碱性条件下红粘土的实验研究论文

红粘土是碳酸盐类岩石在亚热带温湿气候条件下，经风化作用而形成的褐红色粘性土，广泛分布于我国云贵高原、广西和四川等地。

红粘土对工程建设的不利影响主要表现在以下方面：①有些地区的红粘土具有竖向裂隙，易产生朝向建筑物的临空面失稳问题；②红粘土遇水后膨胀量小，而失水后收缩量大，易引起地基表层剧烈干缩并迅速龟裂，对施工不利；③红粘土底部多处于基岩凹部或盆形溶槽内，上硬下软，且下层土多呈流塑状态，易引起地基不均匀沉降或侧向位移，影响建筑物的安全。

对于红粘土地基，常采用以下处理措施。

1）对于6层和6层以下的建筑物，用红粘土作为天然地基，可采用毛石混凝土条形基础。这种刚性基础的特点是：可大量利用山区丰富的石材，降低工程造价。对于单层工业厂房红粘土地基，可在浇筑一层50～100cm素混凝土垫层后，采用钢筋混凝土独立基础。

2）对于岩面起伏大、易产生不均匀沉降的地基：对外露的石芽可用褥垫；对土层厚度、状态不均匀的地段可置换。当石芽密布、溶槽不宽且采用单独或条形基础时，若溶槽中土层厚度小于可不作处理，否则全部或部分挖除溶槽中的土，使土层厚度减至以下。当石芽零星出露，周围土体厚度不等时，可打掉一定厚度的石芽，铺上300～500mm水稳定性好的褥垫材料，如煤渣、中细砂等。

3）基槽开挖后，首要的问题是“保持原状土含水量”，即既不能长期日晒风干而大量失水，也不能受雨雪的影响而使含水量增大，更不能受到反复干湿的影响。一般应在基槽开挖后立即浇筑一层15～20cm厚度的素混凝土垫层，以不使地基受到气候的影响。对于热工构筑物、工业窑炉，可在基础底面设置一定厚度的隔热层，以保证地基土水分的稳定。

4）竖向裂隙的存在，可能导致基础墙体开裂、边坡坍塌、地表水下漏影响施工等危害，可针对不同情况，采取以下相应措施：①为防止建筑物开裂，在基础浇筑前，在基底铺设20～30cm的砂或碎石层，使土的收缩变形得到减缓和扩散，以免集中传递给基础；②建筑物外围做～宽的混凝土散水坡，坡度大于3％，散水坡可起到稳定基底土体含水量的作用，减少收缩变形；③适当增加基础埋深，以减少浅层大裂隙的影响。红粘土的裂隙发育深度约为4～6m，也有达10m以上的，此时最好采用桩基；④基础上部设置圈梁，以增加建筑物的整体性，减少不均匀沉降；⑤施工现场做好排水防水措施。临时水池、洗料场、搅拌站、淋灰池等应设在距建筑物8～12m以外，并根据必要情况在边坡处做好支挡防塌措施。

5）有的地区，地下水位相当高，水位线明显超出红粘土埋藏标高或位于红粘土表层，如开挖基槽，则必为水所浸没，无法施工，这里介绍几种有效的施工方法。①井点降水法：采用单层轻型井点降水，将地下水位降低3～6m，地下水位可完全降到红粘土表层以下，是一种相当有效的方法。②集水坑法：适用于地下水位并不高的土层，在拟建建筑物周围每隔3～5m挖一个1m×1m的深坑，坑底标高可低于基础底面标高1m左右，让开挖的基槽与集水坑相连，并对集水坑不断抽排水，便于基础施工。③分段浇筑基础，即开挖基槽、抽水、砌筑毛石混凝土基础同时进行，分段渐进。先施工外轴线基础，再由表及里进行。如果采用修理平整的条石砌筑，则效果更佳。④爆扩桩基础：由于红粘土的上层硬塑土一般厚3～5m，因此，在地下水位较高的地区，采用桩长～3m，扩大端直径为70～90cm的爆扩短桩，能成功地在地下水位以下施工。这主要是由于红粘土经爆炸扩大，混凝土粘贴在扩大端周壁，可起挡水护壁作用，同时红粘土经爆扩后，周壁土密度增大，孔隙水加速消散，地下水不会立即渗入爆扩桩扩大端中，就有充足的时间进行混凝土浇筑作业。贵州红粘土地区采用爆扩桩基础的建筑物，施工了约10×104 m2，相当多的爆扩柱是在地下水位线以下3m施工，均相当成功。

