粘性土的物理化學(xué)性質(zhì)

第二章粘性土的物理化學(xué)性質(zhì)內(nèi)容提要本章主要討論決定粘性土的宏觀物理化學(xué)性質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)特征。主要包括：

鍵力的基本概念粘土礦物顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)粘土顆粒的膠體化學(xué)性質(zhì)粘性土工程性質(zhì)的利用和改良粘性土特有的性質(zhì)及成因

粘性土隨著含水量的不同會(huì)呈現(xiàn)不同的物理狀態(tài)。這種性質(zhì)主要取決于粘粒粒組的含量與粘粒的礦物成分。比表面積

所謂比表面積就是單位體積內(nèi)顆粒表面積的總和。顆粒越細(xì)，比表面積越大，表面能越大。粘土礦物的粒徑小于0.005mm，具有很大的比表面積。粘性土物理化學(xué)特性的本質(zhì)粘土礦物可分為蒙脫石、伊利石和高嶺石三種類型。它們各自具有不同的結(jié)晶結(jié)構(gòu)特征。結(jié)晶結(jié)構(gòu)特征：即組成礦物的原子和分子的排列以及它們之間的聯(lián)結(jié)力。粘性土的各種工程性質(zhì)（可塑性、壓縮性、強(qiáng)度等）主要受組成粘性土的粘土礦物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)特征以及礦物顆粒與周圍介質(zhì)的相互作用所制約。鍵力第一節(jié)鍵力的基本概念所謂鍵力是指組成粘土礦物的原子與原子之間或分子與分子之間的一種聯(lián)結(jié)力。鍵力的類型：化學(xué)鍵分子鍵氫鍵化學(xué)鍵原子與原子之間的聯(lián)結(jié)稱為化學(xué)鍵，也稱為主鍵或高能鍵。根據(jù)聯(lián)結(jié)的形式又可分為離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵三種。離子鍵離子鍵是一種化學(xué)聯(lián)結(jié)。不同元素的原子通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，一種元素的原子失去其最外電子層中的一個(gè)或多個(gè)電子成為陽(yáng)離子，而另一種元素的原子獲得一個(gè)或多個(gè)電子成為陰離子。

陽(yáng)離子與陰離子之間的靜電引力所形成的鍵力即為離子鍵。

離子鍵是無(wú)方向性的。共價(jià)鍵共價(jià)鍵是同一種元素的兩個(gè)原子以共有的外層電子聯(lián)結(jié)而成同種元素的分子。共價(jià)鍵是有方向性的，方向角稱為鍵角。金屬鍵鍵金屬元元素中中的自自由電電子將將金屬屬原子子或離離子聯(lián)聯(lián)結(jié)而而成金金屬晶晶格，，這種種聯(lián)結(jié)結(jié)力即即為金屬鍵鍵?？偨Y(jié)結(jié)不同元元素的的原子子通過(guò)過(guò)化學(xué)學(xué)反應(yīng)應(yīng)構(gòu)成成一種種新的的物質(zhì)質(zhì)分子子，異異性原原子之之間的的聯(lián)結(jié)結(jié)力稱稱為離子鍵鍵。兩個(gè)同同性原原子形形成同同一元元素分分子的的聯(lián)結(jié)結(jié)力稱稱為共價(jià)鍵鍵。通過(guò)自自由電電子將將原子子或離離子聯(lián)聯(lián)結(jié)成成金屬屬晶格格的聯(lián)聯(lián)結(jié)力力為金屬鍵鍵。離子鍵、共價(jià)鍵和和金屬鍵都屬于主鍵。主鍵的影響范圍最最小，約為0.1~0.2μμm，而其聯(lián)結(jié)能最大大，相當(dāng)于8.4～84J/kmol。總結(jié)分子鍵分子鍵又稱范德華（VanDerWaals）鍵或次鍵、低能鍵。