文献参数: 吕义豪, 许梦瑶, 杨茂进, 等.红壤中无定形氧化铁-高岭石胶结体系的结构和抗剪强度[J].水土保持通报,2026,46(2):14-22. Citation:Lü Yihao, Xu Mengyao, Yang Maojin, et al. Structure and shear strength of amorphous iron oxide-kaolinite cementation system in red soil [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2026,46(2):14-22.
花岗岩风化红壤广泛分布于热带与亚热带地区,其含有较多粗颗粒,工程性质与一般土壤差异显著,是一种具有不均匀性、各向异性和遇水易软化崩解的特殊土壤
[1-2],其特殊性主要表现为高收缩率、低压缩性以及极强的水敏感性
[3]。尽管花岗岩风化红壤在成分上与一般黏性土相似,但由于未经历搬运分选,母岩的节理结构在风化过程中被部分保留,导致其土壤力学性质较差
[4-6]。崩岗是一种由水力和重力共同作用下,厚层风化壳坍塌并侵蚀而形成的特殊侵蚀地貌,主要表现为“崩口”和冲沟
[7],其形成伴随着显著的水土流失和地表形态变化,是花岗岩风化红壤丘陵区典型的生态退化现象。崩岗的发生与土体抗剪强度密切相关,当土体抗剪强度低于外界剪切应力时,便会引起土体失稳,进而导致崩塌与侵蚀过程发展
[8-9]。因此,深入研究花岗岩风化红壤的力学性质,对于南方红壤区崩岗的预警与防治至关重要。
抗剪强度是表征土体稳定性的重要指标,而氧化铁作为一种关键胶结物质,对土壤抗剪强度具有重要调控作用
[10]。氧化铁通常以“桥”、薄膜或单晶颗粒形式与黏土矿物胶结,从而促进土壤胶结体的形成
[10]。Zhang Xianwei等
[10-11]通过研究湛江黏土和龙门红壤中的氧化铁的微观结构特征,发现随着氧化铁含量的降低,水稳性胶结体结构随之破坏,导致土壤抗剪强度下降。进一步通过研究天然粘土的物理化学和力学特性,发现随着游离铁氧化物含量的降低,土壤的抗剪强度也随之降低。以上结果说明,氧化铁在维持土壤结构稳定性和力学强度方面具有重要作用。
土壤中的氧化铁主要以晶质形态(如赤铁矿、磁铁矿)和无定形态2种形式存在
[12]。晶质氧化铁因晶体结构稳定,通过物理填充作用增强颗粒接触强度;而无定形氧化铁因其高活性胶体特性,更易通过化学吸附与颗粒表面羟基发生键合,形成具有黏结效应的胶膜结构,从而显著增强土体的黏结性能。因此,无定形氧化铁在对土体力学性质的作用中占主导地位
[12]。苏玲等
[13]研究发现,干湿交替显著影响氧化铁的形态转化,淹水条件下晶质氧化铁含量下降,而无定形氧化铁显著升高。何群等
[14]通过培育试验发现不同的脱水程度对土壤中无定形氧化铁的含量及其活性产生显著影响。随着脱水程度的加深,无定形氧化铁的含量显著减少,导致土壤收缩率增加,进而破坏土壤结构的稳定性。同时,非崩岗地区的花岗岩红壤中氧化铁含量显著高于崩岗侵蚀区,氧化铁含量是影响崩岗土壤力学性质的重要因素
[15]。目前,针铁矿和赤铁矿等晶质氧化铁对崩岗土壤力学性质的影响已有较多研究
[16-17]。然而,关于无定形氧化铁对崩岗土壤结构重组与抗剪强度的影响机制尚未明晰,亟待深入探讨。
本研究选取福建省典型崩岗区红壤中黏土矿物作为研究对象,通过在高岭土中梯度添加无定形氧化铁,结合扫描电镜(SEM)及X射线衍射(XRD)等微观表征技术,研究无定形氧化铁浓度对土粒接触面积、孔隙结构及胶结体分布等参数的影响,以及对土壤黏聚力与内摩擦角的作用规律,揭示无定形氧化铁调控崩岗土体力学性能的关键机制,为崩岗侵蚀防治提供理论基础。
1 材料与方法
1.1 供试材料
