石、高岭石、石英、正长石和斜长石。通过定量计算衍射峰的强度和半高宽等，给出的膨胀土矿物组合及含量如表1所示。从中看出，荆门膨胀土的粘土矿物以伊利石和高岭石为主，分别占总量的45%和25%，而蒙脱石含量有限，仅占7%左右。应指出的是，在鄂北地区各地段膨胀土中，不同类型粘土矿物所占比例及其组合形式各有差异，这是由于各地区在成土过程中，母岩的堆积环境以及风化程度等方面的差异所形成。表1膨胀土矿物成分与含量（%）矿物成分蒙脱石伊利石高岭石石英长石本文结果940221910文献[3]8~1622~5532~57——3膨胀土的化学成分美国通用电器公司生产Phoenix能谱仪（EDAX）作为扫描电子显微镜的附件配置在JSM-5610LV型扫描电子显微镜中使用，主要用于元素的定性和定量分析。为了研究膨胀粘土颗粒与石灰和粉煤灰之间的机理，将石灰和粉煤灰处理前后的土样分别进行SEM图像分析，利用EDX分析颗粒连接点成分。作者利用X射线能谱技术测定膨胀土SEM图像中任意点的化学元素组成。分析时将一束细小的电子探针打击到所要研究的点上，这样可以得到一系列的X射线光谱，通过光谱分析确定该点的化学成分，从而达到对元素定性和定量分析目的。   本文利用EDX技术分析了石灰和粉煤灰对膨胀粘土稳定性的影响。为了降低膨胀土的膨胀和收缩，将膨胀土样分别掺以9%的石灰粉和50%的粉煤灰（重量百分比）。表2给出了它们的化学成分与含量。表2显示，膨胀土的化学成分含量虽有差异，但主要是SiO2、Al2O3和Fe2O3，三种氧化物总量为84.11%，这一现象表明，在粗颗粒中石英矿物相对富集，而细小的粘土颗粒中铝硅酸盐粘土矿物相对富集。   在膨胀土的胶粒化学成分中，硅铝分子比率为3.81，表明矿物成分以伊利石为主，同鉴定结果粘土矿物成分以伊利石为主基本相吻合。在膨胀土的化学成分中，较活泼的元素K、Na、Ca、Mg等碱金属和碱土金属含量普遍较高，表明它的风化淋滤程度有限，化学风化程度较低，只要气候、水介质与氧化还原等环境条件发生改变时，还将进一步风化。如促使伊利石脱钾转变为蛭石或蒙脱石，导致膨胀土的亲水性增强，从而使膨胀土的工程性质进一步恶化。   从表2中还看出，膨胀土经石灰和粉煤灰改性处理后，增加了膨胀土中的CaO和MgO组分的含量，减小了Na2O和K2O成分含量。这对解释石灰和粉煤灰处理膨胀土的机理具有重要的意义。由于粉煤灰的主要成分是SiO2，因而导致粉煤灰改性膨胀土中的SiO2含量增加。表2膨胀土和改性膨胀土的化学成分与含量（%）化学成分Na2OMgOAl2O3SiO2K2OCaOTiO2MnOFe2O3SiO2/Al2O3纯膨胀土2.653.7122.3950.202.491.191.254.6011.523.81膨胀土+9%石灰1.064.1211.7345.661.6731.350.943.46膨胀土+50%粉煤灰1.585.3015.5358.881.7412.041.003.93比较三者光谱可以发现，经石灰和粉煤灰处理后，土样颗粒胶结物中钙离子的含量明显增加，使颗粒间连接力增加，从而导致土体膨胀性和收缩性降低。经石灰处理后的土样与掺粉煤灰处理相比，其钙离子含量的增加更为明显，对膨胀土的改性效果更好。   石灰处理膨胀土的机理在于：石灰掺入后极大地增加了膨胀土中的Ca2+、Mg2+离子。众所周知，石灰遇水的消解反应和阳离子交换作用，使膨胀土中的Na+、K+离子逐步被Ca2+、Mg2+离子所替换，从而显著减小了膨胀土的塑性指数。由于膨胀土可塑性减小往往导致土体的膨胀势减小，因而减小了土的胀缩性。