| 离子土固化剂加固红黏土的X射线衍射试验 崔德山1,项 伟1, JOACHIM Rohn2 (1.中国地质大学(武汉)工程学院,武汉 430074; 2.Department ofApplied Geology, University Erlangen-Nuremberg. Erlangen 91056, Germany) 摘要:红黏土不良物理性质与良好的力学特性之间的矛盾所带来的工程问题正引起学术界与工程界广泛的关注。 采用离子土固化剂(ISS)加固武汉市汉阳区的红黏土,能够有效地改变其物理性质与力学性质。为了研究经过离 子土固化剂处理前后的红黏土物相组成及黏土矿物晶面间距的变化,采用西门子D5000 X射线衍射仪,对红黏土 在Mg2+饱和、K+饱和、甘油饱和及在550℃加热条件下进行了X射线衍射实验。结果表明,经过离子土固化剂处 理过的红黏土,其物相没有明显改变,黏土矿物晶面间距有微小变化。 关 键 词:离子土固化剂;红黏土;X射线衍射;物相;晶面间距 中图分类号:TU446 文献标识码:A 1 概 述 红黏土是碳酸盐岩系出露区的岩石,经过更新 世以来,在湿热的环境中,由岩变土的一系列红土化 作用,形成并覆盖于基岩上,呈棕红、褐黄等色的高 塑性黏土[1, 2]。 湖北部分地区存在红黏土(如武汉市汉阳区), 主要是由冲洪积所形成的红白相间的网纹状红黏 土。红黏土地区的防洪大堤,乡村道路,临时公路, 建筑场地等,遇到下雨或雨后一段时间,路面就难以 行车、行人;待到天晴,原来的路面已经是面目全非。 红黏土不良物理性质与良好的力学特性之间的矛盾 所带来的工程问题正引起学术界与工程界广泛的关 注。如果采用水泥、粉煤灰加固,不仅施工周期长、 费用高,而且需要大量用来做骨料的砂、砾和石料。 而采用离子土固化剂(ISS)强固红黏土,不仅施工周 期短、费用低,而且保护环境[3, 4]。 但是在用ISS加固红黏土后,对红黏土的物相 组成是否发生变化,黏土矿物晶面间距是否发生改 变的认识不清楚。而X射线衍射技术一直以来被 认为是xxx的确定黏土矿物物相组成的方法。X 射线衍射技术是利用X射线在晶体中衍射与散射 效应,进行物相的定性和定量分析、结构类型和不完 整性分析的技术。X射线物相分析不能直接测定出 所鉴定物相的化学成分及各种元素含量的多少,而 只能根据鉴定出来的物相间接地推知它们的主要化 学组成。而且X射线衍射技术还可以测定材料的 结构、晶格畸变、晶粒大小、晶体取向、晶体内应力和 结晶度等[5]。作者对红黏土原样和经过ISS加固后 的红黏土的矿物成分和黏土矿物的晶面间距进行了 X射线衍射实验。 2 原料和实验方法 2.1 实验用土和固化材料 取武汉市汉阳区临时公路的原状红黏土,取样 深度为0~3 m,为网纹状红黏土。其物理性质及力 学性质见参考文献[6, 7]。固化材料为中国地质大 学(武汉)与长江科学院长江工程公司合作(2005 年)自主开发的成本低廉的经济型离子土固化剂, 黄褐色,具黏滞性。分子量为(5~20)×104,阳离子 交换容量为5~6 mg/100 g。 2.2 仪器设备 X射线衍射试验采用德国Erlangen-Nuremburg 大学应用地质系的西门子D5000型X射线衍射仪进 行,该仪器可以测试1平方英寸的样本。采用 GFL3016摇床摇动红黏土溶液;采用德国Bandelin超 声波清洗器对样品进行分散化处理;样品分离用德国 Heraeus公司D-37520 Osterode高速离心机进行。 2.3 试 剂 1NMgCl2———称102 gMgCl2·6H20,溶解,然 后用三重蒸馏水稀释到1 L。 1N KCl———称74. 6 gKC,l溶解,然后用三重蒸 馏水稀释到1 L。 1%甘油-乙醇溶液———量取2. 0 mL甘油并加 入198 mL95%的乙醇,搅拌。 1N AgNO3———称4. 5 gAgNO3,溶解,用三重蒸 馏水稀释到100 mL。 2.4 X射线衍射分析黏土样品的制备 传统的制样方法是用滴管将黏土泥浆平摊在载 玻片上,经蒸发后留下一层定向黏土薄膜[8]。