中国香港屯门避风塘海洋沉积物中微米至纳米级颗粒的尺寸依赖性物理与化学性质

《Powder Technology》：Size-dependent physical and chemical properties of micro to nano-sized particles in marine deposit at Tuen Mun typhoon shelter, Hong Kong, China

　　

马圣楠|岳中琪

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  香港海洋沉积物中的黏土含量可能被低估了。
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  通过清洗和筛分方法可将海洋沉积物分离为单个颗粒。
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  研究了28毫米至小于0.8微米颗粒的特性。
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  海洋沉积物的阿特伯格限值与黏土含量呈正相关。
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  研究结果验证了本研究中检测的黏土含量是准确的。

引言

海洋沉积物是地壳的重要组成部分，对过去的环境状况、地质过程以及未来的沿海发展有着重要影响。在香港这样的沿海地区，海洋沉积物影响着诸多关键基础设施的问题，比如过度沉降、膨胀、液化风险以及难以预测的抗剪强度[1]、[2]。这些现象主要由粉砂和黏土颗粒控制，它们决定了沉积物的塑性、渗透性、结构形态以及电化学反应性[3]、[4]、[5]、[6]。香港的海洋沉积物厚度从几米到20多米不等，其中石英长石质粉砂和黏土颗粒的比例在5%到70%之间变化较大[1]、[7]。除了评估作为基础材料的海洋沉积物的强度和变形等工程风险外，如何处理大量疏浚出的海洋沉积物也是一大挑战。根据环境保护部门的报告[8]，每天有超过5000吨的海洋沉积物被疏浚出来，每年总量超过180万吨。其中只有不到20%被重新用作填充材料，这不仅增加了处理成本，还加剧了环境压力。因此，准确了解海洋沉积物中细颗粒的含量和特性，对于实现可持续再利用以及降低岩土工程风险至关重要。

由于填海造地的需求，近年来人们对香港海洋沉积物的物理和力学性质进行了大量研究[9]、[10]、[11]。Lee和Ng[12]研究了海洋沉积物的固结系数，以评估填海地区的沉降情况。Zhu和Yin[7]提出了两个双曲方程来预测海洋沉积物的排水蠕变行为。Cheng和Yin[13]研究了应变率对海洋沉积物应力-应变行为的影响。Tong等人[14]以及Feng等人[15]通过一维试验和固结仪试验，研究了海洋沉积物的时间依赖性应力-应变特性，以此预测长期沉降情况。Li等人[16]和Chen等人[17]则研究了不同温度条件下海洋沉积物的固结和应力-应变行为。在这些研究中，对海洋沉积物的描述往往基于其整体行为，且将粉砂和黏土颗粒的作用混为一谈。这些局限性使得一些关键机制难以明确，比如塑性究竟源于黏土矿物学特性还是粉砂导致的结构破坏[18]、[19]；颗粒尺度上的特性是如何影响宏观层面的强度和压缩性的[20]、[21]。这些未解决的问题阻碍了基于物理原理对海洋沉积物行为以及海洋基础设施建设的预测。

现有的颗粒分离技术，如沉淀法、离心法等，存在三个主要缺陷：（1）在采样过程中粉砂和黏土颗粒会相互混合，且在水中还会发生静电聚集现象[22]；（2）分散剂可能会改变颗粒表面性质，从而产生化学干扰[23]；（3）无法获得纯度的颗粒样本，进而无法进行直接的化学或矿物学分析[24]。因此，目前还无法建立海洋沉积物宏观工程行为与微观颗粒特性之间的关联，人们不得不使用“海洋黏土”“细粒沉积物”“泥质沉积物”等模糊的概念来描述这类物质[25]、[26]、[27]。