6）对基岩面起伏大、岩质硬的地基，可采用大直径嵌岩桩或墩基，穿越红粘土层。

7）使用红粘土作为填筑土时，应控制干重度为14～15kN/m3，使其含水量接近塑限。

通过资料的查阅、收集了解植物精油的实用价值与功效。搜集工业化及实验室提取精油的有效方法，选择最适合的实验方法订立实验方案并加以实施。根据实验结果调整实验方案，总结经验，加以改进，进行第二次实验。最终分析两次实验的结果，得出关于精油提取最佳方案的结论。 关键词：精油 玫瑰 水蒸气 蒸馏 萃取 植物精油为花朵芳香味的来源，具有医疗功效，同时也十分昂贵。 我组组员经过讨论后认为通过对植物精油提取资料的收集，了解可以加深我们对这门提取工业的认识。通过亲自选择，拟定实验方案，可以提高我们的科学探究水平。实验带来的种种不可预测的变化又能够使我们亲身感受到科学实验成功的来之不易。最终决定，把题目定为：植物精油的提取方法的选择与实验探究。 订立研究性学习的题目后，我们首先收集了关于植物精油提取方法的有关资料。 主要提取方法有：水蒸气蒸馏法，化学溶剂萃取法，油脂分离法（脂吸法），冷冻压缩法（压榨法），二氧化碳萃取法。此五种方法各有特色：水蒸气蒸馏法：操作最简单，成本较低，是最常用的萃取方法。化学溶剂（有机物）萃取法：是花类精油的常用萃取方法。油脂分离法（脂吸法）：是花朵精油的昂贵的萃取方法。冷冻压缩法（压榨法）：专门用来萃取贮藏在果皮部分的精油，如柑橘类的果实。二氧化碳萃取法：是一种十分昂贵的方法，所萃取的精油品质近乎完美，价格也非常昂贵。 我们经过对实验成本与实验难度等多方面的考虑并结合学校现有实验条件后最终决定选用了水蒸气蒸馏法与有机物萃取法提取精油。 第二步，我们选取了实验材料（植物的品种）：在众多的植物中（柠檬香茅，薰衣草，迷迭香，天竺葵，茶树，檀香，佛手柑，尤加利，松树，玫瑰，月季，薄荷等）最终从实验材料的价格，运输难易程度，与对实验效果的预测出发，选择了玫瑰花瓣作为我们的实验材料。实验的准备工作就绪以后，我们着手开始实验： 经过讨论，我们决定按照课本拟定了第一次实验的方案： 材料及用具： 提取物，蒸馏水，酒精，苯酚，NaCl, 导管，锥形瓶，蒸馏设备，烧杯，胶塞，细玻璃管，温度计，铁架台，研钵，酒精灯，玻璃棒等 实验步骤： 如图组装好提取设备后，将玫瑰花瓣均等的分成两组（α，γ）。 将α组花瓣放入烧瓶，加入蒸馏水致1/2处后点燃酒精灯。 水沸腾后，蒸发出来的气体会在冷凝管处凝集，从牛角管流出进入锥形瓶。收集 提取液。待收集约20ml提取液后停止收集。熄灭酒精灯。将提取液分为4组： a1,a2,a3,a4，装入试管。将a1组内放入一小勺NaCl, a2组内放入苯酚，a3组内 放入NaCl与苯酚，a4为对照组。将烧瓶中沸腾以后的溶液（黄色）过滤后收集， 分为相等的4组b1,b2,b3,b4，实验步骤与前者对应相同。将γ组花瓣研碎放入烧 杯中，加入乙醇，用玻璃棒将花瓣在乙醇溶液中搅匀，静置，待乙醇溶被被染成 玫瑰色后将所得溶液分成4组r1, ,r4，实验步骤与a组相同。全部试管盖上橡皮 塞后封存。 理论根据： 精油提取出来之后会形成 混浊液，因为密度与溶液 密度相近所以不易沉淀。 加入NaCl的目的为增加 溶液密度，使精油漂浮于 液体上层从而利用分液漏 斗加以分离，得到精油。 加入苯酚与酒精的目的为 利用精油易溶于有机溶剂 的性质达到提纯目的。 实验说明： a,b组互为对照精油在实验装置中的含量的高低，判断从实验装置的那部分提取 精油更高。横向为比较装置相同位置的液体应选用何种提取方法更加理想。 