这种 方法有不少缺点,不仅蒸发所需要的时间长,而且蒸 发温度也不好控制。本次实验是将黏土泥浆用滴管 滴在陶瓷片上,陶瓷片下面连接抽吸装置,几分钟便 可制好样品,这种方法在分析黏土矿物浓度低的物 质时特别有效。整个试验过程如下: (1)由于本次试验样品不含有碳酸钙和有机 质,所以不需要处理样品。首先将红黏土原样和经 过ISS处理的红黏土提取小于2μm的黏粒,并自然 风干。用玛瑙研钵将风干后的红黏土碎屑研成粉 末,取少量粉末样品放入氨水中,用摇动器摇晃一整 夜以便交换碱性阳离子。加氨的好处是使红黏土泥 浆中可溶盐沉淀,防止黏土薄片在干燥过程中与陶 瓷片脱离,避免影响X射线衍射结果。 (2)将摇晃过的黏土泥浆静止片刻,发现试管 底部依然有少量沉淀。这是因为虽然红黏土泥浆在 试验前已经提取了小于2μm黏粒,但是在风干时, 又会有部分胶粒黏结在一起,虽然用分散剂,摇晃并 用超声波分散,但仍然无法使其形成原始的胶粒状 态。所以笔者建议,尽量直接用黏土泥浆进行滴片。 (3)为了计算滴到陶瓷片上的黏土泥浆的体 积,先用移液管取1 mL液体放入坩埚,让其自然蒸 发,过夜,然后称量其质量,计算黏土片的质量。用 下面的公式计算获得50 mg黏土薄片所需的黏土泥 浆的体积,即:m1(g)×x1(mL)=m2(g)×x2(mL)。 如果在坩埚内蒸发后的黏土片的质量是0. 144 6 g, 那么公式就可写成: 0. 144 6(g)×1 (mL) = 0. 05 (g)×x(mL)。x就是所求的滴到陶瓷片上的 黏土泥浆的体积。 (4)开动抽吸装置,并将处理好的红黏土泥浆 用吸管滴在陶瓷片上,如此重复数次,直到所计算的 黏土泥浆被用完,而且陶瓷片上铺满了薄薄一层红 黏土。为了使红黏土黏粒能够较好地凝结,加入 1NMgCl23~4次,然后再用蒸馏水冲洗4~5次。 所有的红黏土原样和经ISS处理过的红黏土均用此 方法制成标准样。 3 实验结果 3.1 物相定性分析步骤 (1)用西门子X射线衍射仪获取被测试样物 相的衍射图谱; (2)通过对所获衍射图谱的分析和计算,获得 各衍射线条的2θ, d(晶面间距)及相对强度大小 I/I1(I是衍射线相对强度,I1为最强线的强度); (3)根据检索手册,查寻物相PDF卡片,并确 定矿物名称; (4)完成第(3)步以后,对剩余的衍射线重新 根据相对强度排序,重复查询PDF卡片,直至全部 衍射线能基本得到解释; (5)如果有不能肯定的解释结果,结合其他方 法,如Mg2+,K+饱和,甘油或乙二醇吸附,酸处理和 加热试样等,直到所有物相得到解释。 3.2 红黏土原样X射线衍射 X射线衍射线的位置取决于晶胞形状、大小,也 取决于各晶面间距;而衍射线的相对强度则取决于 晶胞内原子的种类、数目及排列方式。红黏土原样 的X射线衍射结果如图1所示。  通过图1可以定性地分析出,该红黏土中可能 含有的黏土矿物为伊利石、高岭石,并可能含有少量 的绿泥石,非黏土矿物为石英和长石。因为许多黏 土矿物单从他们的衍射图谱上往往难以判定是哪一 种矿物,所以至少应该结合甘油、加热处理等方法, 这将有助于查明实际黏土矿物[9]。虽然试样的粒 径是小于2μm,但试验结果的图谱说明并不是所有 的黏粒级(小于2μm)的矿物都是黏土矿物。特别 是对于长石的峰比较难判断,把黏土颗粒提取到 0. 1μm或更小也许可以去除长石[10]。 虽然伊利石、高岭石和绿泥石都呈层状硅酸盐 结构,但其结构类型并不相同,伊利石为2∶1型鳞片 状结构,高岭石为1∶1型片状结构,绿泥石为2∶1∶1 型针叶片状结构,这3种黏土矿物结构及衍射特征 见表1所示。  对于像这类没有膨胀性的黏土矿物组成的红黏 土,其膨胀率在53%[7],究其原因,可能是因为伊利 石、高岭石和绿泥石最活跃的表面是晶体断口,破坏 的是残缺部位的边缘部分,浸水后,在阳离子同像转 换作用下,产生一定的膨胀。 3.3 经ISS处理后红黏土的X射线衍射 离子土固化剂(ISS),是一种由若干强离子试剂 组合而成的水溶剂,当它溶于水后迅速离子化而使 水溶液呈高导电性。根据文献[6, 7], ISS与水溶液 的{zy}体积比为1∶250。