文摘
在这项研究中,偏高岭土和石灰对微观结构特征、无侧限抗压强度(UCS)、收缩、吸水,剪切强度的红土。土壤样本处理5 wt %的石灰(LaL)或4 wt %偏高岭土和5 wt %的石灰(LaLM)准备。样本的最优含水量32%压实和治愈了180天,其次是饱和和脱水,直到达到理想的含水量的样品。然后,UCS,收缩、吸水和剪切强度的样品在200 kPa测定的正常压力。此外,扫描电镜成像以及汞入侵porosimetry测试进行检查显微结构的变化。土壤样品处理的结果表明,收缩相比显著提高与未经处理的土壤样本。石灰有效地提高了红土的UCS和抗剪强度。此外,偏高岭土由非晶硅和铝氧化物和共享edge-face微观尺度结构;因此,它可以捕捉从石灰钙离子溶液,生成interaggregates胶结水合物的红土。结果也表明了,5 wt %的石灰和4 wt %的偏高岭土可以改善UCS和抗剪强度,但线性收缩特别克制,相比大大减少了4次与含水率土壤样本和8倍比未经处理的土样。 The study results demonstrate that metakaolin and lime can be effectively used to improve laterite in lieu of the conventional lime treatment for mitigating geotechnical engineering disasters.
1。介绍
红土是父岩石的风化产物在炎热和潮湿的热带气候。它不仅包含硅和铝氧化物还免费氧化铁等胶结材料;因此,它表现出一个红色1]。广泛分布在中国(湖南、云南、贵州和广西自治区)和横跨面积108万平方公里2]。红土问题存在于土壤,表现出较高的水敏感性:它变成了泥潭时吸收大量的水,和收缩裂缝,当它失去水。此外,长期交替下的大气降雨和蒸发以及其他环境因素、红土会导致工程事故,如地基承载力降低,边坡开裂,崩溃3,4]。因此,当务之急是减少或控制水的敏感性红土。
红土的水敏感性的特点是规划和失水收缩5]。人们普遍认为含水量越低,基质吸力越大,和非饱和土的强度越高6,7]。因此,一些研究人员只关注规划,相信可以减少工程事故的可能性,只要土壤中的迁移或渗透水是预防。然而,粘土的收缩开裂行为非常明显(8,9]。一些研究报道,失水收缩主要原因interaggregates的孔隙结构的变化,而不是在压实的intra-aggregates红土(10]。尽管水的损失增加矩阵吸入,它导致收缩和开裂,导致不可逆压缩红土的结构性破坏。因此,基质吸力的增加,裂纹发生对压实红土的力量产生相反的影响。也就是说,失水收缩引起的开裂行为也应考虑。最近,研究人员报道,红土的收缩可以阻碍改善初始密实度的含水量,甚至添加一些物质如砾石(11- - - - - -13]。此外,可以有效地改善红土的收缩添加石灰(14),但lime-modified红土是否可以应用于实际的工程项目,需要进一步的调查。
偏高岭土具有火山灰活性高。高岭土时加热到500°C - 700°C,产生一种非晶态材料。这种材料是SiO的50 - 55%2和40 - 45%2O3按重量,它极其反应在碱性富含钙的解决方案。在[15- - - - - -17),据报道,偏高岭土可以有效地吸收氢氧化钙持续形成胶结水合物,和高岭土吸收水合钙离子在粘土颗粒表面形成一层,随后防止粘土矿物的进一步溶解血小板。Metakaolin-containing混凝土表现出行为类似于silica-fume-containing混凝土;即机械阻力提高,混凝土的渗透性和收缩显著降低(18]。然而,是否偏高岭土有效影响水敏感性是未知的。因此,强度和收缩测试在不同水分条件下压缩标本进行这项研究。与此同时,吸力测量的变化,并进行了微观测试。最后,上述正式测试揭示了石灰和偏高岭土改性红土的收缩机制。
2。材料和方法
2.1。材料
