2.第二章黏性土的物理化學(xué)性質(zhì)資料

1第二章黏性土的物理化學(xué)性質(zhì)王亞軍Physicalandchemicalpropertiesofclay第二章黏性土的物理化學(xué)性質(zhì)黏性土與砂土性質(zhì)顯著不同原因黏粒粒組的含量與黏粒的礦物成分黏粒粒組：

粒徑小于0.005mm的土粒。礦物組分：

主要是黏土礦物、少量其它碳酸鹽礦物和有機物顆粒等。黏土礦物顆粒特征：

比表面積大、顆粒之間以及顆粒與水之間的相互作用比較復(fù)雜，使黏土的物理化學(xué)性質(zhì)與其它土存在較大的差別，如塑性、壓縮性、強度等。黏土的物理化學(xué)性質(zhì)特殊與其鍵力有關(guān)單位質(zhì)量土顆粒所擁有的總表面積

本章提要本章特點學(xué)習(xí)要點第二章黏性土的物理化學(xué)性質(zhì)鍵力的基本概念和黏土礦物結(jié)晶結(jié)構(gòu)黏土顆粒與介質(zhì)的相互作用及其對黏土工程性質(zhì)的影響理論性較強，理論與工程實踐結(jié)合章節(jié)間聯(lián)系緊密理清各節(jié)間聯(lián)系理論的把握注意對一些工程現(xiàn)象的理解3本章主要內(nèi)容§2.1健力的基本概念§2.2黏土礦物顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)§2.3黏土顆粒的膠體化學(xué)性質(zhì)§2.4黏性土工程性質(zhì)的利用和改良4§2.1

鍵力的基本概念

健力：指原子與原子之間或分子與分子之間的一種聯(lián)結(jié)力。介于主次健之間。氫原子核與其它帶有負電荷的原子間的相互吸引力。影響范圍較小，聯(lián)結(jié)能較大。也稱范德華健、次鍵或低能健，指分子與分子之間的聯(lián)結(jié)力。影響范圍最大，聯(lián)結(jié)能最小不同元素的陽離子和陰離子之間的靜電引力所形成的健力。構(gòu)成新物質(zhì)分子同一元素的兩個原子以共有的外電層電子聯(lián)結(jié)而成同一元素分子的聯(lián)結(jié)力金屬元素通過自由電子將金屬原子或離子聯(lián)結(jié)成金屬晶格的力也稱主鍵或高能健，指原子與原子之間的聯(lián)結(jié)力。影響范圍最小，聯(lián)結(jié)能最大

土粒本身的強度是由主鍵形成的，而土粒與土粒之間、土粒與水分子之間的吸引力則由次鍵及氫健形成，粒間的聯(lián)結(jié)力遠比土粒本身的強度小。土體的強度主要取決于土粒間的聯(lián)結(jié)強度。鍵力的強度與鍵力影響的范圍成反比

鍵力的強度與影響范圍示意圖§2.2

黏土礦物顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)次生礦物，大都屬硅酸鹽。晶體的原子排列與其物理、化學(xué)性質(zhì)關(guān)系密切。其晶體的結(jié)晶結(jié)構(gòu)主要由兩個基本結(jié)構(gòu)單元組成：硅氧四面體（硅片）和氫氧化鋁八面體（鋁片）。

黏土礦物是一種復(fù)合的鋁-硅鹽晶體，顆粒呈片狀，是由硅片和鋁片構(gòu)成的晶包所組疊而成。據(jù)其組疊方式不同，可分成高嶺石、伊利石和蒙脫石三種類型。7

