土力学第二章粘性土的物理化学性质62内容丰富

第二章粘性土的物理化学性质内容提要本章主要讨论决定粘性土的宏观物理化学性质的微观结构特征。主要包括：

键力的基本概念粘土矿物颗粒的结晶结构粘土颗粒的胶体化学性质粘性土工程性质的利用和改良粘性土特有的性质及成因

粘性土随着含水量的不同会呈现不同的物理状态。这种性质主要取决于粘粒粒组的含量与粘粒的矿物成分。比表面积

所谓比表面积就是单位体积内颗粒表面积的总和。颗粒越细，比表面积越大，表面能越大。粘土矿物的粒径小于0.005mm，具有很大的比表面积。粘性土物理化学特性的本质粘土矿物可分为蒙脱石、伊利石和高岭石三种类型。它们各自具有不同的结晶结构特征。结晶结构特征：即组成矿物的原子和分子的排列以及它们之间的联结力。粘性土的各种工程性质（可塑性、压缩性、强度等）主要受组成粘性土的粘土矿物的结晶结构特征以及矿物颗粒与周围介质的相互作用所制约。键力第一节键力的基本概念所谓键力是指组成粘土矿物的原子与原子之间或分子与分子之间的一种联结力。键力的类型：化学键分子键氢键化学键原子与原子之间的联结称为化学键，也称为主键或高能键。根据联结的形式又可分为离子键、共价键和金属键三种。离子键离子键是一种化学联结。不同元素的原子通过化学反应，一种元素的原子失去其最外电子层中的一个或多个电子成为阳离子，而另一种元素的原子获得一个或多个电子成为阴离子。