所謂分子鍵就是指指分子與分子之間間的聯(lián)結(jié)力。分子間鍵力的影響響范圍比離子鍵力力大得多，約為0.3～10μm，但其鍵能則比離子子鍵能小得多，約約為2.1～21J/kmol。分子鍵的形成與影影響因素由于分子的正電荷荷與負(fù)電荷的分布布不對(duì)稱形成極性分子，在極性分子間相相反電荷的偶極端端相互接近時(shí)相互互吸引就產(chǎn)生分子子鍵。分子鍵的產(chǎn)生是與與分子的定向作用、誘導(dǎo)作用和分散作用有關(guān)。分子鍵的能量大小小與溫度有關(guān)，當(dāng)當(dāng)溫度升高時(shí)，其其能量就減小。氫鍵氫鍵是介于主鍵和和次鍵之間的一種種鍵力。氫原子失去一個(gè)電電子成為一個(gè)裸露露的原子核，當(dāng)它它與帶負(fù)電荷的原原子相互吸引時(shí)，，即構(gòu)成特殊的氫氫鍵。由于氫離子尺寸小小，只允許與兩個(gè)個(gè)相鄰原子靠攏，，故氫鍵只能連接接兩個(gè)原子。氫鍵的影響范圍很很小，約為0.2～0.3μm，鍵能達(dá)21～42J/kmol。鍵力與強(qiáng)度土粒本身的強(qiáng)度是是由主鍵形成的；土粒與土粒之間、、土粒與水分子之之間的吸引力由次鍵和氫鍵形成；土粒之間的聯(lián)結(jié)力力遠(yuǎn)小于土粒本身身的強(qiáng)度，土體的的強(qiáng)度主要取決于于土粒之間的的聯(lián)結(jié)。第二節(jié)粘粘土礦物顆顆粒的結(jié)晶晶結(jié)構(gòu)粘土礦物結(jié)結(jié)晶結(jié)構(gòu)組組成粘土礦物結(jié)結(jié)晶結(jié)構(gòu)的的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)單元：硅氧四面體體氫氧化鋁八八面體（三三水鋁石八八面體）硅氧四面體體晶體單元元四個(gè)氧離子子構(gòu)成一個(gè)個(gè)等邊的四四面體，四四面體四個(gè)個(gè)面均為等等邊三角形形，在四面面體的中心心位置有一一個(gè)硅離子子。(硅-氧四面體)六個(gè)硅-氧四面體組組成一個(gè)硅片，每個(gè)四面面體底面上上有一個(gè)氧氧離子與相相鄰四面體體共用。氫氧化鋁八八面體結(jié)晶晶單元由6個(gè)氧或氫氧離子以以相等的距距離排列，，鋁原子居居中。（鋁—?dú)溲醢嗣骟w體）4個(gè)鋁—?dú)溲醢嗣骟w體組成一個(gè)個(gè)鋁片，每個(gè)氫氫氧離子子都被相相鄰兩個(gè)個(gè)鋁離子子所共有有。粘土礦物的結(jié)結(jié)晶結(jié)構(gòu)粘土礦物根據(jù)據(jù)四面體片（（硅片）與八八面體片（鋁鋁片）的不同同組合堆疊形形式，形成了了三種主要的的粘土礦物：：高嶺石蒙脫石伊利石高嶺石由一個(gè)四面體體片與一個(gè)八八面體片重復(fù)復(fù)堆疊而成。。稱為1:1型結(jié)構(gòu)單位層層，也稱為二二層結(jié)構(gòu)型。。蒙脫石由兩個(gè)四面體晶晶片中間夾一個(gè)個(gè)八面體晶片堆堆疊而成。稱為2:1型結(jié)構(gòu)單位層，，亦稱為三層結(jié)結(jié)構(gòu)型。蒙脫石伊利石伊利石的晶格構(gòu)構(gòu)造與蒙脫石相相似，同屬2:1型結(jié)構(gòu)單位層，，但在四面體片片之間六角形網(wǎng)網(wǎng)格眼中央嵌有有一個(gè)鉀離子。。三種粘土礦物物物理性質(zhì)的比較較粒徑比表面積脹縮性性強(qiáng)度度壓縮縮性性大10-20m2/g小大小中80-100m2/g中中中小800m2/g大小大高嶺石伊利石蒙脫石9克蒙脫土的的總表面積積大約與一一個(gè)足球場(chǎng)場(chǎng)一樣大分析四面體片和和八面體片片之間都是是共用一個(gè)個(gè)原子，所所以四面體體片與八面面體片間的的鍵力為主主鍵聯(lián)結(jié)，，但結(jié)構(gòu)單單位層間的的聯(lián)結(jié)則比比較薄弱。。