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摘要: 红粘土是一种区域性土，其特殊的矿物组成对土的力学性状具有重要影响。本文从广西红粘土的力学性状出发，结合矿物成分和微结构特征等方面的试验研究，得出:广西红粘土的主要矿物成分均为高岭石、三水铝石、针铁矿，其中胶结物主要是三水铝石和针铁矿；进一步研究发现其中针铁矿只有部分起胶结作用，与其在红粘土中存在形式有关；对比三水铝石和针铁矿的胶结作用可得出，游离氧化铁在红粘土中起主要胶结作用。
关键词：红黏土；有效胶结物；矿物成分
Influence of mineral composition on mechanical properties of Guangxi red clay
Yin Guo-qiang
Abstract:The red clay is a kind of regional soil, its special mineral composition has important influence on mechanics properties of soil . This article proceed from the mechanical properties of Guangxi red clay, combining with mineral composition and microstructure features of red clay, the results showed that :the main minerals composition of Guangxi red clay are kaolinite, gibbsite and gothite, cementing material are mainly kaolinite and gothite, the main cementation content is free iron oxide.Compared with cementation function of gothite and gibbsite,the result showed that free iron oxide is the main cemantation material.
Key words: red clay; effective cement ; mineral composition
1引言
红粘土，主要由碳酸盐、玄武岩及少数花岗岩等母岩经过红土化形成 [1]，主要集中分布在热带、亚热带地区。广西由于地处低纬地带，属于亚热带季风气候，化学风化和成土作用强烈，地表广泛发育红色风化壳，在红粘土的研究中具有代表性和典型性。
红粘土在我国西南地区分布广泛，其颗粒之间主要靠胶结联结、结合水联结为主，结构性强[2]，具有高含水量、高孔隙比和高塑性等较高的力学强度和较低的压缩性[3]。研究发现红粘土中的胶结物质-游离氧化铁、硅、铝等，是造成红粘土具有一系列特殊性的根本原因，其中尤以铁质“胶结力”对红粘土结构的形成起着重要的作用[4]。但并不是所测得的游离氧化铁都起胶结作用，真正起胶结作用的铁只是其中一部分，这一部分铁可被称之为有效胶结铁[5]。程昌炳[6]、谭罗荣[7]等对针铁矿与高岭土胶结本质的微观和红粘土的基本特性与微观结构模型做了系统的研究。
从实际工程需要的角度出发，通过对红粘土
的矿物成分和微观结构方面研究对提高和加深对土的工程性质特性的了解和认识，从而对工程建筑和路堤填筑等方面提供一个有效的参考。
由于红粘土是一种区域性土，不同区域的红粘土有其自身的特性，目前对特定区域红粘土中游离氧化铁和氧化铝的胶结作用的对比和有效胶结物的可逆性的验证研究很少，本文从矿物成分和微结构角度探讨了广西红粘土的有效胶结物的胶结作用，为进一步把握广西红粘土的工程力学特性提供了帮助。
2 广西红粘土基本物理力学性质指标
武鸣红粘土取自武鸣县的中国-东盟经济园区工地，取土深度为1.0-3.0m，呈黄色、黄褐色，稍湿，硬塑状态，含铁锰质结核及未风化物较多，切面光滑。
桂林红粘土取自桂林市南部的桂林理工大学雁山校区，取土深度为2.4-3.6m，土样呈褐红色，稍湿，硬塑状态，切面光滑，裂隙不发育，粘性较强。
贵港红粘土取自贵港三O七单位西侧场地的网纹红土层，呈红褐色，含大量淡黄色至灰白色斑块，土质细腻光滑，无砂感；天然裂隙非常发育，主要存在于红褐色土块与淡黄色至灰白色斑块交界处[8]。
三种红粘土的颗粒组成和物理力学指标见表1~3。由表1可见：武鸣红粘土含有大量大于2mm的颗粒，这与取土时发现有大量的结核物相吻合；此外桂林和贵港红粘土中小于2μm的颗粒含量很多分别为50.8%、62.00%。由表2、3可知广西红粘土具有较高的含水率、孔隙比、液塑限和塑性指数，却具有较高的抗剪强度和低压缩性等良好的力学性能指标。这也是红粘土的一种普遍特性，一些研究已证实这种红粘土的特性主要是由红土过程中形成的游离的氧化铁的胶结作用引起的[5~7]。
表1 红粘土的颗粒组成
Table1 Particle size distributions of red clay
3广西红粘土的矿物成分