阳离子与阴离子之间的静电引力所形成的键力即为离子键。

离子键是无方向性的。共价键共价键是同一种元素的两个原子以共有的外层电子联结而成同种元素的分子。共价键是有方向性的，方向角称为键角。金属键金属元素素中的自自由电子子将金属属原子或或离子联联结而成成金属晶晶格，这这种联结结力即为为金属键。总结不同元素素的原子子通过化化学反应应构成一一种新的的物质分分子，异异性原子子之间的的联结力力称为离子键。两个同性性原子形形成同一一元素分分子的联联结力称称为共价键。通过自由电子子将原子或离离子联结成金金属晶格的联联结力为金属键。离子键、共价价键和金属键键都属于主键。主键的影响范范围最小，约约为0.1~0.2μm，而其联结能能最大，相当当于8.4～84J/kmol。总结分子键分子键又称范德华（VanDerWaals）键或次键、低能键。所谓分子键就就是指分子与与分子之间的的联结力。分子间键力的的影响范围比比离子键力大大得多，约为为0.3～10μm，但其键能则比比离子键能小小得多，约为为2.1～21J/kmol。分子键的形成成与影响因素素由于分子的正正电荷与负电电荷的分布不不对称形成极性分子，在极性分子子间相反电荷荷的偶极端相相互接近时相相互吸引就产产生分子键。。分子键的产生生是与分子的的定向作用、诱导作用和分散作用有关。分子键的能量量大小与温度度有关，当温温度升高时，，其能量就减减小。氢键氢键是介于主主键和次键之之间的一种键键力。氢原子失去一一个电子成为为一个裸露的的原子核，当当它与带负电电荷的原子相相互吸引时，，即构成特殊殊的氢键。由于氢离子尺尺寸小，只允允许与两个相相邻原子靠拢拢，故氢键只只能连接两个个原子。氢键的影响范范围很小，约约为0.2～0.3μm，键能达21～42J/kmol。键力与强度土粒本身的强强度是由主键形成的；土粒与土粒之之间、土粒与与水分子之间间的吸引力由由次键和氢键形成；土粒之间的联联结力远小于于土粒本身的的强度，土体体的强度主要要取决于土粒之间的联联结。第二节粘土土矿物颗粒的的结晶结构粘土矿物结晶晶结构组成粘土矿物结晶晶结构的基本本结构单元：：硅氧四面体氢氧化铝八面面体（三水铝铝石八面体））硅氧四面体晶晶体单元四个氧离子构构成一个等边边的四面体，，四面体四个个面均为等边边三角形，在在四面体的中中心位置有一一个硅离子。。(硅-氧四面体)六个硅-氧四面体组成成一个硅片，每个四面体体底面上有一一个氧离子与与相邻四面体体共用。氢氧化铝八面面体结晶单元元由6个氧或氢氧离子以相相等的距离排排列，铝原子子居中。（铝—氢氧八面体）4个铝—氢氧八面体组组成一个铝片，每个氢氧离离子都被相邻邻两个铝离子子所共有。粘土矿物的结结晶结构粘土矿物根据据四面体片（（硅片）与八八面体片（铝铝片）的不同同组合堆叠形形式，形成了了三种主要的的粘土矿物：：高岭石蒙脱石伊利石高岭石由一个四面体体片与一个八八面体片重复复堆叠而成。。称为1:1型结构单位层层，也称为二二层结构型。。蒙脱石由两个四面体体晶片中间夹夹一个八面体体晶片堆叠而而成。称为2:1型结构单位层层，亦称为三三层结构型。。蒙脱石伊利石伊利石的晶格格构造与蒙脱脱石相似，同同属2:1型结构单位层层，但在四面面体片之间六六角形网格眼眼中央嵌有一一个钾离子。。三种粘土矿物物物理性质的的比较粒径比表面积胀缩性性强度压缩性性大10-20m2/g小大小中80-100m2/g中中中小800m2/g大小大高岭岭石石伊利利石石蒙脱脱石石9克蒙蒙脱脱土土的的总总表表面面积积大大约约与与一一个个足足球球场场一一样样大大分析析四面面体体片片和和八八面面体体片片之之间间都都是是共共用用一一个个原原子子，，所所以以四四面面体体片片与与八八面面体体片片间间的的键键力力为为主主键键联联结结，，但但结结构构单单位位层层间间的的联联结结则则比比较较薄薄弱弱。。当具具有有不不同同晶晶体体结结构构的的粘粘土土矿矿物物与与周周围围介介质质接接触触时时，，就就会会显显示示出出不不同同的的工工程程性性质质。。高岭岭石石的的物物理理性性质质高岭岭石石类类粘粘土土矿矿物物中中，，结结构构单单位位层层之之间间为为氧氧与与氢氢氧氧或或氢氢氧氧与与氢氢氧氧离离子子相相联联结结，，单单位位层层与与单单位位层层之之间间除除范德德华华键键外，，还还有有氢键键，能能提提供供较较强强的的联联结结力力。。高岭岭石石在在水水中中，，结结构构单单位位层层之之间间不不会会分分散散，，晶晶格格活活动动性性小小，，浸浸水水后后结结构构单单位位层层间间的的距距离离变变化化很很小小，，所所以以高岭岭石石的的膨膨胀胀性性和和压压缩缩性性都都很很小小。蒙脱脱石石的的物物理理性性质质蒙脱脱石石类类粘粘土土矿矿物物中中，，结结构构单单位位层层之之间间为为氧氧与与氧氧联联结结，，其其键键力力很很弱弱，，易易为为具具有有氢氢键键的的强强极极化化水水分分子子楔楔入入所所分分开开。。组成蒙蒙脱石石类粘粘土矿矿物的的八面面体结结构单单元中中会产产生水水化阳阳离子子，水水化阳阳离子子进入入结构构单位位层之之间使使层间间距离离增大大。蒙脱石石的晶晶格活活动性性极大大，膨膨胀性性与压压缩性性都比比高岭岭石大大得多多。