當(dāng)具有不同同晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)的粘土礦礦物與周圍圍介質(zhì)接觸觸時(shí)，就會(huì)會(huì)顯示出不不同的工程程性質(zhì)。高嶺石的物物理性質(zhì)高嶺石類粘粘土礦物中中，結(jié)構(gòu)單單位層之間間為氧與氫氫氧或氫氧氧與氫氧離離子相聯(lián)結(jié)結(jié)，單位層層與單位層層之間除范德華鍵外，還有氫鍵，能提供較較強(qiáng)的聯(lián)結(jié)結(jié)力。高嶺石在水中中，結(jié)構(gòu)單位位層之間不會(huì)會(huì)分散，晶格格活動(dòng)性小，，浸水后結(jié)構(gòu)構(gòu)單位層間的的距離變化很很小，所以高嶺石的膨脹脹性和壓縮性性都很小。蒙脫石的物理理性質(zhì)蒙脫石類粘土土礦物中，結(jié)結(jié)構(gòu)單位層之之間為氧與氧氧聯(lián)結(jié)，其鍵鍵力很弱，易易為具有氫鍵鍵的強(qiáng)極化水水分子楔入所所分開(kāi)。組成蒙脫石類類粘土礦物的的八面體結(jié)構(gòu)構(gòu)單元中會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生水化陽(yáng)離離子，水化陽(yáng)陽(yáng)離子進(jìn)入結(jié)結(jié)構(gòu)單位層之之間使層間距距離增大。蒙脫石的晶格格活動(dòng)性極大大，膨脹性與與壓縮性都比比高嶺石大得得多。伊利石的的物物理性質(zhì)伊利石礦物在在單位層面之之間嵌有帶正正電荷的鉀離離子，單位層層之間的聯(lián)結(jié)結(jié)強(qiáng)度介于高高嶺石和蒙脫脫石之間，其其膨脹性及壓壓縮性也介于于高嶺石和蒙蒙脫石之間。。第三節(jié)粘土土顆粒的膠體體化學(xué)性質(zhì)粘土顆粒的粒粒徑非常微小?。ㄐ∮?.005mm），在介質(zhì)中中具有明顯的的膠體化學(xué)特特性（如具有有吸附能力），這起源于于粘土顆粒表面面帶電性。粘土顆粒表面面帶電的成因因邊緣破鍵造成成電荷不平衡衡同晶置換作用用水化解離作用用選擇性吸附邊緣破鍵造成成電荷不平衡衡理想晶體的內(nèi)內(nèi)部正負(fù)電荷荷是平衡的，，粘土顆粒粒粒徑非常微小小，是一個(gè)高高分散體系，，在顆粒外部部邊緣處結(jié)晶晶格架的連續(xù)續(xù)性受到破壞壞，從而造成成電荷的不平平衡。這些被被破壞的鍵常常使粘土顆粒粒帶有凈負(fù)電電荷。顆粒越細(xì)，破破鍵越多，所所以比表面越越大，表面能能就越大。同晶置換作用用硅氧四面體中中的硅原子常常為鋁或其它它低價(jià)的陽(yáng)離離子置換；氫氫氧化鋁八面面體中的鋁原原子又常為鐵鐵、鎂離子所所置換，置換換后引起電荷荷的不平衡，，在顆粒表面面產(chǎn)生了過(guò)剩剩的未飽和負(fù)負(fù)電荷，使粘粘土顆粒表面面帶負(fù)電。水化解離作用用粘土礦物顆粒粒表面與水作作用，會(huì)形成成一層偏硅酸酸（H2SiO3），偏硅酸在在水中離解為為H＋和SiO32－離子，H＋向水溶液中擴(kuò)擴(kuò)散，而硅酸酸根SiO32－與晶格不分離離，從而使顆顆粒表面帶有有負(fù)電荷。選擇性吸附選擇性吸附所謂選擇性吸吸附，就是顆顆粒只吸附與與其本身晶格格中離子成分分相同或相近近的離子。例如，CaCO3在Na2CO3溶液中只吸附附CO32－，如把CaCO3置于CaCl2溶液中，則吸吸附Ca2+。三類粘土礦物物工程性質(zhì)的的比較礦物顆粒的直直徑：高嶺石石>伊利石>蒙脫石。蒙脫石的比表表面積為高嶺嶺石的80倍，為伊利石石的10倍。