本文采用X-射线衍射试验和全化学元素分析试验的分析数据，根据鲍格（Bogue）法估算桂林和武鸣红粘土的矿物成分，其中桂林红粘土的石英含量根据K值法确定；贵港红粘土矿物成分数据引用[8]。
综合分析广西红粘土矿物成分（表4）可知，广西红粘土的矿物成分，以高岭石、三水铝石和针铁矿为主；对比三个不同地区红粘土的矿物成分可知：广西红粘土中粘土矿物以高岭石为主，且含量最多分别为74.00%、56.59%、74.00%；其中桂林、贵港红粘土中分别含有12.50%、3.00%的石英。由于粘土矿物高岭石的晶胞间是通过键能较强的氢键连接，因此其性质较稳定；且由于石英是一种原生矿物，化学性质稳定。
综合两种相对较稳定的矿物成分来看，广西红粘土中较稳定的矿物成分高岭石和石英的总量基本相同，分别为74.00%、69.09%、77%。因此影响红粘土粘聚力大小的主要矿物成分为三水铝石和针铁矿的含量。从矿物学角度可知，三水铝石主要呈胶态非晶质或细结晶质，针铁矿主要是以一种富水的氢氧化铁胶凝体存在。可以推测两种矿物成分在红粘土中主要起胶结的作用。
从胶结物角度出发，游离的铝、铁氧化物对粘聚力的产生起到了很大的作用，就能很好的解释广西红粘土具有特殊的力学特性。
对比桂林、武鸣红粘土直剪试验的数据（表3）可见，桂林红粘土的粘聚力明显比武鸣大。结合颗粒组分（表1）和矿物成分（表4）来看，武鸣红粘土中含有大量大于2mm的颗粒，这些大颗粒主要是以铁（针铁矿2）的结核物的形式存在，这与取土时发现有大量的结核物相吻合，因此这部分针铁矿在土中是不起有效胶结作用；排除针铁矿2的影响之后，可知影响两地粘聚力大小的主要矿物成分针铁矿1和三水铝石，这部分游离的铝、铁氧化物在红粘土土中起到有效胶结的作用；由于武鸣和桂林红粘土中三水铝石含量基本相同，因此可见针铁矿1的含量大是引起桂林红粘土粘聚力较大的一个主要原因，既可以看出游离氧化铁其有效胶结作用与其存在的形式有关。
对比武鸣、贵港红粘土直剪试验的数据（表3）可见，贵港红粘土的粘聚力明显比武鸣大。结合矿物成分（表4）并排除针铁矿2的影响之后，可知影响两地粘聚力大小的主要矿物成分针铁矿1和三水铝石；其中武鸣针铁矿1含量很少，仅为2.22%，三水铝石含量为12.53%；贵港的针铁矿1的含量相对较大为17.00%，不存在三水铝石。对比以上数据可知，两种红粘土中起胶结作用的针铁矿1和三水铝石总量相近分别为14.75%、17.00%，从表3可知贵港红粘土的粘聚力比武鸣红粘土大很多，即可推测广西红粘土中游离氧化铁的有效胶结作用比游离氧化铝的有效胶结作用强，游离氧化铁在广西红粘土中起到主要胶结作用。
表4 广西红粘土的矿物成分
Table4 mineral compositions of Guangxi red clay
注：①针铁矿1、针铁矿2分别为小于2mm颗粒和大于2mm颗粒里的针铁矿。
4结论
综合广西红粘土的物理力学性能指标、矿物成分进行分析，可以得出如下结论：
广西红粘土中起胶结作用的主要矿物成分为三水铝石和针铁矿，对比桂林和武鸣红粘土发现：有效胶结作用的游离氧化铁（针铁矿1）的含量是决定红粘土粘聚力一个主要原因，且武鸣红粘土中大于2mm的颗粒中的针铁矿2以结核形式存在，不起有效胶结作用，初步推断红粘土中起有效胶结作用的游离氧化铁与其存在形式有关；对比武鸣、贵港红粘土试验推测：广西红粘土中游离氧化铁的有效胶结作用比游离氧化铝的有效胶结作用强，游离氧化铁在广西红粘土中起到主要胶结作用。
参考文献：
[1]高岱，袁玩，余培厚.贵州红粘土的建筑性能.第一届土力学即基础工程学术会议论文集[C].北京：中国工业出版社，1964.
[2]谭罗荣、孔令伟. 特殊岩土工程土质学[M]. 北京：科学出版社，2006.
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[4]王幼麟. 蒲圻第四纪红色粘土的物质成分和结构特性及其与工程性质的关系.见.全国首届工程地质学术会议论文集[C].北京：科学出版社.1979.
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Cheng Chang-bing, Kang Zhe-liang, Xu Chang-wei. The Preliminary Micocosmic Study on the Cementation Nature of Kaolin with Goethite [J].Rock and Soil Mechanics, 1992,13（2,3）：122-127.
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Tan Luo-rong,Kong Ling-wei, Fundamental Property and Microstructure Model of Red Clay [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2001,23（4）：458-462.
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