硅片

鋁片SiSi氧離子O2-硅離子Si4+硅-氧四面體硅片的結(jié)構(gòu)硅片簡圖硅片：一個硅原子和四個氧原子以相等距離堆成四面體形狀，硅居其中央，氧占據(jù)四個頂點，四面體底面上的三個氧被共用，以共價健的形式聯(lián)結(jié)在一起，形成一個頂尖向上的四面體片。黏土礦物結(jié)構(gòu)單元鋁片：六個氫氧離子圍繞一個鋁離子構(gòu)成的八面體。八面體中每個氫氧離子均為三個八面體共有，形成以八面體為單位的片狀結(jié)構(gòu)。OH1-鋁離子Al3+鋁-氫氧八面體鋁片的結(jié)構(gòu)鋁片簡圖AlAl

硅片

鋁片

硅氧四面體和鋁氫氧八面體這兩種基本單元以不同的比例組合堆疊，形成不同類型的黏土礦物。黏性土中常見的黏土礦物有高嶺石、伊利石和蒙脫石三大類。其結(jié)晶構(gòu)造如下：黏土礦物結(jié)晶結(jié)構(gòu)

四面體片和八面體片之間的鍵力是主鍵聯(lián)結(jié)，但結(jié)構(gòu)單位層之間的聯(lián)結(jié)則比較薄弱。當(dāng)與周圍介質(zhì)接觸時，就會顯示出不同的工程性質(zhì)。晶層間通過氫鍵聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)力強，晶格不能自由活動，水難以進入晶格間能組疊很多晶層，多達百個以上，成為一個顆粒。顆粒長寬約0.3-4m，厚約0.05-5m。主要特征：顆粒較粗，親水能力差,不容易吸水膨脹和失水收縮。三種主要黏土礦物的結(jié)晶構(gòu)造：

高嶺石蒙脫石伊利石SiSiAlAl高嶺石微粒1:1的兩層晶格結(jié)構(gòu)晶層間是O2-對O2-的連結(jié)，聯(lián)結(jié)力很弱，水很容易進入晶層之間。每一顆粒能組疊的晶層數(shù)較少。顆粒大小約為0.1-1m

，厚約0.001-0.01m。主要特征：顆粒細微，親水能力強,具有顯著的吸水膨脹、失水收縮的特性。2:1的三層晶格結(jié)構(gòu)SiSiAlAlSiSi

高嶺石蒙脫石伊利石三種主要黏土礦物的結(jié)晶構(gòu)造：是云母在堿性介質(zhì)中風(fēng)化的產(chǎn)物。與蒙脫石相似，由兩層硅片夾一層鋁片所形成的三層結(jié)構(gòu)，但晶層之間有鉀離子連結(jié)。主要特征：連結(jié)強度弱于高嶺石而高于蒙脫石，其特征也介于兩者之間。2:1的三層晶格結(jié)構(gòu)SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi鉀離子

高嶺石蒙脫石伊利石三種主要黏土礦物的結(jié)晶構(gòu)造：黏土礦物

小結(jié)：礦物晶體結(jié)構(gòu)特征，決定了其與水相互作用的形式，也就決定了黏性土的工程性質(zhì)與含水量的關(guān)系。

高嶺石（氫鍵聯(lián)結(jié)）黏土礦物的晶格構(gòu)造蒙脫石伊利石粒徑比表面積脹縮性滲透性強度壓縮性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大9克蒙脫土的總表面積大約與一個足球場一樣大----------------------++++黏土顆粒水分子陽離子玻璃筒玻璃皿水位升高黏土粒黏土膏+-黏土的電泳和電滲現(xiàn)象(列依斯,1807)原因：黏土礦物的帶電特性第三節(jié)黏土顆粒的膠體化學(xué)性質(zhì)研究表明：

黏土顆粒的表面有電荷，凈電荷通常為負電荷。在工程的應(yīng)用？電泳：在電場作用下，帶有負電荷的黏土顆粒向陽極移動的電動現(xiàn)象電滲：在電場作用下，水分子及水化陽離子向陰極移動的電動現(xiàn)象一、黏土顆粒帶電原因