蒙脫石塑性指指數(shù)可達(dá)100～650；壓縮性為高高嶺石的5～15倍；有效內(nèi)摩摩擦角也最小小。雙電層的概概念土中水與礦礦物顆粒的的相互作用用粘土礦物晶晶格構(gòu)造不不同，對(duì)工工程性質(zhì)的的影響，本本質(zhì)上是這這些礦物的的顆粒與土土中水相互互作用的反反映。土中水與固固體顆粒之之間并不是是機(jī)械地混混合，而是是有機(jī)地參參加土的結(jié)結(jié)構(gòu)，是一一種復(fù)雜的的物理化學(xué)學(xué)作用。土的性質(zhì)不不僅取決于于水的絕對(duì)對(duì)含量，而而且取決于于水的存在在形態(tài)、結(jié)結(jié)構(gòu)以及介介質(zhì)的物理理?xiàng)l件和化化學(xué)成分。。水分子的極極性水具有許多多特點(diǎn)，如如介電常數(shù)數(shù)高、表面面張力小、、壓縮性低低等。水分子是一一個(gè)極性分分子，氫原原子一端顯顯示正電荷荷，氧原子子一端顯示示負(fù)電荷，，在電場(chǎng)作作用下具有有定向排列列的特性；；同時(shí)它極極易與被溶溶解的物質(zhì)質(zhì)，如水中中的陽(yáng)離子子結(jié)合而形形成水化離離子。結(jié)合水的形形成由于土顆粒粒表面通常常帶有負(fù)電電荷，因此此水在帶電電固體顆粒粒之間受到到電荷電場(chǎng)場(chǎng)的（吸引）作用，水水分子和水水化陽(yáng)離子子就會(huì)向顆顆粒周圍聚聚集。土中水的類類型根據(jù)受土顆顆粒表面靜靜電作用的的強(qiáng)弱，可可以將土中中水劃分為為三種類型型：強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水自由水1—雙電層；2—吸附層（固固定層）；；3—擴(kuò)散層；4—吸附結(jié)合層層；5—滲透吸附層層；6—自由水強(qiáng)結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水是是指緊靠土土顆粒表面面的水，受受土顆粒表表面電荷的的靜電引力力最強(qiáng)。強(qiáng)結(jié)合水的的特征和物物理性質(zhì)：：沒(méi)有溶解能能力，不能能傳遞靜水水壓力；極其牢固地地結(jié)合在土土顆粒表面面上，不能能自由移動(dòng)動(dòng)，只有吸吸熱變成蒸蒸汽時(shí)才能能移動(dòng)。性質(zhì)接近于于固體，具具有極大的的粘滯性，，具有一定定的抗剪強(qiáng)強(qiáng)度；密度約為1.2～2.4g／cm3，冰點(diǎn)為－－78℃。強(qiáng)結(jié)合水如果將完全干燥的土移置在在天然濕度度的空氣中中，則土的的重量將增增加，直到到土中吸附附強(qiáng)結(jié)合水水達(dá)到最大大容量為止止。土顆粒粒越細(xì)，土土的比表面面積越大，，則最大吸吸濕容量就就越大。強(qiáng)結(jié)合水層層稱為吸附層或固定層。弱結(jié)合水弱結(jié)合水就就是緊靠強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合水外外圍的一層層水膜。在在這層水膜膜范圍內(nèi)的的水分子和和水化陽(yáng)離離子仍然受受到一定程程度的靜電電引力，離離土顆粒表表面距離越越遠(yuǎn)，受到到的靜電引引力越小。。弱結(jié)合水不不能傳遞靜靜水壓力，，但水膜較較厚處的弱弱結(jié)合水能能向鄰近較較薄水膜處處緩慢轉(zhuǎn)移移。弱結(jié)合水層層稱為擴(kuò)散層。固定層和和擴(kuò)散層與與土粒表面面負(fù)電荷一一起構(gòu)成所所謂雙電層。熱力電位電動(dòng)電位內(nèi)層固定層擴(kuò)散層自由水?dāng)U散層厚度度的影響因因素?cái)U(kuò)散層的厚厚度首先取取決于內(nèi)層熱力電電位。