第二章 粘粒及水的相互作用

研究對象：

固體顆粒與孔隙溶液相互作用后產(chǎn)生的一系列特性。

粘粒的膠體特性顆粒表面的雙電層。

離子交換。

粘粒的聚沉與穩(wěn)定。研究意義：由于顆粒細小，比表面積大，表面能大，是土中較活動的部分。它與孔隙溶液相互作用后,對土的工程地質(zhì)性質(zhì)有重要影響,因此，研究粘粒與水相互作用對土的各種工程地質(zhì)性質(zhì)及土質(zhì)改良有理論與實踐的意義。

§2.1粘粒的膠體特性1.土粒的表面積:土粒（分散相）土：分散體系空隙溶液（分散介質(zhì)）比表面積：表示分散相的分散程度，即每克或每立方厘米的分散相具有的總表面積。（單位：平方厘米）假設土粒呈球形，d為直徑：

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影響比表面積的因素:土粒的大小土粒的形狀——取決于礦物成分。2.粘粒的膠體特性：吸附能力

粘粒組包括粘土礦物、游離氧化物、石英、長石、云母等原生殘余礦物的細小顆粒以及有機質(zhì)。粒度成分不同的土，其工程地質(zhì)性質(zhì)必有差別。比表面積的大小決定了土的表面能的強弱，而土的表面能對土的一系列特性有重要影響。

吸附作用：粘粒表面層上的每個粒子向內(nèi)的吸引力沒有平衡，固體表面上存在著自由場。粘粒表面借助這種場力把它與其周圍物質(zhì)吸引住，就是吸附作用。

1.粘粒表面電荷的形成：

選擇性吸附:

粘粒吸附溶液中的離子具有一定的規(guī)律.它總是選擇性地吸附與它本身結(jié)晶格架中相同或相似的離子.例:將難溶鹽CaCO3組成的粘粒置于氯化鈣溶液中，溶液中的Ca2+被粘粒表面吸附，使粘粒表面帶正電。表面分子解離：若粘粒有許多可解離的小分子締合而成,則在水作用后生成離子發(fā)生基,而后分解,再進行選擇性吸附與礦物格架上性質(zhì)相同的離子,使粘粒表面帶電。同晶替代：粘土礦物晶格中的高價正離子被低價離子所替代,從而使整個粘粒帶負電.由于同晶替代所產(chǎn)生的負電荷數(shù)量不受介質(zhì)PH值的影響,因此稱為“永久負電荷?！?/p>

§2.2粘粒的雙電層的形成粘土礦物的帶電性質(zhì)研究表明：粘土顆粒的表面電荷，凈電荷通常為負電荷----------------------++++粘土顆粒水分子陽離子

2.粘粒雙電層的特征

粘粒雙電層形成的原因:由于粘粒具有較大的比表面能，可與空隙溶液相互作用在其表面形成雙電層。

決定電位離子層：緊密地吸附在固相表面的離子；反號離子層：帶電粘粒在水中吸附極性水分子于顆粒的周圍形成水化膜；與水溶液作用，由于靜電引力的作用，吸附溶液中與其電荷符號相反的離子聚集在其周圍，形成反離子層；固定層：粘粒表面帶有一定量負電荷與緊密吸附在固相表面上的反號離子形成固定層。

(吸附層)。擴散層：距顆粒表面較遠的反離子分布在顆粒周圍，具有擴散到溶液中去的趨勢，形成與固定層電荷符號相反的另一個帶電層；土粒表面帶負電荷的固定層(吸附層)與受土粒表面影響的陽離子層(反離子層)合稱為雙電層。

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粘粒雙電層的特征

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雙電層的結(jié)構(gòu)：

決定電位離子層

雙電層

構(gòu)成固定層的部分——受粘粒表面的吸著力形成。

反號離子層

構(gòu)成擴散層——受離子本身熱運動引起的擴散作用力。

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雙電層結(jié)構(gòu)示意圖：

現(xiàn)以Al2O3與PH>8.1的堿性溶液相互作用為例,寫出膠團結(jié)構(gòu)式:

雙電層固定層擴散層決定電位離子層反號離子層

{(Al2O3)m﹒nAlO(OH)2-﹒(n-x)H+}x-﹒xH+

膠體顆粒膠核膠粒

膠團

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擴散層厚度：定義：從固定層的邊緣到擴散層末端的距離。粘粒表面及其周圍正負離子間總的電位差，稱熱力電位；定量表示方法：通過電動電位（）表示——可用電泳實驗測得。的符號決定于顆粒表面的電荷符號

D——介質(zhì)的介電常數(shù)；d——擴散層厚度；——表面電荷密度

3.影響粘粒擴散層厚度的因素

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土粒的礦物成分與分散程度.