a2,b2,r4可以对照酒精与苯酚溶液对不同装精油的萃取效果。 实验结果：静置1周之后 ，a组与1周前状态相同，未出现任何现象。通过对b组的认真观察发现b3组底部存有极少量絮状沉淀，其他组内为初始的淡黄色，但都具有淡淡的植物香味。r1,r4试管上层漂浮着薄膜似的不明物质。打开试管口后有嗅有浓重的酒精气味。也许是冲淡了精油的芳香，我们没有闻到芳香气味。 第一次实验结果大大出乎我们的意料。这几乎宣布了实验的失败。我们立即着手 检查问题， 认真分析了每一步骤可能存在的缺陷。主要有如下4点： 1， 加入烧瓶的花瓣未经研碎，或许对精油的萃取产生影响。导致效果不明显。 2， 精油未溶于蒸馏水中，导致蒸馏后所得溶液近乎于蒸馏水。 3， 酒精气味过于浓烈，导致精油物质的芳香气味无法闻到。 4， 无法提取与测定“可疑物质”是否确实是玫瑰精油。 我们针对第一次实验产生的问题，自行设计了实验方案2： 材料及用具： 提取物，酒精，NaCl, 导管，锥形瓶，蒸馏设备，胶塞，温度计，铁架台，水浴锅，研钵等 实验步骤： 如图组装好提取设备后，将研磨好的花瓣放入烧瓶中，加入酒精致1/2处。点燃 酒精灯，控制酒精温度于摄氏78度左右。持续收集10ml蒸馏液。将其分为2 组：D1，D2组。D1组放入NaCl溶液，D2 组为对照组。分别装入锥形瓶中用 保鲜膜覆盖瓶口，扎上小孔，使酒精能够挥发出来，而尘土不易进入。 实验说明：在本次试验中，我们将花瓣研碎避免了问题1的出现。由于上一实验已经证实精油确实溶于酒精（酒精颜色发生改变，有薄膜状物质产生），我们决定用酒精对玫瑰花瓣进行有机溶剂萃取的同时进行蒸馏，让酒精蒸汽带出精油。精油溶于酒精从而避免了问题2的出现。由于酒精的沸点为摄氏78度，为避免由于瓶内液体温度过高（高于精油沸点）导致精油自行逸出而无法收集的后果，我们决定将液体温度控制在酒精的沸点。从而使精油与酒精“协同”蒸馏而出。针对最后的酒精气味浓烈与精油成分判定的问题，我们决定用酒精易挥发的性质使酒精自行挥发完成最终的提纯工作。 实验结果与备注：从锥形瓶液体中能够闻到明显的植物香味。这说明蒸馏液中已经含有了精油成分（重大突破）。静置一周后发现D，E组无明显差异，液体透明，无色。有淡淡的植物香味。截止至今日为止，D，E组的酒精尚未挥发完成。未发现有明显的精油迹象（絮状沉淀）。 两次实验的总结：第一次实验我们按照书本所叙述的设计了实验方案。第一次存在的问题在第二次自主设计的实验中得到了较好的解决。直接效果便是提取出了（与第一次实验比）拥有较浓芳香气味的液体。虽然至今无法尝试使用我们自己提取出来的精油，我们的收获却远远不止那10支试管与2瓶具有芳香气味的液体。 在研究性学习的两次试验的准备，计划与实施中，我们对真正的探究性实验有了清晰的认识。主要收获有如下3点： 切身感受到了书本的非万能性：书本仅仅局限于叙述实验的大体步骤，许多关系到实验成功与否的重要细节却欠详细。而这些细节的发现者却往往是那些亲身体验到实验失败的人们。我们得到的经验便是不能盲目相信课本教授的知识。实践才是检验真理的唯一标准。 拥有了科学实验的实践经验：通过对课本实验的再现与改进，我们自行设计并执行了实验方案。而实验的结果直到最后一刻才展现在我们面前。这如同是在进行一次真正的科学发现实验。如此从始至终自主的探究性实验是在原来从未经历过的。我们从中体会到来作为一个真正的科研工作者的艰辛历程。我们从中体验到的远远不止精油宜人的香味…… 懂得了成功的实验成果的来之不易：2次实验的设计，实施与分析，组员们无一不投入了大量的时间与精力。