（1）邊緣破鍵造成電荷的不平衡（2）同晶離子置換作用（3）水化解離作用（4）選擇性吸附作用—性質(zhì)相同或相近離子相互吸附所以，各種不同類型的黏土礦物，因其結(jié)晶結(jié)構(gòu)不同，工程性質(zhì)的差異也很大。參見表2-1P29土中水根據(jù)受顆粒表面靜電引力的強弱，可劃分為：結(jié)合水吸附在土顆粒表面的水強結(jié)合水、弱結(jié)合水自由水電場引力作用范圍之外的水二.雙電層的概念土中水（液相）黏土礦物晶格構(gòu)造不同，對工程性質(zhì)的影響，本質(zhì)上是這些礦物的顆粒與土中水相互作用的反映。土中水與固體顆粒之間并不是機械地混合，而是有機地參加土的結(jié)構(gòu)，是一種復(fù)雜的物理化學(xué)作用。土的性質(zhì)不僅取決于水的絕對含量，而且取決于水的形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)的物理條件及化學(xué)成分。-強結(jié)合水：（吸附層或固定層）排列致密，密度在1.2~2.4g/cm3

冰點處于零下幾十度完全不能移動，具有固體的特性，不能傳遞靜水壓力具有很大的黏滯性、彈性和抗剪強度溫度略高于100°C時可蒸發(fā)-弱結(jié)合水：（擴散層）受電場引力作用，為黏滯水膜密度在1.0~1.7g/cm3

外力作用下可以移動不因重力而流動，有黏滯性對黏性土的影響最大黏土顆粒-----------------++++引力d水分子陽離子強結(jié)合水弱結(jié)合水自由水結(jié)合水：受顆粒表面電場作用力吸引而包圍在顆粒四周，不傳遞靜水壓力，不能任意流動的水土中水–

結(jié)合水雙電層土粒表面負電荷與固定層和擴散層一起構(gòu)成雙電層。圖2-7雙電層的結(jié)構(gòu)及其電位變化示意圖

1-1層為內(nèi)層具有熱力電位ε；2-2層為固定層具有電動電位ξ；3-3層為擴散層；4-4層為自由液體；a-b表示固體表面的電位ε；d-e表示液體表面電位ξ；bcd曲線表示固體與液體界面上的電位差；cd曲線表示固定層與擴散層之間的電位差水分子和陽離子的分布，愈靠近土粒表面，則排列得愈緊密和整齊，離子濃度愈高，活動性愈小。因此，擴散層的水化離子和極性水分子的活動性比固定層大，擴散層水膜厚度對黏性土的工程性質(zhì)影響很大，擴散層厚度大，土的塑性就大，顆粒間的距離相對也大，土的膨脹和收縮性也大，壓縮性也大，而強度相對降低。結(jié)論：影響擴散層厚度的因素

擴散層的厚度首先取決于內(nèi)層的熱力電位。當(dāng)內(nèi)層電位一定時，擴散層的厚度可隨外界條件的變化而變化，特別是水溶液中水化陽離子的性質(zhì)、濃度、離子交換的能力等。

在工程的應(yīng)用？陽離子原子價高，擴散層的厚度變??；陽離子濃度大，擴散層的厚度變?。魂栯x子直徑大，擴散層的厚度變厚；陽離子交換能力，一般高價離子的交換能力大于低價離子；同價離子中，半徑小的交換能力小于半徑大的。常見離子交換能力順序如下：

擴散層水膜厚度對黏性土的工程性質(zhì)有直接的影響，所以在工程實踐中可利用這一機理來改良土質(zhì)，增加土的穩(wěn)定性?！?.4黏性土工程性質(zhì)的利用和改良一、電滲排水和電化學(xué)加固（討論）二、利用離子交換改良黏土的工程性質(zhì)（討論）治理膨脹土：高價離子置換低價離子，使擴散層水膜變薄主要由蒙脫石和伊利石所組成的黏土，具有吸水膨脹和失水收縮的特性。既能反映礦物成份，又能充分反映黏土顆粒含量