鉴于红壤的主要黏土矿物为高岭石,试验选用市售纯高岭土(上海麦克林生化科技有限公司,化学纯,高温煅烧制备,高岭石含量≥99%)与实验室自制的无定形氧化铁按不同比例混合,制备成不同浓度的改性土样。
1.2 研究方法
1.2.1 无定形氧化铁的制备
称取162.5 g 三氯化铁(FeCl₃·6H₂O)和120 g 氢氧化钠(NaOH),在低温去离子水中剧烈搅拌混合(pH值为8~9,温度为0~5 ℃);随后用温热蒸馏水反复洗涤以去除可溶性盐分,离心后在真空条件下(10 Pa以下)冷冻干燥24 h,即得无定形氧化铁
[18]。
1.2.2 土样制备
将一定量高岭土置于桶中,另取50 g高岭土与对应量无定形氧化铁在自封袋中充分混合后倒入桶中,再加入450 g去离子水,使混合物含水率达到45%,并搅拌均匀。混合后取1 000 g样品过2 mm筛,装入自封袋静置24小时。不同浓度土样中,无定形氧化铁的添加量分别为0,1,2,3,10 g/kg。制备好的土样压制为环刀试样(高度20 mm,直径61.8 mm),目标容重0.83 g/cm³,含水率45%。随后使用胶头滴管将试样含水率调至55%,密封后置于25 ℃培养箱中培养。剪切试验在培养3 d后进行,试样剪切时的含水率保持在45%。
1.2.3 微观结构研究方法
使用荷兰产Pro-X飞纳台式扫描电镜(SEM)进行微观表征,其背散射电子图像(BSE)和二次电子图像(SE)分辨率均为8 nm,工作加速电压为5~15 kV,可根据样品特性调整以获得最佳成像效果。图像处理采用Image Pro-Plus 6.0软件,流程包括: ①图像预处理:降噪及对比度增强; ②基于阈值法的图像分割; ③二值化处理,以量化高岭土颗粒与氧化铁的分布特征。
胶结体径粒分布研究采用激光粒度仪(BT-9300ST,中国辽宁贝特氏仪器有限公司)测定。水稳定胶结体采用湿筛法分离
[19]:取10.00 g风干土样,置于孔径0.5 cm筛子中,在水下振荡50次(2 min内完成),收集>0.5 cm组分后转移至0.25 cm筛重复操作;测定<0.25 cm组分的粒径分布。
1.2.4 微观定量参数测定
(1) 表观孔隙率。指研究对象图像平面孔隙面积与研究区面积比值。
(2) 丰度(C)。指研究对象中土颗粒短轴(B)平均值与土颗粒长轴(L)平均值之比。计算其公式为
(3) 圆度(R0)。圆度是指土颗粒趋向于圆形的程度。计算公式为
式中:S为土颗粒的平均面积; L为土颗粒平均周长。R0 越大,土颗粒越趋于圆形。
(4) 分形维数(DV )。反映土壤颗粒的分布密度和复杂性,计算公式为
式中:r为盒子的边长; N(r)为盒子数。DV 越小,表示土壤颗粒分布越分散,密度越低。
(5) 接触面积测定。将 SEM 图像的灰度值(0~255)转化为三维结构的高度信息,建立空间直角坐标系。采用微积分,将图像分割为无数薄层(本研究中dz=2 灰度单位),孔隙总体积公式为
三维图像总体积公式为
图像孔隙率为
式中:
m为灰度分割的最大层数;
Ak 为分割灰度值为
k时的图像孔隙面积; d
z为上下两个分割灰度相减值;
A为平面下图像的总面积;
Zm 为最后确定的分割灰度即阈值。通过实测孔隙率(如0.681)与三维孔隙率(
n)对比,确定最佳灰度阈值范围。以添加3 g/kg 无定形氧化铁的试样为例,当
n=0.678时(对应灰度值
Zm =230),选取
Zm-1,
Zm,
Zm+1 3个阈值进行验证。根据确定的阈值对 SEM 图像进行分割,将孔隙和颗粒接触区域分离。通过二值化处理(白色为接触区域,黑色为孔隙),提取接触面积参数。每个试样随机选取3个点位,每个点位计算3个阈值下的接触面积,取平均值作为最终结果
[20]。
1.2.5 土壤抗剪强度测定
