天然紅土粒料礦物組成及其對(duì)工程性能影響分析

周興業(yè)， 蔣勇， 王旭東

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 基礎(chǔ)研究創(chuàng)新中心， 北京市 100088； 2.中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司)

紅土粒料是世界上廣泛分布的一種筑路材料，特別是在非洲的公路工程建設(shè)中使用較為普遍。近年來(lái)，隨著中國(guó)援非項(xiàng)目的增多，中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于紅土粒料的研究和應(yīng)用也逐漸引起關(guān)注。一般而言，優(yōu)質(zhì)天然紅土粒料可以直接用于填筑路基或上路床，也可通過(guò)摻入天然砂降低塑性指數(shù)的方式用于水泥穩(wěn)定基層中。已有研究中，周大全認(rèn)為當(dāng)紅土粒料用于底基層時(shí)，為避免相鄰兩層的模量比過(guò)大，需采用水泥或石灰對(duì)紅土粒料進(jìn)行處理，摻加量需通過(guò)試驗(yàn)確定；曹長(zhǎng)偉認(rèn)為天然紅土粒料中摻加30%的粗粒碎石和20%的砂后液塑限下降幅度最大，用于基層時(shí)具有最好的工程性質(zhì)；還有些研究采用水泥穩(wěn)定摻砂紅土粒料，用于路面基層以下各個(gè)結(jié)構(gòu)層的填筑。

事實(shí)上，紅土粒料的工程性質(zhì)與其礦物組成和演變過(guò)程密不可分，但目前研究多數(shù)針對(duì)的是它的工程特性，很少涉及紅土粒料的礦物組成對(duì)其使用性能的影響，對(duì)天然紅土粒料的認(rèn)識(shí)也并不全面，導(dǎo)致其物理、力學(xué)性質(zhì)所表現(xiàn)出的某些現(xiàn)象無(wú)法合理解釋。特別是，由于紅土粒料的形成機(jī)理和礦物組成的復(fù)雜性，多數(shù)天然紅土粒料具有不良的工程性質(zhì)，如：大顆粒和細(xì)粒土含量過(guò)高導(dǎo)致其抗破碎能力不足、物理力學(xué)性能隨風(fēng)化程度或母巖的種類變化多樣、同區(qū)域紅土粒料的變異性過(guò)大等，都大大限制了其作為高等級(jí)公路筑路材料的應(yīng)用。因此，如果能夠?qū)t土粒料的礦物組成進(jìn)行系統(tǒng)分析，尋找到礦物組成與物理、力學(xué)等工程性能的相關(guān)關(guān)系，對(duì)于紅土粒料的工程應(yīng)用具有十分重要的意義。

該文選取非洲塞內(nèi)加爾某高速公路沿線不同產(chǎn)地的7種紅土粒料作為研究對(duì)象，通過(guò)礦物組成分析、工程性能試驗(yàn)及其在路面基層材料中的路用性能評(píng)價(jià)，研究天然紅土粒料化學(xué)組成與工程性能的相關(guān)性，為工程應(yīng)用提供切實(shí)可行的技術(shù)指導(dǎo)。

1 天然紅土粒料基本性能分析

1.1 表觀特征

表1為研究選擇的塞內(nèi)加爾7種紅土粒料的基本特征觀測(cè)結(jié)果。

從表1可以看出：7種紅土粒料的顏色多呈紅褐色，破碎后新鮮面多為深褐色，濕潤(rùn)后多呈褐色。礫石表面粗糙多孔，類似于一般工業(yè)廢渣。大顆粒硬化程度高；中顆粒較為堅(jiān)硬，但部分顆粒容易在輕敲后破碎；細(xì)顆粒表觀特征與中國(guó)國(guó)內(nèi)紅黏土相類似，未見(jiàn)細(xì)顆粒成團(tuán)結(jié)塊現(xiàn)象。

1.2 礦物組成分析

為了確定天然紅土粒料的化學(xué)組成，采用X射線衍射物相分析方法對(duì)7種材料進(jìn)行試驗(yàn)，得到各自的X 射線衍射圖譜，利用 JADE 軟件對(duì)圖譜進(jìn)行半定量分析，通過(guò)計(jì)算得到各化學(xué)物成分含量百分比，如表2所示。