活性指數(shù)Ac<0.75Ac=0.75–1.25Ac>1.25非活性黏土正常黏土活性黏土二、利用離子交換改良黏土的工程性質(zhì)Aｃ越大，黏粒對土的可塑性影響越大。蒙脫石>伊利石>高嶺石P<0.002:黏粒（<0.002mm）的質(zhì)量占總土總質(zhì)量的百分比

若黏土試樣的IP相同，則P<0.002小的黏土，含有的黏土礦物的活動性比較大。因此，可據(jù)AC的大小，從宏觀上來判斷黏土礦物的成分。不同黏土礦物的AC大致有如下范圍：蒙脫石為1~7；伊利石為0.5~1；高嶺石為0.2~0.5。工程中常按AC把黏性土分為：

土顆?；蛄F的空間排列和相互聯(lián)結(jié)三.土的結(jié)構(gòu)土粒間的作用力黏性土的結(jié)構(gòu)性指標(biāo)土體力學(xué)特性土的結(jié)構(gòu)影響粗粒土的結(jié)構(gòu)細粒土的結(jié)構(gòu)說明土的組成和物理狀態(tài)不是決定土的性質(zhì)的全部因素，另一對土的性質(zhì)很有影響的因素是土的結(jié)構(gòu)原狀土相同含水量相同密度粉碎重塑重塑土強度降低（一）土粒間的作用力

重力毛細力膠結(jié)力

顆粒表面力——土顆粒的自重形成的方向向下的力——

砂土——土中毛細作用形成的力——

細砂、粉土——土粒間的膠體物質(zhì)產(chǎn)成的作用力.作用力是化合鍵，具有較高的強度——

黏土——

黏土——庫侖力：——范德華力：顆粒表面的靜電引力或斥力。隨距離衰減的速度比范德華力慢顆粒接觸點處的分子間引力,作用范圍為幾個分子的距離，是細粒土黏結(jié)在一起的主因。三、土的結(jié)構(gòu)（二）粗粒土的結(jié)構(gòu)

粒間作用力

排列形式

礦物成分單粒結(jié)構(gòu)：重力堆積

示意圖重力，毛細力點與點、點與面原生礦物

影響工程性質(zhì)的因素土粒的粒組級配和形狀、土粒在空間的相對位置決定其密實度（三）細粒土的結(jié)構(gòu)黏土的結(jié)構(gòu)性

粒間作用力

形成環(huán)境

排列形式

礦物成分庫倫力、膠結(jié)力（斥力減小引力增加）片架結(jié)構(gòu)(絮凝結(jié)構(gòu))片堆結(jié)構(gòu)(分散結(jié)構(gòu))

示意圖庫倫力、膠結(jié)力（粒間斥力占優(yōu)勢）淡水中沉積海水中沉積次生礦物次生礦物天然條件下，可能是多種組合，或者由一種結(jié)構(gòu)過渡向另一種結(jié)構(gòu)。面與面邊、角與面邊、角與邊

影響工程性質(zhì)的因素土粒間的聯(lián)結(jié)特征工程性質(zhì)密度較大，力學(xué)和變形性質(zhì)具有明顯的方向性孔隙較大，對擾動敏感，性質(zhì)較均勻，各向同性（四）反映黏性土結(jié)構(gòu)性的指標(biāo)1.

黏性土的靈敏度—

St

=St11-22-44-88-16>16黏性土不靈敏低靈敏中等靈敏靈敏很靈敏流動原狀土的無側(cè)限抗壓強度重塑土的無側(cè)限抗壓強度工程應(yīng)用？討論黏性土觸變性的應(yīng)用如泥漿護壁作用2.黏性土的觸變性

當(dāng)飽和黏性土結(jié)構(gòu)受擾動時，土?xí)姸瘸嗜苣z狀，但靜置一段時間，土粒間的聯(lián)結(jié)會逐漸得到部分恢復(fù)，絮凝成土體，強度有所恢復(fù)。一旦受到振動或擾動，顆粒間的聯(lián)結(jié)立即喪失，又呈