采用四联直剪仪(TKA-DDS-4A,南京泰克奥科技有限公司,南京,中国)对土体抗剪强度进行分析。试验前对土样进行预处理:将风干土的含水率调至15%,均匀揉搓后静置24 h,随后将土样压制为环刀试样(高度20 mm,直径61.8 mm,容重0.83 g/cm
3)。依据《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)
[21],剪切垂直压力(
σ)分别设置为50,100和150 kPa,进行不排水快剪试验,剪切速率为0.8 mm/min,最大剪切位移为6 mm,以模拟土体在不同压力条件下的剪切强度特性
[22]。
根据摩尔-库伦强度准则
[23]计算土壤抗剪强度的相关指标,其表达式如下:
式中:τ为土壤抗剪强度(kPa); σ为土壤所受垂直载荷(kPa);c为土壤黏聚力(kPa);φ为土壤内摩擦角(º)。
1.3 其他参数测定
图像处理方法。采用image pro-plus软件默认算法加人工矫正方法进行分割,将图像的颗粒与孔隙分割开来(
图1)。
1.4 数据处理分析
本研究采用 Excel 2016 软件进行数据整理与相关数据分析图件绘制;采用SPSS 18.0软件进行单因素方差分析和相关性分析;不同处理间的多重比较采用Duncan方法,显著性水平为P<0.05;采用Origin 21绘制图表。
2 结果与分析
2.1 无定形氧化铁-高岭石混合试样物质分析
XRD分析结果显示,无定形氧化铁本身未呈现出显著的衍射峰(
图2a),表明其缺乏长程有序的晶体结构,难以通过XRD检测。向高岭土中添加不同浓度的无定形氧化铁后,其XRD图谱中主要矿物的特征峰逐渐减弱(
图2b)。这一变化可能源于无定形氧化铁对高岭土颗粒表面的包覆作用,部分遮蔽了晶体结构的衍射信号,从而导致衍射峰模糊或减弱。尽管添加浓度较低,但其表面包覆效应已足以显著改变高岭土的XRD响应特征。同时,各处理下的XRD图谱中均未观察到新的衍射峰,说明无定形氧化铁未发生晶质转变,也未与高岭土发生显著的化学反应或形成新矿物。据此推测,无定形氧化铁与高岭土形成了以高岭土为核心、表面被其包覆的复合体系,且包覆效应随添加量的增加而增强,从而引起矿物衍射峰持续减弱。
2.2 无定形氧化铁-高岭石胶结体粒径分布特征
不同粒径层级的胶结体对无定形氧化铁添加浓度的响应存在显著差异(
图3)。在<2 μm粒径范围内,2 g/kg处理组胶结体占比最高,虽与纯高岭土对照无显著差异,但显著高于其他处理组(
p<0.05)。2~20 μm粒径的胶结体分布呈相似规律,其中2 g/kg处理组占比为10 g/kg处理组的2.2倍,表明低浓度无定形氧化铁更有利于该粒径胶结体的形成。20~250 μm粒径的占比随添加量增加呈“V”型变化,其中10 g/kg处理组占比最高,为最小值(2 g/kg处理组)的2.13倍。250~500 μm粒径在3 g/kg处理组达到峰值,占比为最小值的1.46倍。对于>500 μm的大胶结体,除2 g/kg处理组略有下降外,其余处理浓度均随添加量增加而显著升高,10 g/kg处理组占比最高,为2 g/kg处理组的1.87倍。
2.3 无定形氧化铁-高岭石胶结体微观结构特征
SEM分析结果(图
4a—
4e)表明,高浓度无定形氧化铁处理组呈现明显的微观结构重组特征。这些特征主要包括如下方面。 ①片状高岭土颗粒与较大粒径的氧化铁颗粒被微细无定形氧化铁包覆并胶结,形成稳定的复合胶结体结构; ②颗粒间通过“抱团”效应发生二次聚集,构建出更大尺度的结构单元。
研究结果表明,添加不同浓度无定形氧化铁对混合试样微观结构参数的影响具有显著差异(
图5)。颗粒接触面积随添加浓度的增加呈先上升后趋于稳定的趋势,在3 g/kg时达到峰值,其变化规律与黏聚力高度一致。其他微观参数未表现显著差异(