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溶液的化學成分:如果介質(zhì)中可被選擇吸附的離子濃度愈大,則熱力學電位愈大,擴散層愈厚,反之,擴散層愈薄。

l溶液的濃度:當溶液中反號離子的濃度增加時,可對擴散層的反號離子排斥作用,結(jié)果使擴散層中的離子進入固定層,擴散層變薄。

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溶液的PH值:由于粘粒的物質(zhì)組成決定了溶液PH值對其熱力學電位的影響,從而影響到擴散層的厚度。1.土中的離子交換:

定義：粘粒與水溶液相互作用后,吸附在其表面的陽離子(陰離子)與溶液中的離子進行交換，這種現(xiàn)象稱離子交換。

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細粒土離子交換特性的衡量指標:陽離子交換容量及各種交換性陽離子容量。

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交換容量:

在一定條件一定量的土中所有土粒的反離子層內(nèi)具有交換能力的離子總數(shù)，以每百克干土中含有多少毫摩爾的交換陽離子來表示。

標準交換容量:由于土的交換容量并非一個常數(shù),它隨外界條件的變化而變化,因此，規(guī)定以PH=6.5，濃度為0.05mol/dm3BaCl2的溶液反復的作用于1kg土上，測得的交換容量?！?.3離子交換研究交換容量的意義:有助于判別土的工程地質(zhì)性質(zhì)。通過交換容量的測定，人們可以有目的性的改變水溶液的化學成分，以改良細粒土，滿足工程建筑的要求。

注意：離子交換按等反應進度關系進行，是可逆反應，并服從質(zhì)量作用定律。

離子交換作用發(fā)生在反離子層(擴散層)與溶液中相同符號的離子之間。

一般膠體與水作用后，或有交換性陽離子，或有陰離子，兩者具其一，而粘土礦物則兩者兼有，但后者是次要的。2.影響離子交換容量的因素：①顆粒的礦物成分及分散程度：隨著土粒直徑的減小，交換容量隨之增高。一定量土中粘粒含量與交換容量成正比。一般情況下，交換容量隨著粘粒硅鋁率的增大而增大。注：硅鋁率：某種粘土礦物的二氧化硅與游離氧化物分子數(shù)的相對比值：可表示為：k=(x/60.06)/(y/101.94+z/165.7)，x,y,z分別表示SiO2，AL2O3,Fe2O3百分含量。②溶液的化學成分、濃度與PH值：濃度與PH值影響著礦物顆粒表面的帶電數(shù)量，也影響電位，而離子交換是在反離子層與溶液中進行的，所以顆粒表面帶電的數(shù)量及熱力學電位的大小對交換容量有直接影響。

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聚沉與穩(wěn)定：聚沉與穩(wěn)定是土粒間相互作用關系的對立的兩個方面。粘粒與水作用后，擴散層的電性與厚度的變化是決定粘粒聚沉與穩(wěn)定的根本原因。1.聚沉作用（絮凝作用）：

定義：相鄰粘粒在一定條件下形成集合體的作用。聚沉的類型有：

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電解質(zhì)聚沉:發(fā)生在同性電荷粘粒之間,通過增加電解質(zhì)濃度或改變其中反離子成分，使顆粒聚沉。理解:當加入電解質(zhì),濃度增大,擴散層壓縮,電動電位降低,兩個顆粒距離相接近,當電動電位降到零時,粘粒最易聚沉,可見，電解質(zhì)濃度的增加,可使擴散層厚度變薄,從而使粘粒聚沉.§2.4粘粒的聚沉與穩(wěn)定l

相互聚沉:懸液中帶電符號相反的兩種粘粒,可直接相互吸引而可形成集合體。聚沉的程度與兩者含量的比例有關，當兩者含量相等時,聚沉最完全。l

干燥聚沉:土在干燥過程中,由于蒸發(fā)逐漸失去水分,孔隙溶液的濃度迅速增加,使土粒的擴散層變薄,產(chǎn)生聚沉現(xiàn)象.l

凍結(jié)聚沉:在負溫條件下,土孔隙中水溶液開始有一部分凍結(jié),使未凍結(jié)的溶液中離子濃度增加,使土粒的擴散層變薄,再加上冰的壓力,促使土粒相互靠近,因而產(chǎn)生聚沉現(xiàn)象.

聚沉作用的意義：

①在打隧道中,經(jīng)常用到凍結(jié)聚沉原理,來暫時凝固松散顆粒完成工作。②對“干燥聚沉”的研究，可以防范假集合體在工程中的應用，避免事故的發(fā)生。③人們常利用“相互聚沉”的原理來凈化水質(zhì)。2.穩(wěn)定作用：

定義：原來成為集合體的土粒，由于擴散層變厚（或者使帶有相反電荷符號的土粒轉(zhuǎn)為帶有同號電荷，也能使擴散層變厚）當粒間排斥力大于吸引力，顆粒從新分離，稱為穩(wěn)定作用。集合體穩(wěn)定的方法：集合體法:只能破壞部分假集合體。半分散法:破壞假集合體及部分抗水集合體。全分散法:使所有的集合體破壞分散。3.觸變與陳化(兩者并不是對立的,陳化也會是粘土的膠氣體系變化的結(jié)果)

觸變:當粘粒發(fā)生聚沉，如果受到外力如振動，攪拌，電流等作用的影響，則往往會“液化”變成溶液或懸液，而當這些外力作用停止后，它們又重新聚沉，這種作用稱為“