此外，经石灰处理后增加了膨胀土的pH值，从而进一步增加了这种离子交换能力。   粉煤灰处理膨胀土的机理在于：呈空心球状的粉煤灰颗粒，其主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3等，在二价和三价阳离子（如Si4+、Al3+、Fe3+等）的电离作用下，对分散的粘土颗粒产生絮凝作用，可减少膨胀土颗粒的比表面积和亲水性，从而减小膨胀土的胀缩性。4膨胀土的结核对鄂北膨胀土的现场调查表明，无论何种成因类型的膨胀土或多或少含有一定数量的结核。这些结核大多组成膨胀土的粒状物质，一部分富集成层成为土中骨架，对膨胀土路堤边坡的稳定性起着重要的作用。因此，研究膨胀土中的结核及其含量有重要的工程意义。   对鄂北膨胀土块状样品剥离出若干粒状的结核，利用EDX技术对其成分进行分析。结果表明：鄂北膨胀土中的结核以铁锰质结核为主，存在少量的钙质结核。结核的生成是膨胀土在成土过程中地球化学作用的结果。它与一定的地形、气候和地下水活动等条件有密切关系。   膨胀土铁锰结核的成因可解释为在膨胀土中的氧化—还原界面上，由于存在着不同的氧化还原电位值，使其下部的铁锰被还原成Fe2+和Mn2+，由于这些元素的低价化合物比高价化合物的溶解度大，于是在水中的浓度较高，便逐渐向上部水中扩散，并被氧化而形成Fe3+、Mn3+的化合物而产生沉淀，形成铁锰结核。   鄂北膨胀土的铁锰结核形状各异，大小不等，一般粒径在20~150mm之间，小者2~10mm。部分富集成层或呈透镜体状，有时集中分布在裂隙或层面附近，含量变化范围5%~15%，由于含量小于20%，未能在膨胀土中起骨架作用，对提高土体的强度作用不十分明显。5小结本文利用X射线衍射（XRD）和X射线能谱（EDX）等技术手段，研究鄂北中等膨胀土的矿物组成和化学成分以及结核现象，并得到以下结论：   (1)粘土矿物相对百分含量，可用鉴定粘土矿物的X-射线衍射图谱来测定。粘土矿物相对百分含量常随地区而变化，这取决于它在沉积过程中的周围环境。鄂北荆门地区中等膨胀土的粘土矿物以伊利石和高岭石为主，该各地段膨胀土中，不同类型粘土矿物所占比例极其组合形式存在一定的差异。   (2)鄂北荆门地区膨胀土的化学成分主要是SiO2、Al2O3和Fe2O3，三种氧化物总量为84.11%，表明在粗颗粒中石英矿物相对富集，而细小的粘土颗粒中铝硅酸盐粘土矿物相对富集，较活泼的元素K、Na、Ca、Mg等碱金属和碱土金属含量普遍较高，有可能促使伊利石转变为蛭石或蒙脱石，导致膨胀土的亲水性增强，从而使膨胀土的工程性质进一步恶化。   (3)鄂北荆门地区膨胀土中的结核以铁锰质结核为主，存在少量的钙质结核。由于结核含量小于20%，未能在膨胀土中起骨架作用，对提高土体的强度作用不十分明显。   (4)经石灰和粉煤灰处理后，膨胀土样颗粒胶结物中钙离子的含量明显增加，使颗粒间连接力增加，从而导致土体膨胀性和收缩性降低。经石灰处理后的土样与掺粉煤灰处理相比，其钙离子含量的增加更为明显，对膨胀土的改性效果更好。参考文献[1]MitchellJK.Fundamentalsofsoilbehavior.NewYork:JohnWileyandSonsInc,SecondEdition,1993,131～160   [2]MorgenstemNR.TchalenkoJS.MicroscopicstructureinKaolinsubjectedtodirectshear.Geotechnique,1967,17(4):309～328   [3]膨胀土地区建筑技术规程（GBJ112-87）