红土是来自桂林,广西自治区(中国)。通过x射线荧光,其化学成分是决定主要包括硅铝氧化物(74 wt %)和氧化铁(19 wt %)(表1)。干红土通过后通过一个0.5毫米筛,其基本性质测量根据中国标准JTG e40 - 2007。表2总结了结果。液限的红土超过50%,它被定义为高液限土。此外,其最佳含水量(30.2%)和最大的干密度(1.48克/厘米3(图)获得的重型压实测试1)。
石灰购买来自宿迁,江苏省(中国),和它的主要化学成分是曹(98.34 wt %),用少量的2O3(0.57 wt %)。它的比重是2.32,初始含水量为3.1%。偏高岭土是购自荷兰皇家壳牌有限公司,其化学成分是主要2O3(46.2 wt %)和SiO2(49.5 wt %)。它的比重是2.63,初始含水量为1.5%。红土的粒度分布特征、石灰和偏高岭土进行了使用Microtrac S3500粒度分析仪(图2)。
2.2。样品制备
调查的影响偏高岭土和石灰红土的收缩,六种标本(表做好了准备3)。由于不同的特定重力的红土,石灰、偏高岭土,混合土壤的比重( )计算如下: 在哪里 , ,和的具体特点偏高岭土、石灰和红土,分别和和是偏高岭土的混合比率(wt %)和石灰,分别。
干密度之间的关系( )和初始孔隙比( )计算如下:
对于测试结果的比较,所有压实样品具有相同的初始孔隙比。更具体地说,红土标本的初始干密度为1.43克/厘米3的,而那些laterite-lime标本和laterite-lime-metakaolin标本1.422克/厘米3和1.420克/厘米3,分别。
在这项研究中,土壤样本干燥混合,然后水被添加到混合土壤,直到预测含水量达到实现样品水分条件。最后,偏高岭土和/或lime-laterite的混合物与去离子水被层压实层压实容器,直到土壤样品中获得的样本尺寸为61.8毫米(直径)×20毫米(高度)和50毫米(直径)×50毫米(高度)的初始含水量为32%。纯红土样本准备以同样的方式控制样品。所有测试样品表现出相同的初始孔隙比,确保不同的样品表现出相同的初始孔隙体积。
2.3。实验程序
在这个实验中,压实后,所有标本都是密封和治愈了180天25°C,这是紧随其后的是一个饱和的过程。然后,每个测试进行了如下:(1)收缩测试是根据中国标准进行JTG e40 - 2007 (19]。(2)UCS测试和吸力测量,一些样本被放置在恒温箱(55°C),然后它们的质量估计来确定实时含水量在脱水。实时含水量接近预定值时,样本室的密封和治愈2月25°C,以确保一致性。10 - 20 g的每个样本用于吸入测量使用十边形WP4C露点电位计。(3)直接剪切试验,一些样品是由蒸汽脱水的均衡方法(表4)。当土壤吸常数(取决于标本质量的稳定),进行了直剪试验的剪切速率下0.8毫米/分钟200 kPa的垂直压力。(4)孔隙分析测试,标本冻干后1天,一小块被用来获得孔隙大小分布与孔隙的主人(PM 60 gt)系统。(5)扫描电子显微镜(SEM)成像,直接确定处理土壤中的反应机理,混合物的压缩lime-kaolin和lime-metakaolin使用。每个样本都被小心地切成大小为15毫米×15毫米×15毫米,以避免干扰,确保孔隙度。然后,将样本放入液氮中,样品被使用真空冷冻干燥设备干燥。干燥后,样本用于扫描电镜分析。
进一步研究红土的偏高岭土和石灰改性机理,x射线衍射(XRD)模式,热重分析(TGA)曲线和红外(IR)光谱记录来解释的方式偏高岭土艾滋病石灰抑制红土的收缩。
3所示。结果与讨论
3.1。x射线衍射(XRD)的结果
后形成的偏高岭土煅烧的高岭土在500°C - 700°C, XRD模式记录和偏高岭土缺乏清晰的衍射峰的衍射光谱类似高岭土(图3)。高岭土煅烧之前,表现出明显的衍射峰高岭土的特征,但在煅烧后,这些衍射峰消失,表明在煅烧高岭土转换或失踪。甲南et al。17]报道的比较表面性质高岭土和偏高岭土之间集中石灰的解决方案也报告了类似的结果。Kakali et al。20.)已经证实,高岭土转换期间偏高岭土煅烧并成为高火山灰材料。