表1),分形维数在1.20~1.22之间波动极小,表明颗粒表面复杂度变化有限;表观孔隙率在0.51~0.54之间波动,较对照(0 g/kg)组下降12%,但二者并没有显著差异;丰度(0.60~0.62)和颗粒短轴(0.058~0.074 μm)的窄幅变化进一步说明颗粒分布特征基本保持稳定。添加不同浓度无定形氧化铁后,颗粒长轴和圆度表现出显著变化(
p<0.05)。3 g/kg处理组颗粒长轴最小,较最大值下降22%,表明在该浓度下颗粒发生明显各向异性收缩。2 g/kg处理组颗粒圆度显著降低,较1 g/kg和10 g/kg处理组分别下降25%和23%,呈现典型表面不规则性增强特征。与纯高岭土相比,添加组分形维数和颗粒短轴有所增加,而表观孔隙率和颗粒长轴略有下降,说明无定形氧化铁对高岭土颗粒形态具有浓度依赖性,且在特定浓度下表现出显著定向改变。因此,尽管无定形氧化铁添加在某些参数上引起颗粒尺度和形态的局部变化,但整体微观结构改变有限,表明其对高岭土微观结构的调控作用较为温和,主要表现为局部胶结和颗粒聚集。
2.4 无定形氧化铁对土壤力学参数的影响
在不同围压条件下,无定形氧化铁与高岭土混合试样表现出明显的抗剪强度差异(
图6)。低围压下,不同添加浓度试样的抗剪强度差异显著(
p<0.05),表明此时材料间胶结作用及微观结构特征对抗剪性能的控制作用较强。随着围压增大,试样间抗剪强度差异逐渐减小,显示高围压对结构差异影响具有弱化效应。值得注意的是,3 g/kg处理组在各围压水平下均表现出最高抗剪强度,表明该浓度对增强高岭土力学性能具有最优效果。
在黏聚力方面,混合试样呈现先缓慢上升、后快速增长,最终趋于平稳的变化趋势(
图7a)。当添加浓度为3 g/kg时,黏聚力达到最大值;添加浓度增加至10 g/kg时,黏聚力略有下降,呈现典型的饱和响应,表明无定形氧化铁在增强土体胶结性过程中存在浓度阈值,超过该临界浓度后增强效果趋于稳定。与纯高岭土相比,所有处理组黏聚力均有所提高,其中3 g/kg和10 g/kg处理组分别提高24.82%和17.57%,进一步验证了无定形氧化铁在提升土壤结构胶结性与抗剪强度方面的显著作用。相比之下,内摩擦角变化幅度较小(
图7b),范围为32.70°~34.12°,所有处理组较纯高岭土略有下降,其中3 g/kg处理组降幅最大(下降5.30%)。说明无定形氧化铁虽能显著增强黏聚力,但对内摩擦角影响有限。摩擦角的轻微下降可能源于氧化铁包覆作用,减少了颗粒间直接接触和粗糙摩擦。因此,无定形氧化铁主要通过胶结作用而非影响内摩擦角改善土体力学性能。
3 讨论
随着无定形氧化铁含量增加,土壤微观结构发生显著变化,主要表现为胶结物质增多、孔隙度降低以及颗粒间包被效应增强。SEM和XRD分析显示,氧化铁胶结物主要分布于土壤颗粒表面及接触部位,形成致密的胶结层,从而降低孔隙度并增强土壤结构的紧密性。该现象与马琳等
[24]在添加低浓度无定形氧化铁(4~9 g/kg)培养的原状土试样的SEM分析结果一致。从矿物学角度看,无定形氧化铁在到达饱和浓度之前,可能通过离子交换或嵌入作用部分替代高岭石中的铝氧八面体片,形成“铁氧八面体”结构,从而增强氧化铁-高岭石复合物体系的稳定性与胶结强度
[25]。接触面积在3 g/kg处出现峰值,而颗粒长轴、圆度和表观孔隙率在不同低剂量范围内表现出显著变化。这可以归因于无定形氧化铁在低-中等添加量下优先以包被与桥联方式吸附于黏土颗粒表面,增加颗粒间接触并填充微孔,从而使接触面积和孔隙率发生显著变化;而随着无定形氧化铁浓度进一步提高,新增的无定形氧化铁主要参与团聚体外延生长或表面重构,接触面积因此趋平
[26]。分形维数、颗粒丰度及短轴等指标未显著变化,可能是因为这些指标反映的是更大尺度或结构刚性的属性,局部表面包被/微量胶结不足以改变其整体尺度自相似性与统计分布