本研究通过采用机器辅助的清洗和筛分方法，将香港某海洋沉积物样本中的粉砂和黏土颗粒分离出来，从而弥补了现有研究的不足。通过这种方法可以获得已知大小的粉砂和黏土颗粒，进而对其物理、化学及矿物学特性进行基于尺寸的精准分析。该研究区分了粉砂和黏土对沉积物塑性和膨胀性的不同影响，同时通过颗粒特征实现了矿物学的识别（例如，粉砂颗粒中以石英为主，而黏土颗粒则以高岭石/伊利石为主）。在实际应用中，黏土颗粒的膨胀性数据有助于更准确地预测香港隧道和挖掘工程的隆起情况，而粉砂颗粒的几何形状和化学成分则可用于优化边坡稳定性分析模型[28]、[29]。此外，从海洋沉积物中分离出的粉砂和黏土颗粒具有较好的稳定性，可将其用于公共填埋场，从而减少疏浚废弃物[30]。

本研究旨在准确分离海洋沉积物中的粉砂和黏土颗粒，并全面分析这两种颗粒在不同尺寸下的物理和化学特性。研究选取了香港西部屯门防风塘的一处具有代表性的海洋沉积物样本，将其分解为28毫米至小于0.8微米的单个颗粒，以便准确测定其中的粉砂和黏土比例。通过体视显微镜和扫描电子显微镜观察了分离后颗粒的形态，并利用QICPIC软件对动态图像进行分析。分别使用能量色散X射线光谱仪和X射线衍射仪分析了这些颗粒的元素组成和矿物构成。此外，还通过极限含水率试验和自由膨胀试验，测定了分离后粉砂和黏土颗粒的阿特伯格限值及膨胀性。最后，将本研究中的样本黏土含量和阿特伯格限值与其他已发表的香港海洋沉积物数据进行了对比验证。本研究明确了分析海洋沉积物中粉砂和黏土颗粒特性的方法与意义。

章节摘要

海洋沉积物样本

香港位于中国南部海岸，处于西侧浑浊的珠江口与东侧水质清澈的完全海洋环境之间的过渡地带[31]。本研究中的海洋沉积物样本取自香港屯门防风塘的一个疏浚作业现场（图1中的红点，编号26）。这类沉积物是该地区近期形成的典型海洋沉积物，以下研究将以该样本作为详细案例进行分析。

颗粒大小分布及与沉淀法的对比

图3展示了本研究中所分析海洋沉积物样本的基于质量的颗粒大小分布情况。用于计算颗粒大小分布的测试样本总干质量为5199.4克，其中黏土、粉砂、沙子和砾石的含量分别为58.89%、24.08%、13.05%和3.98%。

另外，还从同一地点取了500克的另一份海洋沉积物样本，按照BS 1377–2标准中的方法[37]进行了测试，以此作为对比。该方法采用湿筛法将海洋沉积物样本分离为

黏土含量的对比与验证

图16a至图16d按照黏土、粉砂、沙子和砾石的质量含量从低到高的顺序，列出了文献中记载的香港25个地点的海洋沉积物样本以及本研究中的样本。其中，砾石和沙子的含量是采用标准筛分法测定的，而粉砂和黏土的含量则是通过标准的沉淀法测得的[33]。图16中的地点编号和数据来源与表4相对应。

在图16a中，黏土的比例为

总结与结论

本研究通过清洗和筛分方法，将香港的一处海洋沉积物样本分解为26组不同的颗粒，包括从厘米级到微纳米级的砾石、沙子、粉砂和黏土颗粒。随后，按照颗粒大小顺序，研究了这些微小粉砂颗粒和纳米级黏土颗粒的形态、化学元素、矿物组成、阿特伯格限值以及膨胀性等特性。同时，还分析了物理化学性质随颗粒大小的变化趋势，以及

作者贡献说明

马圣楠：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，结果验证，方法设计，实验研究，正式分析，数据整理。岳中琪：撰写——审阅与编辑，结果可视化，项目监督，项目管理，方法设计，资金获取，研究构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本文的研究工作部分得到了中国香港特别行政区研究资助局的资助（项目编号为HKU17207518和R5037-18）。作者感谢冯俊奇先生、邓友义先生以及香港的土壤与材料工程有限公司，感谢他们提供标准的测试设施用于土壤材料测试。同时，作者也要感谢深圳大学的刘凯教授，感谢他为本研究提供了海洋沉积物样本。