随着颗粒尺寸降至纳米级别，膨胀性土壤的物理和化学性质会发生变化

《Powder Technology》：Variations of physical and chemical properties of expansive soil with particle size to the nanoscale

纳米级膨胀土物理化学性质及分离技术研究

　　

马胜楠|岳中奇|张宏瑞

香港大学土木工程系，中国香港999077

摘要

膨胀土在全球范围内广泛分布，可能会对民用基础设施造成破坏。本文研究了随着土壤颗粒尺寸减小到纳米级别时，膨胀土的物理和化学性质的变化。本文采用基于机械的清洗和筛分方法，将中国西南部百色地区的膨胀土精确地分离成24个子组，这些子组中的颗粒从砾石到粘土，粒径均小于800纳米。通过实验室测试，研究了分离出的颗粒以及已知粒径范围的混合物样品的物理和化学性质。特别是，粒径小于2微米的粘土颗粒的质量占总土壤质量的91.35%；粒径小于800纳米的粘土颗粒的质量占总土壤质量的85.32%。粒径小于800纳米的纳米级粘土颗粒的液限、塑性指数和自由膨胀率非常高，分别为58.24%、36.03%和135%。通过对特定尺寸颗粒的扫描电子显微镜（SEM）图像、化学元素和矿物成分的分析，获得了更多信息。本文为研究纳米级别颗粒构成的膨胀土提供了一种有用且有效的方法和数据参考。

引言

膨胀土在土木工程中是一个关键问题，其特点是土壤在湿度变化时会发生显著的体积变化。这类土壤在干旱和半干旱地区广泛存在，由于它们的膨胀和收缩行为，对基础设施构成了重大风险[1]。膨胀土的独特性质主要受其粘土矿物含量的控制，这使得它们能够吸收水分而膨胀，或者失去水分而收缩，从而导致地面移动，从而损坏建筑物、道路和管道[2]。

膨胀土富含粘土矿物，具有很强的吸水能力和改变土壤体积的能力。这种膨胀行为受到土壤颗粒尺寸分布和矿物组成的影响。研究人员已经广泛探讨了膨胀土的宏观行为，重点关注其膨胀压力、胀缩潜力以及环境因素对这些性质的影响[3]，以及诸如土壤稳定化和控制排水系统等缓解技术[4,5]。最近关于膨胀土的研究集中在使用低碳粘合剂（如煅烧粘土水泥、生物聚合物和工业副产品）进行可持续稳定化[6],[7],[8],[9],[10],[11],[12]]。这些方法提高了土壤在干湿循环下的性能，并增强了岩土工程性质，同时数值建模和微观结构分析也被用来验证其有效性。

然而，对于不同粒径的膨胀土的物理和化学性质的理解仍存在显著差距，尤其是在纳米级别。特别是蒙脱石的粒径非常小，通常在几纳米到几百纳米之间[13]。目前缺乏有效的分离膨胀土中细粘土和粉砂颗粒混合物的技术和方法。相关文献中也没有关于从微米到纳米粒径序列的膨胀土性质的研究。本文旨在填补这一空白。

章节摘录

中国的膨胀土

在中国，膨胀土主要分布在东经103°–121°、北纬22°–42°的地区，面积约为60万平方公里[14]（图1a）。特别是中国西南部的广西壮族自治区的膨胀土集中在四个盆地：百色盆地、南宁盆地、宁明盆地和上思盆地[15]。

随着中国交通强化战略的推进以及西部新陆路和海上通道的建设，许多高速公路、高铁

膨胀土样本

土壤样本采集自中国西南部百色地区南北绕城高速公路福禄服务区的一个斜坡（图1b中的编号14）。百色膨胀土的地貌单元属于山间盆地，这种土壤的来源是石灰岩的风化[29]。图1c显示了该采样点的地貌情况，斜坡上有很多裂缝。由于反复的降雨和蒸发作用，膨胀土会发生膨胀

土壤的完整粒径分布

根据每组材料的干质量，确定了完整的粒径分布（PSD）和粘土颗粒含量，如图5所示。测试前土壤样本的干质量为1816.9克，分离后所有颗粒的总干质量为1795.6克。98.83%的回收率表明颗粒分离效率很高，损失的材料极少。该样本的详细PSD数据见表1。

已发表数据中的问题

表4、图18和图19提供了百色地区14个膨胀土样本中粘土、粉砂、砂和砾石颗粒的质量百分比以及自由膨胀率的数据。这些数据来自八篇文献[38,54,[60],[61],[62],[63],[64],[65]]。

通过比较这14个样本的数据，可以观察到以下重要问题：

(1) 总细颗粒（包括粉砂和粘土颗粒）在

总结与结论

本文研究了膨胀土的物理和化学性质随其构成颗粒尺寸从微观级别到纳米级别的变化。除了砾石、砂和粉砂颗粒外，还从膨胀土样本中分离出了三组粘土颗粒，并评估了粒径从2微米到小于800纳米的粘土颗粒的性质。本文根据颗粒尺寸序列研究了这些性质，并将其与已发表的数据进行了比较

作者贡献声明

马胜楠：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，研究，正式分析。岳中奇：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念构思。张宏瑞：撰写 – 审稿与编辑，资源提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本文所述的工作部分得到了国家自然科学基金（批准号：41372336）的支持。第一作者感谢香港大学提供的博士生奖学金。作者感谢冯俊奇先生、邓友义先生以及香港的Soils & Materials Engineering有限公司提供标准化测试设施用于进行土壤材料测试。