伊利石石的的的物理理性质质伊利石石矿物物在单单位层层面之之间嵌嵌有带带正电电荷的的钾离离子，，单位位层之之间的的联结结强度度介于于高岭岭石和和蒙脱脱石之之间，，其膨膨胀性性及压压缩性性也介介于高高岭石石和蒙蒙脱石石之间间。第三节节粘粘土颗颗粒的的胶体体化学学性质质粘土颗颗粒的的粒径径非常常微小小（小小于0.005mm），在在介质质中具具有明明显的的胶体体化学学特性性（如如具有有吸附能能力），这起源于于粘土颗粒表面面带电性。粘土颗粒表面面带电的成因因边缘破键造成成电荷不平衡衡同晶置换作用用水化解离作用用选择性吸附边缘破键造成成电荷不平衡衡理想晶体的内内部正负电荷荷是平衡的，，粘土颗粒粒粒径非常微小小，是一个高高分散体系，，在颗粒外部部边缘处结晶晶格架的连续续性受到破坏坏，从而造成成电荷的不平平衡。这些被被破坏的键常常使粘土颗粒粒带有净负电电荷。颗粒越细，破破键越多，所所以比表面越越大，表面能能就越大。同晶置换作用用硅氧四面体中中的硅原子常常为铝或其它它低价的阳离离子置换；氢氢氧化铝八面面体中的铝原原子又常为铁铁、镁离子所所置换，置换换后引起电荷荷的不平衡，，在颗粒表面面产生了过剩剩的未饱和负负电荷，使粘粘土颗粒表面面带负电。水化解离作用用粘土矿物颗粒粒表面与水作作用，会形成成一层偏硅酸酸（H2SiO3），偏硅酸在在水中离解为为H＋和SiO32－离子，H＋向水溶液中扩扩散，而硅酸酸根SiO32－与晶格不分离离，从而使颗颗粒表面带有有负电荷。选择性吸附选择性吸附所谓选择性吸吸附，就是颗颗粒只吸附与与其本身晶格格中离子成分分相同或相近近的离子。例如，CaCO3在Na2CO3溶液中只吸附附CO32－，如把CaCO3置于CaCl2溶液中，则吸吸附Ca2+。三类粘土矿物物工程性质的的比较矿物颗粒的直直径：高岭石石>伊利石>蒙脱石。蒙脱石的比表表面积为高岭岭石的80倍，为伊利石石的10倍。蒙脱石塑性指指数可达100～650；压缩性为高高岭石的5～15倍；；有有效效内内摩摩擦擦角角也也最最小小。。双电电层层的的概概念念土中中水水与与矿矿物物颗颗粒粒的的相相互互作作用用粘土土矿矿物物晶晶格格构构造造不不同同，，对对工工程程性性质质的的影影响响，，本本质质上上是是这这些些矿矿物物的的颗颗粒粒与与土土中中水水相相互互作作用用的的反反映映。。土中中水水与与固固体体颗颗粒粒之之间间并并不不是是机机械械地地混混合合，，而而是是有有机机地地参参加加土土的的结结构构，，是是一一种种复复杂杂的的物物理理化化学学作作用用。。土的的性性质质不不仅仅取取决决于于水水的的绝绝对对含含量量，，而而且且取取决决于于水水的的存存在在形形态态、、结结构构以以及及介介质质的的物物理理条条件件和和化化学学成成分分。。水分分子子的的极极性性水具具有有许许多多特特点点，，如如介介电电常常数数高高、、表表面面张张力力小小、、压压缩缩性性低低等等。。水分分子子是是一一个个极极性性分分子子，，氢氢原原子子一一端端显显示示正正电电荷荷，，氧氧原原子子一一端端显显示示负负电电荷荷，，在在电电场场作作用用下下具具有有定定向向排排列列的的特特性性；；同同时时它它极极易易与与被被溶溶解解的的物物质质，，如如水水中中的的阳阳离离子子结结合合而而形形成成水水化化离离子子。结合水的的形成由于土颗颗粒表面面通常带带有负电电荷，因因此水在在带电固固体颗粒粒之间受受到电荷荷电场的的（吸引）作用，，水分子子和水化化阳离子子就会向向颗粒周周围聚集集。土中水的的类型根据受土土颗粒表表面静电电作用的的强弱，，可以将将土中水水划分为为三种类类型：强结合水水弱结合水水自由水1—双电层；；2—吸附层（（固定层层）；3—扩散层；；4—吸附结合合层；5—渗透吸附附层；6—自由水强结合水强结合水水是指紧紧靠土颗颗粒表面面的水，，受土颗颗粒表面面电荷的的静电引引力最强强。强结合水水的特征征和物理理性质：：没有溶解解能力，，不能传传递静水水压力；；极其牢固固地结合合在土颗颗粒表面面上，不不能自由由移动，，只有吸吸热变成成蒸汽时时才能移移动。性质接近近于固体体，具有有极大的的粘滞性性，具有有一定的的抗剪强强度；密度约为为1.2～2.4g／cm3，冰点为为－78℃。强结合水如果将完全干燥燥的土移置置在天然然湿度的的空气中中，则土土的重量量将增加加，直到到土中吸吸附强结结合水达达到最大大容量为为止。土土颗粒越越细，土土的比表表面积越越大，则则最大吸吸湿容量量就越大大。强结合水水层称为为吸附层或固定层。弱结合水水弱结合水水就是紧紧靠强结结合水外外围的一一层水膜膜。在这这层水膜膜范围内内的水分分子和水水化阳离离子仍然然受到一一定程度度的静电电引力，，离土颗颗粒表面面距离越越远，受受到的静静电引力力越小。。弱结合合水不不能传传递静静水压压力，，但水水膜较较厚处处的弱弱结合合水能能向邻邻近较较薄水水膜处处缓慢慢转移移。弱结合合水层层称为为扩散层层。固定定层和和扩散散层与与土粒粒表面面负电电荷一一起构构成所所谓双电层层。热力电电位电动电电位内层层固定层扩散层自由水扩散层厚度度的影响因因素扩散层的厚厚度首先取取决于内层热力电电位。当内层电位位一定时，，扩散层的的厚度可随随外界条件件的变化而而变化：水溶液中水水化阳离子子的价数；；水化阳离子子的浓度；；水化阳离子子的直径；；阳离子交换换的能力。。扩散层厚度度