3.2。热重分析(TGA)的结果
理解偏高岭土的特点,确定其成分和结构是至关重要的。高岭土由长石和云母粒子alumina-rich元素或酸性火成岩。首先,它经历了风化瓦解,然后沉积从Al (OH)3和Si(哦)4在解决方案。如果其化学式2艾尔2O5(哦)4,其分子结构如图4。
高岭土是转化为偏高岭土在高温除湿,这是表示如下:
因此,四羟基转化为两个水分子和两个氧阴离子保留在材料,如以下所示的化学反应:
总之,氢键连接到基本结构单元消失在除湿,和高岭土的层压表面结构被摧毁。图5显示了TGA曲线偏高岭土和高岭土。实验测试条件如下:TA热重分析仪(SDT Q600)是利用10°C /分钟的升温速率和温度范围为25°C - 1000°C下氮。
结果表明,高岭土的重量减少11.2%至400°C - 750°C。偏高岭土的重量损失率小于1.0%,表明脱羟基在煅烧前完成。此外,减肥的高岭土在400°C - 516°C显著大于516°C - 750°C,因为羟基硅四面体和aluminoxy八面体不能逃离高岭土表面在场一样迅速。因此,羟基需要一个缓慢的迁移过程。
3.3。红外光谱(IR)的结果
煅烧后,羟基的分布在高岭土也发生了变化。图6显示了偏高岭土的红外光谱和高岭土。
的频率范围3200 - 4000厘米−1,高岭土展出乐队在3680和3620厘米−1,相应的伸长羟基振动,和乐队在991厘米−1对应于Si-O-Si伸长振动。乐队在908厘米−1对应的变形振动Al-O-H上羟基氧化铝面临[17](图6)。煅烧后,高岭土转换成偏高岭土。四个主要的红外光谱(图中观察到的变化6(a))。(1)相对应的峰值hydroxyl-bonded水消失;(2)相对应的峰值Si-O-Si成为广泛而短;(3)相对应的峰值Al-O-H几乎消失;(4)相对应的峰值Si-O-Al或Si-O-Mg观察到不到800厘米−1几乎消失。如上所述,结合水和结构的水被蒸发掉,Si-O-Si的空间安排,Si-O-Al或Si-O-Mg在煅烧高岭土的变化。此外,值得注意的是,高反应活性的偏高岭土也有关的改变3 +协调从高岭土的八面体四面体偏高岭土(四面体3 +通常比八面体活性铝吗3 +(22]。因此,高温处理导致硅和铝的增加活动团体,这些团体容易与碱性溶液中的钙离子反应。事实上,总可能会形成少量的偏高岭土由于静电相互作用基本单元的边缘和表面结构或不完全脱羟基,在结构转换从原始的面对面的“堆叠”结构edge-to-surface“重叠”形状(它可以清楚的看到在SEM结果(图7))。
(一)
(b)
很明显,偏高岭土煅烧高岭土由二氧化硅和氧化铝,红土的主要矿物高岭石。稳定的潜在方法红土与偏高岭土和石灰被发现高效和环保。
3.4。收缩力量和微量的结果
图8显示压缩标本的收缩曲线(洛杉矶,LaL, LaLM)。所有样品表现出25%的收缩极限,拉尔的线性收缩减少从1.95%降至0.91%。值得注意的是,的线性收缩LaLM减少了近8倍至0.25%,表明偏高岭土能帮助石灰大大阻碍红土的收缩。
图9显示了压实标本的吸力的变化(拉、拉尔和LaLM)含水量。
两个系列的样本调查:饱和和不饱和。含水量下降,吸力逐渐增加,尤其是在不到7.5%的含水量。增加抽吸,非饱和土的强度增加。然而,在不到25%的含水量,压实的UCS红土保持2.0 MPa。值得注意的是,在极低的含水量,UCS减少。饱和压实红土表现出类似的变化,但其UCS通常小于压实的红土没有脱水的含水量低于25%(图10 ())。香港et al。23)提出,微裂隙形成脱水,在样品和吸入的贡献力量受到微裂隙的结构损伤的反对,这也解释了这种现象在图10 ()(左)。聂et al。24)假设,饱和破坏现有的结构或粒子结合样本;这个过程可以减少压实红土的力量,这可以解释在图的曲线10 ()(右)。
(一)
(b)