但实验成果却不那么尽如人意。在失望的同时，冷静下来想想，世界上又有哪个重大的科技成果凭借仅仅凭借2次实验就能够获得成功呢？科学的发展就是一个不断发现与完善的过程，失败的泪水始终伴随着成功的微笑。我们要想获得实验的成功只有不断总结经验教训，不断完善方案，经过多次的失败后成功才可垂青于我们。而对实验始终执著的精神是万不可动摇的。 结论：我们达到了了解精油提取业的预期目标，完成了两次实验，从中收获了书本中无法获得的实践经验；从中体验了自主性探究的发现过程；从中懂得了科学成果的来之不易……达到了课程目的，圆满地完成了高一学年的研究性学习课题。C4植物或碳四植物。 CO2同化的最初产物不是光合碳循环中的三碳化合物3-磷酸甘油酸，而是四碳化合物苹果酸或天门冬氨酸的植物。又称C4植物。如玉米、甘蔗等。而最初产物是3-磷酸甘油酸的植物则称为三碳植物（C3植物）。许多四碳植物在解剖上有一种特殊结构，即在维管束周围有两种不同类型的细胞：靠近维管束的内层细胞称为鞘细胞，围绕着鞘细胞的外层细胞是叶肉细胞。叶肉细胞里的磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）经PEP羧化酶的作用，与CO2结合，形成苹果酸或天门冬氨酸。这些四碳双羧酸转移到鞘细胞里，通过脱羧酶的作用释放CO2，后者在鞘细胞叶绿体内经核酮糖二磷酸(RuBP)羧化酶作用，进入光合碳循环。这种由PEP形成四碳双羧酸，然后又脱羧释放CO2的代谢途径称为四碳途径。已经发现的四碳植物约有800种 ，广泛分布在开花植物的18个不同的科中。它们大都起源于热带。 因为四碳植物能利用强日光下产生的ATP推动PEP与CO2的结合，提高强光、高温下的光合速率，在干旱时可以部分地收缩气孔孔径，减少蒸腾失水，而光合速率降低的程度就相对较小，从而提高了水分在四碳植物中的利用率。这些特性在干热地区有明显的选择上的优势。 C4植物与C3植物的一个重要区别是C4植物的CO2补偿点很低，而C3植物的补偿点很高，所以C4植物在CO2含量低的情况下存活率更高。 C4类植物 在20世纪60年代，澳大利亚科学家哈奇和斯莱克发现玉米、甘蔗等热带绿色植物，除了和其他绿色植物一样具有卡尔文循环外，CO2首先通过一条特别的途径被固定。这条途径也被称为哈奇-斯莱克途径。 C4植物主要是那些生活在干旱热带地区的植物。在这种环境中，植物若长时间开放气孔吸收二氧化碳，会导致水分通过蒸腾作用过快的流失。所以，植物只能短时间开放气孔，二氧化碳的摄入量必然少。植物必须利用这少量的二氧化碳进行光合作用，合成自身生长所需的物质。 在C4植物叶片维管束的周围，有维管束鞘围绕，这些维管束鞘案由叶绿体，但里面并无基粒或发育不良。在这里，主要进行卡尔文循环。 其叶肉细胞中，含有独特的酶，即磷酸烯醇式丙酮酸碳氧化酶，使得二氧化碳先被一种三碳化合物--磷酸烯醇式丙酮酸同化，形成四碳化合物草酰乙酸盐，这也是该暗反应类型名称的由来。这草酰乙酸盐在转变为苹果酸盐后,进入维管束鞘，就会分解释放二氧化碳和一分子甘油。二氧化碳进入卡尔文循环，后同C3进程。而甘油则会被再次合成磷酸烯醇式丙酮酸,此过程消耗ATP。 该类型的优点是，二氧化碳固定效率比C3高很多,有利于植物在干旱环境生长。C3植物行光合作用所得的淀粉会贮存在叶肉细胞中，因为这是卡尔文循环的场所，而维管束鞘细胞则不含叶绿体。而C4植物的淀粉将会贮存于维管束鞘细胞内，因为C4植物的卡尔文循环是在此发生的。 C4型植物有：玉米、茼蒿、白苋菜、小白菜、空心菜

