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(jī)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(qiáng)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(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)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(duì)黏土工程性質(zhì)的影響理論性較強(qiáng)，理論與工程實(shí)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(duì)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(fù)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(chēng)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(yáng)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(gè)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(guò)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(chēng)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(qiáng)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(yuǎn)比土粒本身的強(qiáng)度小。土體的強(qiáng)度主要取決于土粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度。鍵力的強(qiáng)度與鍵力影響的范圍成反比

鍵力的強(qiáng)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(gè)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(lèi)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(jiǎn)圖硅片：一個(gè)硅原子和四個(gè)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(gè)頂點(diǎn)，四面體底面上的三個(gè)氧被共用，以共價(jià)健的形式聯(lián)結(jié)在一起，形成一個(gè)頂尖向上的四面體片。黏土礦物結(jié)構(gòu)單元鋁片：六個(gè)氫氧離子圍繞一個(gè)鋁離子構(gòu)成的八面體。八面體中每個(gè)氫氧離子均為三個(gè)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(jiǎn)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(lèi)型的黏土礦物。黏性土中常見(jiàn)的黏土礦物有高嶺石、伊利石和蒙脫石三大類(lèi)。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?chē)橘|(zhì)接觸時(shí)，就會(huì)顯示出不同的工程性質(zhì)。晶層間通過(guò)氫鍵聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)力強(qiáng)，晶格不能自由活動(dòng)，水難以進(jìn)入晶格間能組疊很多晶層，多達(dá)百個(gè)以上，成為一個(gè)顆粒。顆粒長(zhǎng)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(duì)O2-的連結(jié)，聯(lián)結(jié)力很弱，水很容易進(jìn)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(xì)微，親水能力強(qiáng),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(qiáng)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(qiáng)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(gè)足球場(chǎng)一樣大----------------------++++黏土顆粒水分子陽(yáng)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(fù)電荷。在工程的應(yīng)用？電泳：在電場(chǎng)作用下，帶有負(fù)電荷的黏土顆粒向陽(yáng)極移動(dòng)的電動(dòng)現(xiàn)象電滲：在電場(chǎng)作用下，水分子及水化陽(yáng)離子向陰極移動(dòng)的電動(dòng)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(lèi)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(jiàn)表2-1P29土中水根據(jù)受顆粒表面靜電引力的強(qiáng)弱，可劃分為：結(jié)合水吸附在土顆粒表面的水強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水自由水電場(chǎng)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(duì)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(jī)械地混合，而是有機(jī)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(duì)含量，而且取決于水的形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)的物理?xiàng)l件及化學(xué)成分。-強(qiáng)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(diǎn)處于零下幾十度完全不能移動(dòng)，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(qiáng)度溫度略高于100°C時(shí)可蒸發(fā)-弱結(jié)合水：（擴(kuò)散層）受電場(chǎng)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(dòng)不因重力而流動(dòng)，有黏滯性對(duì)黏性土的影響最大黏土顆粒-----------------++++引力d水分子陽(yáng)離子強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水自由水結(jié)合水：受顆粒表面電場(chǎng)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(dòng)的水土中水–

結(jié)合水雙電層土粒表面負(fù)電荷與固定層和擴(kuò)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(dòng)電位ξ；3-3層為擴(kuò)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(xiàn)表示固體與液體界面上的電位差；cd曲線(xiàn)表示固定層與擴(kuò)散層之間的電位差水分子和陽(yáng)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(dòng)性愈小。因此，擴(kuò)散層的水化離子和極性水分子的活動(dòng)性比固定層大，擴(kuò)散層水膜厚度對(duì)黏性土的工程性質(zhì)影響很大，擴(kuò)散層厚度大，土的塑性就大，顆粒間的距離相對(duì)也大，土的膨脹和收縮性也大，壓縮性也大，而強(qiáng)度相對(duì)降低。結(jié)論：影響擴(kuò)散層厚度的因素

擴(kuò)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(shí)，擴(kuò)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(yáng)離子的性質(zhì)、濃度、離子交換的能力等。

在工程的應(yīng)用？陽(yáng)離子原子價(jià)高，擴(kuò)散層的厚度變薄；陽(yáng)離子濃度大，擴(kuò)散層的厚度變?。魂?yáng)離子直徑大，擴(kuò)散層的厚度變厚；陽(yáng)離子交換能力，一般高價(jià)離子的交換能力大于低價(jià)離子；同價(jià)離子中，半徑小的交換能力小于半徑大的。常見(jiàn)離子交換能力順序如下：

擴(kuò)散層水膜厚度對(duì)黏性土的工程性質(zhì)有直接的影響，所以在工程實(shí)踐中可利用這一機(jī)理來(lái)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(jià)離子置換低價(jià)離子，使擴(kuò)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(duì)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(dòng)性比較大。因此，可據(jù)AC的大小，從宏觀上來(lái)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：

土顆粒或粒團(tuán)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(xì)粒土的結(jié)構(gòu)說(shuō)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(duì)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(qiáng)度降低（一）土粒間的作用力

重力毛細(xì)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(xì)作用形成的力——

細(xì)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(qiáng)度——

黏土——

黏土——庫(kù)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(diǎn)處的分子間引力,作用范圍為幾個(gè)分子的距離，是細(xì)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(xì)力點(diǎn)與點(diǎn)、點(diǎn)與面原生礦物

影響工程性質(zhì)的因素土粒的粒組級(jí)配和形狀、土粒在空間的相對(duì)位置決定其密實(shí)度（三）細(xì)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(kù)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(kù)倫力、膠結(jié)力（粒間斥力占優(yōu)勢(shì)）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(guò)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(duì)擾動(dòng)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(dòng)原狀土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度重塑土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度工程應(yīng)用？討論黏性土觸變性的應(yīng)用如泥漿護(hù)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(dòng)時(shí)，土?xí)?qiáng)度呈溶膠狀，但靜置一段時(shí)間，土粒間的聯(lián)結(jié)會(huì)逐漸得到部分恢復(fù)，絮凝成土體，強(qiáng)度有所恢復(fù)。一旦受到振動(dòng)或擾動(dòng)，顆粒間的聯(lián)結(jié)立即喪失，又呈