虽然拉尔和LaLM减少的优势在脱水过程中,的值仍然超过2.0 MPa在不同水分条件下与红土。相比之下,拉尔的优势和LaLM增加而不是持续减少,这是类似于观察完全干红土样品(图10 (b))。这一结果表明,石灰或偏高岭土和石灰可以改善红土在脱水的力量。进一步调查的影响脱水压缩样本,直接剪切强度是决定在同一时间。图11显示了直接剪切强度和含水量之间的关系。
拉尔的直接剪切优势和LaLM总是大于压实的红土,夯实红土最初强度的增加和达到的峰值0.5 MPa的含水量25%,收缩极限附近(图8);这个峰值紧随其后的是一个递减的趋势,直到15%的含水量。压实红土的剪切强度达到峰值27.5%的含水量在脱水。对土壤的抗剪强度达到峰值25%的含水量,紧随其后的是一个下降的趋势。此外,类似的是UCS测试中观察到的趋势。UCS未经处理的土壤表现出低强度的样品达到饱和含水量后,和治疗即使饱和土壤保持力量。杨(25)报道,几个网状水泥物质形成后的石灰红土;这些粘合剂连接整个土壤颗粒进入抵抗力量减少在脱水。令人惊讶的是,夯实红土的直接剪切强度会增加的含水量低于15%,这是由于脱水与红土骨料之间的摩擦下200 kPa的垂直压力。
偏高岭土的能力提高石灰的收缩的抑制作用红土可以归因于其组成和结构。图7显示了高岭土的结构的SEM显微图和偏高岭土添加石灰固化后28天。偏高岭土的特点是一个重要的结构性障碍,如二氧化硅网络的变形,允许容易捕获的钙离子在氢氧化钙溶液由于其高火山灰活性。更大数量的渗碳体形成的混合物lime-metakaolin比lime-kaolin同一养护条件下的混合物。
偏高岭土展览大量捕捉钙离子的能力,随浓度变化的土壤(图处理12)。钙离子的含量LaLM比拉尔(图12)。这个结果可以推断表明,偏高岭土高效吸附钙离子。因此,偏高岭土和石灰之间可以快速生成大量的水泥红土集群(粒子)超过lime-laterite红土颗粒的增加附着力,提高红土的力量。
偏高岭土的分子结构中发挥着重要作用的能力有效地吸附钙离子从解决方案。甲南et al。17)报道,高岭土吸附氢氧化钙不仅在粘土颗粒的边缘还在基底面(图4)。高岭土组成叠层结构,吸附水合钙离子在粘土颗粒表面,形成一层防止粘土矿物的进一步溶解血小板(26]。偏高岭土由几个非晶硅和铝氧化物,使水化阶段的快速形成偏高岭土和石灰的解决方案之间的接口和呈现高红土骨料之间的结构强度。结果可以归因于特殊的“重叠”edge-surface结构。
两个样品的孔隙分布的比较(分别拉尔和LaLM)清楚地表明,如果只添加石灰红土,毛孔10之间μ米和100μm(图(13日)在脱水)增加。然而,随着石灰和偏高岭土红土,毛孔几乎没有变化(图13 (b)),也表明偏高岭土能增强稳定土壤结构,阻碍收缩,防止微裂缝的发展。
(一)
(b)
4所示。结论
在这项研究中,进行了一系列的测试在三个样本(分别拉,拉尔和LaLM)来确定收缩,UCS,吸入,直接剪切强度和孔隙大小分布。此外,红土的收缩机制修改石灰和偏高岭土是检查。可以得出以下结论:(1)煅烧后,不仅羟基消失而且Si-O-Si的空间结构和Si-O-Al高岭土(Mg)正在改变。(2)虽然在脱水压缩红土吸力的增加,微裂隙观察这一时期,从而削弱红土的力量。此外,偏高岭土发现提高红土的减少收缩,增加整体的力量。(3)偏高岭土的显微镜检查显示大量的非晶硅和铝氧化物和股票edge-surface接触结构,从而使其能够显著地捕获石灰溶液中钙离子,随后生成interaggregates胶结水合物的红土。
数据可用性
作者声明,手稿中提供的数据都是来自中国三峡大学实验室测试在中国湖北宜昌。所有的实验室测试数据和表中的数据提出了手稿。在这项研究中使用的数据可从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是由中国国家自然科学基金资助(51579137和51579137)和湖北省青年创新团队项目(T201803)。