红粘土是热带、亚热带地区碳酸盐岩类和玄武岩强烈化学风化作用的产物，在成因类型上属于残坡积粘土，是一种区域性特殊土。滇藏铁路沿线的红粘土主要分布于滇西北碳酸盐岩分布区，是上新世以来古红土化作用形成的红色风化壳。在工程上，这些残存的红色风化壳可以构成铁路路基和路堑边坡，在雨季常产生滑坡、坍塌等地质灾害，不仅导致交通中断、威胁人身安全，而且在工程开挖或植被破坏的条件下，地表水作用往往导致严重的水土流失现象，因此常增加巨额的维修费用，铁路工程建设中对该类问题必须给予足够的重视。现以滇西北地区由碳酸盐岩（石灰岩、白云岩）化学风化而成的红粘土为例，阐述其一般工程地质特性。

一、滇西北红粘土的宏观特征

滇西北红粘土主要以残坡积成因为主，其厚度变化大，通常在地形舒缓地带较厚。母岩成分以碳酸盐岩（石灰岩、白云岩）为主。滇西北红粘土的宏观特征主要表现在以下方面：

（1）一般为红褐、棕红色。

（2）表层呈坚硬或硬塑状态，具有干燥收缩现象，粘土呈碎裂、碎屑状。

（3）厚度一般小于7～8 m，个别地段厚度可达10～20 m，土层厚度变化很大，往往一尺之遥，厚度相差数米。在有植被覆盖的地区，红粘土通常是连续分布的。

二、红粘土的物质组成

红粘土的成因决定了其通常具有极高的分散性，高分散性也是红粘土高塑性的原因之一。采用移液管全分散法对滇西北红粘土进行粒度分析，结果表明滇西北红粘土的主要粒度组成为粘粒，其中d＜5 μm的粘粒含量最低为，最高为；d＜2 μm的粘粒含量最低为，最高为（表12-11）。粘粒含量多少与红土化程度有关，强红土化的红粘土（如鹤庆北衙、公鸡石一带），因强铁铝质胶结作用，粘土含量偏低。