表1 紅土粒料基本特征

表2 紅土粒料礦物組成 %

1.2.1 化學(xué)組成分析

從表2可以看出:天然紅土粒料主要含有氧化鐵、氧化鋁、氧化硅等氧化物，主要組成為高嶺石[化學(xué)式為：Al4(Si4O10)(OH)8]、石英(化學(xué)式為：SiO2)、褐鐵礦[化學(xué)式為：FeO(OH)×nH2O]、纖磷鈣鋁石{化學(xué)式為：(Ca，Sr，Pb)2Al7[(OH)16(PO4)3]×3H2O}等礦物。其中：① 鐵元素(Fe)主要存在于褐鐵礦中，F(xiàn)e元素含量和礦物種類決定了紅土粒料的顏色和部分工程性能，會(huì)導(dǎo)致不同粒徑的天然紅土粒料在表觀上表現(xiàn)為不同程度的紅色或赤褐色。同時(shí)，由于褐鐵礦石結(jié)晶程度高，尺寸穩(wěn)定性好，可以為顆粒提供一定的強(qiáng)度、硬度和剛度；② 鋁元素(Al)主要存在于高嶺石中，由于高嶺石礦物具有穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)，甚至在潮濕狀態(tài)下也能保持其晶格結(jié)構(gòu)，在水環(huán)境下引起的膨脹和收縮較小；此外，高嶺石屬于黏土礦物，結(jié)構(gòu)較為脆弱，其存在降低了顆粒的抗沖擊性能，使顆粒較易破碎；③ 硅元素(Si)主要以石英礦物的形式存在，少部分存在于高嶺石礦物中，由于石英具有相對(duì)較大的強(qiáng)度和硬度，結(jié)晶度高，物理、化學(xué)穩(wěn)定性好，因此石英含量越高，紅土粒料的工程性能越好。

1.2.2 不同產(chǎn)地紅土粒料礦物組成分析

從表2可以看出：不同產(chǎn)地紅土粒料的礦物組成差異較大。 ① 除A高速的K0發(fā)白紅土粒料之外，A高速和B高速沿線紅土粒料主要成分均為高嶺石，含量占50%～75%，其次為石英，再次為褐鐵礦；C高速沿線紅土粒料主要成分為石英，含量占55%以上，其次為褐鐵礦、占30%左右，并含有13%左右的高嶺石和少量長(zhǎng)石；A高速的K0發(fā)白紅土粒料主要成分為纖磷鈣鋁石，含量占63%，其次為褐鐵礦、占19%，并含有13%左右的高嶺石和少量石英。由此可見(jiàn)，7種不同產(chǎn)地天然紅土粒料由于礦物組成不同，導(dǎo)致其化學(xué)組成差異較大，由此表現(xiàn)出來(lái)的表觀特征和工程特性明顯不同；② 一般而言，石英和褐鐵礦含量越高，礦物結(jié)晶程度越高、紅土粒料氧化結(jié)核程度越深，其強(qiáng)度和硬度越大。此外，礦物晶格結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，材料的工程性能越差，因高嶺石和石英通常具有穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)，而纖磷鈣鋁石的晶格結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，因此高嶺石和石英含量較大的紅土粒料(如A高速K6紅土粒料、C高速紅土粒料等)，工程性能一般較好；而富含纖磷鈣鋁石的A高速K0發(fā)白紅土粒料工程性能較差。

2 礦物組成對(duì)工程性能的影響

天然紅土粒料的工程性能主要包括天然狀態(tài)下的粒徑、界限含水率、亞甲藍(lán)等，以及重型擊實(shí)和水泥穩(wěn)定后的路用性能。該文主要針對(duì)紅土粒料的界限含水率和重型擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度及最佳含水率進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 紅土粒料的工程性能試驗(yàn)結(jié)果

2.1 礦物組成對(duì)界限含水率的影響

圖1為紅土粒料中高嶺石和石英總含量與液限的關(guān)系曲線。

圖1 紅土粒料中高嶺石和石英含量與液限的相關(guān)關(guān)系

從圖1可以看出：隨著高嶺石和石英總含量的增加，紅土粒料液限呈先增大后減小的二次曲線變化，A高速K0包邊土粒料對(duì)應(yīng)著二次曲線峰值點(diǎn)位置、高嶺石和石英總含量為82.7%，C高速紅土粒料對(duì)應(yīng)著圖中二次曲線左側(cè)液限最低的數(shù)據(jù)點(diǎn)、高嶺石和石英總含量為68.2%，A高速K58紅土粒料對(duì)應(yīng)著圖中二次曲線右側(cè)液限最低的數(shù)據(jù)點(diǎn)、高嶺石和石英總含量為99.5%。由表2、3可知：液限最高的A高速K0包邊土粒料中高嶺石含量為73.7%、石英含量為9.0%，液限較低的C高速紅土粒料中高嶺石含量為12.9%、石英含量為55.3%，液限較低的A高速K58紅土粒料中高嶺石含量為57.8%、石英含量為41.7%。從礦物組成成分和組成比例來(lái)看，液限較低的兩種紅土粒料，石英含量均較高，占總礦物成分的40%以上，受石英自身液限較低的影響，紅土粒料的石英含量越多，其液限會(huì)越小，因此7種紅土粒料中，石英含量較高的C高速紅土粒料以及A高速K58紅土粒料的液限是最低的；反之，由于A高速K0包邊土粒料中的石英含量最少、高嶺石含量最多，因此它的液限也最高。由此可見(jiàn)，紅土粒料的化學(xué)組成對(duì)界限含水率具有明顯的影響。