当少量的ISS置于水中时, 由于溶液中含有大量高价离子,能够置换出土中的阳 离子并使水离子化,促使黏土矿物晶面间距发生微小 变化,如图2所示,晶面间距变化的值非常小,但都有 使晶面间距变小的趋势(表2)。这可能是因为ISS 置换出土中的低阶阳离子,减小了层间距,重新使土 粒中正负电荷达到平衡[11]。另一方面ISS溶解出来 的阳离子打开了胶粒与水分子之间的“电化键”,而使 水分子离开黏土颗粒进入周围的自由水中,使晶层水 合度降低,从而使黏土矿物晶面间距变小。   3.4 甘油饱和 因为在对红黏土进行粉末衍射时,发现在 14. 95 处有一个比较明显的衍射峰。为了确定该 红黏土矿物中是否含有蒙脱石类黏土矿物,决定用 甘油进行饱和。在Mg2+饱和后,加入浓度为1%甘 油的目的就是用来测试蒙脱石类黏土矿物,因为只 要有这类黏土矿物,其晶面间距可以达到18 。在 向黏土片滴甘油时,注意控制甘油的用量,如果甘油 过多,就会造成甘油吸附在黏土薄片的表面,这样做 出来的XRD图谱衍射峰就会变细。 红黏土泥浆和经ISS处理过的红黏土用甘油饱 和后的X射线衍射图谱如图3所示,因为在18 附 近没有发现有衍射峰,所以从衍射图谱可以得出结 论,该红黏土中并不含有蒙脱石类黏土矿物。  3.5 K+饱和 在14. 2 处,有可能是蛭石的衍射峰,为了确 定该红黏土中是否含有蛭石,将试样用K+饱和,然 后风干,再进行X射线衍射试验。在用K+饱和后, 如果黏土片出现剥离现象,需再次清洁载样的陶瓷 片。如果清洁后的陶瓷片还发生剥离现象,需稀释 黏土泥浆溶液。 因为经K离子饱和,风干的黏土薄片在6. 2°2θ 出现14. 2 的峰,所以需要对黏土薄片进行加热。 这是因为在14. 2 这个位置有可能出现2种矿物, 一种是蛭石,一种是绿泥石。蛭石在K离子饱和 后, 14. 2 的峰会移向10 ,但是如果该峰依然存 在,则可直接将黏土薄片加热到550℃,并持续2 h, 然后再进行X射线衍射,如果14. 2 的峰移到 13. 8 ,则说明是绿泥石。 从图4可以看到,原样和经ISS处理后的红黏 土本来就不太明显的14. 2 的峰并没有变化,由此 可以得出,该红黏土中不含蛭石类黏土矿物。  3.6 550℃加热 将经过K离子饱和过的定向薄膜样品加热到 550℃,恒温2 h后,再作X射线衍射分析。从图5 上可以看到7. 15 和3. 57 衍射峰消失,这是因为 高岭石的晶体结构已遭破坏,而绿泥石的14. 15 衍 射峰稍微移向高角度方向,变为13. 98 ,其他衍射 峰也大大减弱,在4. 69 和3. 52 处的衍射峰甚至 消失。虽然可以确定样品中有绿泥石,但其含量很 小。 4 ISS加固红黏土物相组成分析 通过对红黏土原样,对经ISS加固后的红黏土 X射线衍射对比可知,与红黏土反应前后,其化学性 质未改变。这是因为ISS本身只是一种催化剂, ISS 加固红黏土,其离解出的高价阳离子与红黏土颗粒 表面的阳离子产生交换作用,赶走吸附在黏土表面 的、非常容易亲水的阳离子,取而代之的是亲水性较 低、黏结力较强的铝离子及其水化合物。 红黏土的黏土矿物是以高岭石、伊利石为主,并 含有少量的绿泥石。通过对被ISS加固前后的衍射 图谱可知,红黏土的物相组成并未发生改变。  5 结 论 通过对红黏土原样和经过ISS加固过的红黏土 X射线衍射图谱的对比分析,可以得到如下结论: (1) ISS加固红黏土后,在土粒表面铺展开,侵 占在黏土表面上空出的离子的位置。与红黏土反应 前后, ISS化学性质未改变。 (2)掺入ISS后没有新相出现, ISS掺进去后, 其衍射谱与没掺入前基本上是一样的谱线。这是因 为掺杂只是原子占位的问题,原来的原子位置被 ISS原子所占有。相反,如果有新相出现,就说明 ISS没有掺进去,或者是ISS过多。 (3)渗入ISS后晶面间距只是发生了很少的改 变,因为峰位的变化很微小。 参考文献: [1] 岩土工程手册编写委员会.岩土工程手册[M].北京: 中国建筑工业出版社, 1994. 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