表12-11 滇西北红粘土的粒度组成测试结果

粘粒是滇西北红粘土最主要的组成部分，而粘粒中的粘土矿物的成分和含量是影响其工程地质特性的主要因素。利用现代X-射线衍射法对滇西北红粘土中的粘土矿物进行定量测试发现，红粘土的粘土矿物组成取决于红土化程度，即脱硅富铝化程度。红土化程度高的红粘土以高岭石为主，普遍含较多的蛭石，并伴生伊利石和绿泥石；红土化程度低的红粘土以伊/蒙混层矿物（I/S）为主，且为中低混层比，伴生高岭石、伊利石（表12-12，图12-16）。

表12-12 滇西北红粘土矿物成分定量测试结果

图12-16 红粘土的粘土矿物组成定量测试结果

通常，红粘土的红土化程度越低，其I/S混层矿物含量越高，因而其胀缩性越强，工程性质越差。在丽江以南，红粘土中的粘土矿物主要以K为主，同时V含量也比较高，说明其红土化程度较高；而丽江以北则以I/S混层矿物为主，说明其红土化程度较低。这主要是由于丽江以南海拔比北部低、纬度也低，较为湿热的北亚热带气候环境为红土化提供了有利的条件。可见，气候条件是导致红土化程度不一的主控因素。

值得指出，在红土化程度高的红粘土中普遍含有蛭石，这是由于随着红土化程度增高，伊利石、伊/蒙混层矿物逐渐破坏或转化，除了形成高岭石外，还转化为蛭石。以往认为红粘土中蛭石是伊利石转化的认识是不全面的。

三、红粘土的工程地质特性

（1）物理性质和物理化学活性

室内土工试验结果表明，滇西北红粘土的物理和物理化学性质主要表现在以下方面：① 含水量较高，一般为30%～50%（表12-13）。② 干重度低，一般低于 kN/m3，反映了红粘土具有高孔隙性。③ 高塑性，液限在～之间，塑性指数为～，为典型的高塑性粘土。④ 红粘土的液性指数范围位于～之间，含水比位于～，说明滇西北红粘土在天然状态下呈坚硬-硬塑态。⑤ 红粘土的比表面积较大，一般为～ m2/g，与有效蒙脱石含量较高（10%～20%）和高分散性是一致的；红粘土的pH值为～，属微酸性。

表12-13 滇西北红粘土的基本物性指标

（2）红粘土的膨胀性和收缩性

以往对我国红粘土膨胀性判别研究发现，有些红粘土（如云南蒙自红粘土）具有显著的膨胀性，但也确实有不少红粘土的自由膨胀率小于40%，其主要原因在于粘土矿物组成的不同。滇西北以伊/蒙混层矿物为主的红粘土属于膨胀性红粘土，以中甸上吉沙红粘土为代表，自由膨胀率达48%；以高岭石为主的红粘土属于非膨胀性红粘土，以丽江北沟罗红粘土为代表，自由膨胀率为38%。

（3）红粘土的力学性质

室内采用直剪仪对红粘土样品进行了不同状态的直剪试验（表12-14），并根据试验结果得到了不同含水量条件下红粘土样品的剪应力τ与位移Δl的关系曲线（图12-17）。从图12-17可以看出：随着含水量的增加，红粘土的抗剪强度下降，特别是当其含水量超过其液限时，抗剪强度急剧下降，即使围压很大，其抗剪强度仍然很弱。

表12-14 滇西北红粘土在不同状态下的直剪试验结果

图12-17 滇西北红粘土的剪应力（τ）与位移（Δl）关系曲线

综上所述，红粘土的成因决定了其高孔隙性、高塑性，不良工程性质决定其在开挖暴露和裸露环境下将产生强烈的体积收缩变形，相应地出现红粘土碎裂化现象。在雨季特别是暴雨作用下，常造成地表冲刷、冲沟形成和石漠化现象，成为重要的环境问题。红粘土的上述工程地质特性也可以充分说明红粘土边坡在雨季易于产生滑坡的原因。