[27]。与此同时,氧化铁还能通过形成铁质胶膜进一步强化结构稳定性。在碱性或强蒸发环境中,Ca²⁺与HCO₃⁻反应生成的CaCO₃可沉积于颗粒间形成无机胶结体;二氧化硅凝胶聚合、硫酸钙等盐类结晶,以及Al³⁺,Fe³⁺等金属离子的水解产物与有机-无机复合胶体的生成,也可能协同增强土壤结构的胶结作用
[14]。综上所述,随着无定形氧化铁浓度的增加,土壤结构胶结作用愈发显著,各类物理-化学过程的协同效应促使土壤孔隙度持续下降,团聚效应增强,整体结构趋于致密化。
在力学性能方面,添加无定形氧化铁显著提高了土体抗剪强度,尤其在低压条件下效果更为明显。雒亿平等
[28]的研究表明,偏高岭土基地聚物添加了赤铁矿(0.2%~0.6%)后,其抗剪强度显著增加。Yan Hualing等
[29]的研究表明,向土壤中添加无定形氧化铁、赤铁矿和针铁矿(10 g/kg)均可改变土壤微观结构及剪切强度。不同形态的氧化铁通过促进颗粒胶结,调控颗粒接触面积、粒径分布及微孔结构,从而影响黏聚力、内摩擦角和抗剪强度,处理后抗剪强度表现为:针铁矿处理 > 无定形氧化铁处理>赤铁矿处理>纯高岭土
[29]。同时,无定形氧化铁对黏聚力的增强具有明显浓度效应。当添加浓度为3 g/kg时,黏聚力达到最大值,比纯高岭土提高24.82%,主要归因于铁胶质物质在颗粒间形成连续的胶结网络,增强土体整体结构与内聚力
[14]。当浓度超过3 g/kg后,黏聚力增长幅度明显趋缓,呈现典型的饱和效应,表明胶结作用已接近结构承载与反应位点的临界水平。其机理在于,无定形氧化铁主要通过在黏土矿物颗粒间的接触点形成胶结桥接而增强黏聚力。当添加浓度超过临界值(3 g/kg)后,土矿物颗粒间的间隙已被填充满,几乎没有有效的接触点与新增的氧化铁形成有效胶结网络,因此黏聚力的提升趋于平缓
[26]。但是,无定形氧化铁浓度与土壤黏聚力的定量关系还需进一步研究,特别是在3 g/kg左右。相比之下,无定形氧化铁对内摩擦角影响有限,变化范围仅为32.70°~34.12°,其主要原因在于无定形氧化铁以胶体状或亚微米级颗粒形式存在,粒径远小于高岭土,表面光滑且无棱角,难以有效增强颗粒间的骨架支撑或增强机械嵌锁作用
[30]。因此,无定形氧化铁主要通过增强黏聚力而非摩阻力提升土体抗剪强度,在特定水文地质条件下能有效提高土体稳定性,具有重要工程应用潜力。
本研究从微观机制层面深化了对土壤胶结行为及其力学效应的理解,为崩岗灾害防治提供了理论依据。
4 结论
本研究围绕无定形氧化铁对高岭土结构特征与抗剪性能的影响机制展开,系统分析了不同浓度无定形氧化铁处理下的微观形貌及力学响应。
(1) 无定形氧化铁浓度对胶结体粒径分布具有调控作用,其中中等浓度(2 g/kg)处理在促进中等粒径范围胶结体形成方面表现最为突出,其占比显著高于高浓度(10 g/kg)处理。微观结构分析表明,3 g/kg处理的样品接触面积达到峰值后趋于平缓,样品颗粒长轴缩短了22%;2 g/kg处理的样品圆度降低了25%;1 g/kg处理的样品表观孔隙率下降12%;其余参数的变异系数均小于15%,未呈现显著差异。
(2) 无定形氧化铁通过增强颗粒间胶结作用,调控微观结构布局,有效地提升了高岭土体系的抗剪性能。低围压条件下各处理组间差异较为明显,随围压升高,组间差异逐渐减小。黏聚力随无定形氧化铁浓度增加呈现先增强后趋于饱和的变化趋势,在中等浓度条件下达到最大值;内摩擦角在整个处理范围内波动较小,表明其受无定形氧化铁影响不显著。
福建省水利科技项目“崩岗崩壁防塌生态治理技术研发与示范”(KJG21009A)
福建省水利科技项目“崩岗崩壁防塌生态治理技术研发与示范”(MSK202217)
水利部重大科技项目(SKS-2022073)