當(dāng)內(nèi)層電位位一定時(shí)，，擴(kuò)散層的的厚度可隨隨外界條件件的變化而而變化：水溶液中水水化陽(yáng)離子子的價(jià)數(shù)；；水化陽(yáng)離離子的濃濃度；水化陽(yáng)離離子的直直徑；陽(yáng)離子交交換的能能力。擴(kuò)散層厚厚度對(duì)對(duì)粘性土土工程性性質(zhì)的影影響擴(kuò)散層水水膜厚度度對(duì)粘性性土的工工程性質(zhì)質(zhì)有直接接的影響響。水膜厚度度大，土土的塑性性高；土土顆粒之之間的距距離相對(duì)對(duì)也大，，因此土土體的膨膨脹性和和收縮性性大，土土的壓縮縮性也大大，而強(qiáng)強(qiáng)度相對(duì)對(duì)降低。。自由水自由水又又稱重力力水，是是指不受受土粒表表面電荷荷電場(chǎng)影影響的水水。自由水的的性質(zhì)和和普通水水一樣，，能傳遞遞靜水壓壓力，在在水頭差差作用下下發(fā)生流流動(dòng)，冰冰點(diǎn)為0℃，具有溶溶解能力力。第四節(jié)粘粘性土土工程性性質(zhì)的的利用和和改良電滲排水水和電化化學(xué)加固固電滲試驗(yàn)驗(yàn)現(xiàn)象：在陽(yáng)極管管中，水水自下而而上地渾渾濁起來(lái)來(lái)，與此此同時(shí)，，水位逐逐漸下降降；在陰極管管中，水水仍是極極其清澈澈，但水水位逐漸漸上升。。原因：粘土顆粒粒向陽(yáng)極極移動(dòng)；；水分子及及水化陽(yáng)陽(yáng)離子向向陰極移移動(dòng)。電滲排水水和電化化學(xué)加固固電泳與電滲在電場(chǎng)作用用下，帶帶有負(fù)電電荷的粘粘土顆粒粒向陽(yáng)極極移動(dòng)，，這種電電動(dòng)現(xiàn)象象稱為電泳。水分子及及水化陽(yáng)陽(yáng)離子向向陰極移移動(dòng)，這這種電動(dòng)動(dòng)現(xiàn)象稱稱為電滲。電滲排水水和電化化學(xué)加固固電滲排水水在滲透系系數(shù)小于于10-6cm/s的飽和軟軟粘土地地層中開(kāi)開(kāi)挖基坑坑或進(jìn)行行其它地地下工程程活動(dòng)，，可以采采用電滲滲排水的的方法降降低地下下水位。。電滲排水水和電化化學(xué)加固固電化學(xué)加加固利用電滲滲電泳原原理來(lái)改改良軟粘粘土的工工程性質(zhì)質(zhì)。雙液灌漿漿：在陽(yáng)陽(yáng)極管內(nèi)內(nèi)灌入氯氯化鈣溶溶液，在在陰極管管內(nèi)灌入入水玻璃璃溶液，，通直流流電后生生成一種種不可溶溶的二氧氧化硅凝凝膠。二氧化硅硅凝膠既既填充了了土中的的孔隙，，又可提提高顆粒粒之間的的膠結(jié)力力，從而而使土體體的強(qiáng)度度提高。。粘性土的的結(jié)構(gòu)性性粘性土的的結(jié)構(gòu)性性粘性土結(jié)結(jié)構(gòu)性的的產(chǎn)生粘土顆粒粒在沉積積過(guò)程中中，除受受重力作作用外，，還受到到靜電的的吸力和和排斥作作用。粘性土的的結(jié)構(gòu)性性粘性土的的結(jié)構(gòu)類類型片堆結(jié)結(jié)構(gòu)（分散結(jié)結(jié)構(gòu)）吸引勢(shì)勢(shì)均勻勻分布布于粘粘土顆顆粒表表面，，兩個(gè)個(gè)顆粒粒相互互平行行地靠靠在一一起，，顆粒粒相互互之間間大致致平行行堆積積。粘性土土的結(jié)結(jié)構(gòu)性性粘性土土的結(jié)結(jié)構(gòu)類類型絮凝結(jié)結(jié)構(gòu)一個(gè)土土顆粒粒的邊邊或角角被吸吸附到到另一一個(gè)土土顆粒粒的帶帶負(fù)電電的面面上，，形成成邊與與面的的接觸觸。粘性土土的結(jié)結(jié)構(gòu)性性粘性土土的結(jié)結(jié)構(gòu)類類型重塑結(jié)結(jié)構(gòu)介于片片