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利用原子力显微镜探针刺入测试黏土颗粒水化膜厚度的试验研究

郭永春 屈智辉 许福周 周相贵

郭永春, 屈智辉, 许福周, 周相贵. 利用原子力显微镜探针刺入测试黏土颗粒水化膜厚度的试验研究[J]. 水文地质工程地质. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202012060
引用本文: 郭永春, 屈智辉, 许福周, 周相贵. 利用原子力显微镜探针刺入测试黏土颗粒水化膜厚度的试验研究[J]. 水文地质工程地质. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202012060
GUO Yongchun, QU Zhihui, XU Fuzhou, ZHOU Xianggui. An experimental study of the measuring hydration film thickness of clay particles with atomic force microscope probe[J]. Hydrogeology & Engineering Geology. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202012060
Citation: GUO Yongchun, QU Zhihui, XU Fuzhou, ZHOU Xianggui. An experimental study of the measuring hydration film thickness of clay particles with atomic force microscope probe[J]. Hydrogeology & Engineering Geology. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202012060

利用原子力显微镜探针刺入测试黏土颗粒水化膜厚度的试验研究

doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202012060
详细信息
    作者简介:

    郭永春(1973-),男,博士,副教授,研究方向为特殊岩土工程。E-mail:ycguo@swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: P642.13; TU443

An experimental study of the measuring hydration film thickness of clay particles with atomic force microscope probe

  • 摘要: 黏土颗粒水化膜厚度问题是泥质膨胀性岩土膨胀机制研究的理论基础。关于黏土颗粒水化膜厚度测试资料较为丰富,但通过原子力显微镜测试黏土颗粒水化膜厚度的研究成果还较为少见,且在测试方法方面尚不完善。基于3层水化膜结构模型和原子力显微镜测试技术,通过对蒙脱石粉末、泥岩粉末、泥岩岩片3种样品的测试研究,提出了水化膜厚度刺入式测试方法、粉末样和岩石样的制样方法、试验数据的统计处理方法。总结了水化膜厚度测试曲线自由水段、弱结合水段、强结合水段、黏土颗粒段的变化规律。通过和既有研究成果的对比分析,论证了原子力显微镜刺入测试黏土颗粒水化膜厚度的合理性与可行性。结合工程实践,探讨了定量化获取水化膜厚度在理解泥质膨胀性岩土膨胀机制方面的工程意义和理论价值。
  • 图  1  黏土颗粒表面示意图[8]

    Figure  1.  Sketch map of clay particle surface[8]

    图  2  水化膜厚度测试点剖面(a)和平面(b)分布示意图

    Figure  2.  Plane distribution and section sketch map of the test point of hydration film thickness

    图  3  黏土颗粒测试曲线(a)和表面示意图(b)

    Figure  3.  Test curve and surface sketch map of clay particle

    图  4  蒙脱石粉末水化膜厚度测试曲线

    Figure  4.  Test curve of hydration film thickness of montmorillonite powder

    表  1  3种泥质样品主要测试结果

    Table  1.   Main test results of three kinds of mud samples

    样品类型强结合水膜/nm弱结合水膜/nm水膜总厚度/nm备注
    蒙脱石粉末14.2925.1339.42200目粉末
    泥岩粉末14.1829.6443.82200目粉末
    泥岩岩片14.7728.8843.65用10000目
    砂纸打磨
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    表  2  黏土颗粒水化膜厚度研究结果

    Table  2.   Results of the study of hydration film thickness of clay particle

    序号样品类型水化膜厚度/nm结果说明资料来源
    1蒙脱石10.8~21.0比表面积计算法
    (在不同相对湿度下,
    分别测试小于1 um的,
    单位质量的粉末样品
    的含水量和比表面积,
    计算得到水化膜厚度)
    文献[3]
    2高岭石45.8~104.0
    3水云母23.2
    4白云母39.5
    5黑云母45.5
    6绿高岭石17.2
    7叶腊石105.0
    8蒙脱石39.42原子力显微镜,
    小于75um粉末
    本文
    9泥岩粉末43.82原子力显微镜,
    小于75um粉末
    本文
    10泥岩岩片43.65原子力显微镜,表面
    用10 000目砂布抛光
    本文
    11高岭石30~40原子力显微镜,
    表面镜面剖光
    文献[9]
    12黏土水溶液1~10双电层理论计算文献[2]
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    表  3  泥质膨胀性岩土水化膨胀模型简表

    Table  3.   Simplified table of hydration-swelling model for the argillaceous expansive rock and soil

    黏土矿物晶体黏土颗粒水化膜土样结构吸水膨胀模型水化膜理论模型
    黏土矿物晶层之间被水分子
    和交换性阳离子充填,改变
    晶层间距。晶体周围被水化
    的阴离子和阳离子包围
    黏土颗粒结构由黏土矿物晶
    体(矩形部分)、水(圆点)和
    空气组成,黏土颗粒表面形
    成水化膜
    土体结构由土颗粒、水(黑色部分)
    和空气组成,土颗粒之间的接触关
    系及其形成的孔隙特征如上所示
    黏土颗粒表面的水化膜模型可以
    分为4个部分,即黏土颗粒、强结
    合水层、弱结合水层、自由水层
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    表  4  膨胀参数与水化膜的联系

    Table  4.   Relationship between swelling parameters and hydration film

    膨胀参数基本含义与水化膜的联系
    自由膨胀率黏土颗粒粉末自由分散状态下的最大吸水膨胀能力,是结合水膜厚度的最大变形表现分散的土颗粒自由吸水形成水化膜,与其粒径大小密切相关。
    饱和吸水率泥质膨胀岩岩块和岩粉自由吸水的最大吸水率,是泥质膨胀性岩石最大吸水能力的体现岩块和岩粉结构性差别对结合水膜厚度有不同的影响
    吸湿含水量在一定的温度(25 ℃)和相对湿度(60%)条件下,膨胀土试样的吸附平衡含水率,是黏土试样自由吸附水分子的能力黏土颗粒吸附水分子,在颗粒表面形成弱结合水膜,引起岩土体膨胀变形
    蒙脱石含量蒙脱石、伊利石、高岭石等亲水性黏土矿物含量是黏性土膨胀变形的物质基础,其中蒙脱石的膨胀性最强。蒙脱石含量越高,膨胀土产生吸水膨胀变形越大蒙脱石形成结合水膜,是泥质膨胀性岩土吸水膨胀的微观机制
    阳离子交换量不同的黏土矿物,因晶格同晶替代、晶格边缘破损和裸露的氢氧基上氢的活性和数量上的差异及分散度的不同,使得不同的黏土矿物颗粒的阳离子交换量不同。一般以每百克土中含有多少毫克当量的交换性阳离子来表示阳离子交换量大致反映了土中黏粒含量及矿物成分,在一定程度上反映了土中双电层的发育程度,可以近似地判断土的膨胀潜势
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  • 收稿日期:  2020-12-27
  • 修回日期:  2021-04-02

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