2.2 礦物組成對(duì)重型擊實(shí)最大干密度的影響

圖2、3分別為紅土粒料中石英含量、高嶺石和石英總含量與重型擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度的相關(guān)關(guān)系。

圖2 紅土粒料石英含量與最大干密度相關(guān)關(guān)系

圖3 紅土粒料高嶺石和石英總含量與最大干密度的相關(guān)關(guān)系

從圖2中可以看出：隨著石英含量的增加，紅土粒料重型擊實(shí)的最大干密度數(shù)值逐漸增大，呈單調(diào)遞增趨勢(shì)變化。而圖3結(jié)果表明：隨著高嶺石和石英總含量的增加，紅土粒料重型擊實(shí)的最大干密度呈先減小后增大的二次曲線變化，當(dāng)高嶺石和石英總含量為82%時(shí)，最大干密度最小，由前面的研究結(jié)果可知，此時(shí)紅土粒料的液限也最大。說(shuō)明紅土粒料中的石英含量以及高嶺石與石英的總含量，對(duì)紅土粒料的重型擊實(shí)試驗(yàn)都具有較為明顯的影響。

2.3 礦物組成對(duì)水泥穩(wěn)定紅土粒料強(qiáng)度的影響

表4為A高速4種礦物組成差異較大的紅土粒料水泥穩(wěn)定后的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

表4 水泥穩(wěn)定紅土粒料7 d強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

從表4可以看出：經(jīng)過(guò)水泥穩(wěn)定以后，在相同水泥劑量、相同養(yǎng)生條件下，K6和K58紅土粒料的7 d強(qiáng)度要明顯大于K0發(fā)白紅土粒料。這主要是由于，K6和K58紅土粒料的石英和褐鐵礦含量較高，礦物結(jié)晶程度較高，其強(qiáng)度和硬度明顯高于K0發(fā)白紅土粒料。同時(shí)，因K6和K58紅土粒料富含具有穩(wěn)定晶格結(jié)構(gòu)的高嶺石和石英，而K0發(fā)白紅土粒料中纖磷鈣鋁石的含量較高、其晶格結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，由于礦物晶格結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定、材料的工程性能越差，因此K0發(fā)白紅土粒料工程性能要更差。

3 結(jié)論

選取非洲塞內(nèi)加爾某高速公路沿線不同產(chǎn)地的7種紅土粒料，開(kāi)展了礦物組成分析、工程性能試驗(yàn)及其在路面基層材料中的路用性能評(píng)價(jià)，研究了天然紅土粒料礦物組成與工程性能的相關(guān)性。結(jié)果表明：

(1) 天然紅土粒料主要含有氧化鐵、氧化鋁、氧化硅等氧化物，主要組成為高嶺石、石英、褐鐵礦、纖磷鈣鋁石等礦物。鐵元素主要存在于褐鐵礦中、鋁元素主要存在于高嶺石中、硅元素主要存在于石英礦物中。鐵元素含量和礦物種類決定了紅土粒料的顏色和部分工程性能；高嶺石礦物具有穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)，甚至在潮濕狀態(tài)下也能保持其晶格結(jié)構(gòu)，在水環(huán)境下引起的膨脹和收縮較小；石英具有相對(duì)較大的強(qiáng)度和硬度，結(jié)晶度高，物理、化學(xué)穩(wěn)定性好，因此石英含量越高，紅土粒料的工程性能越好。

(2) 不同產(chǎn)地紅土粒料的礦物組成差異較大。7種不同產(chǎn)地天然紅土粒料由于礦物組成不同，導(dǎo)致其化學(xué)組成差異較大，由此表現(xiàn)出來(lái)的表觀特征和工程特性明顯不同。

(3) 隨著高嶺石和石英總含量的增加，紅土粒料液限呈先增大后減小的二次曲線變化，紅土粒料的礦物組成對(duì)界限含水率具有明顯的影響。

(4) 隨著石英含量的增加，紅土粒料重型擊實(shí)的最大干密度數(shù)值逐漸增大，呈單調(diào)遞增趨勢(shì)變化。而隨著高嶺石和石英總含量的增加，紅土粒料重型擊實(shí)的最大干密度呈先減小后增大的二次曲線變化。紅土粒料中的石英含量以及高嶺石與石英的總含量，對(duì)紅土粒料的重型擊實(shí)試驗(yàn)都具有較為明顯的影響。

(5) 水泥穩(wěn)定以后，在相同水泥劑量、相同養(yǎng)生條件下，石英和褐鐵礦含量較高的紅土粒料，礦物結(jié)晶程度較高，其強(qiáng)度和硬度明顯高于纖磷鈣鋁石含量高的發(fā)白紅土粒料。礦物晶格結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，材料的工程性能越差。