对粘性性土工程性性质的影响响扩散层水膜膜厚度对粘粘性土的工工程性质有有直接的影影响。水膜厚度大大，土的塑塑性高；土土颗粒之间间的距离相相对也大，，因此土体体的膨胀性性和收缩性性大，土的的压缩性也也大，而强强度相对降降低。自由水自由水又称称重力水，，是指不受受土粒表面面电荷电场场影响的水水。自由水的性性质和普通通水一样，，能传递静静水压力，，在水头差差作用下发发生流动，，冰点为0℃，具有溶解解能力。第四节粘粘性土工程程性质的的利用和改改良电渗排水和和电化学加加固电渗试验现象：在阳极管中中，水自下下而上地浑浑浊起来，，与此同时时，水位逐逐渐下降；；在阴极管中中，水仍是是极其清澈澈，但水位位逐渐上升升。原因：粘土颗粒向向阳极移动动；水分子及水水化阳离子子向阴极移移动。电渗排水和和电化学加加固电泳与电渗在电场作用下下，带有负负电荷的粘粘土颗粒向向阳极移动动，这种电电动现象称称为电泳。水分子及及水化阳阳离子向向阴极移移动，这这种电动动现象称称为电渗。电渗排水水和电化化学加固固电渗排水水在渗透系系数小于于10-6cm/s的饱和软软粘土地地层中开开挖基坑坑或进行行其它地地下工程程活动，，可以采采用电渗渗排水的的方法降降低地下下水位。。电渗排水水和电化化学加固固电化学加加固利用电渗渗电泳原原理来改改良软粘粘土的工工程性质质。双液灌浆浆：在阳阳极管内内灌入氯氯化钙溶溶液，在在阴极管管内灌入入水玻璃璃溶液，，通直流流电后生生成一种种不可溶溶的二氧氧化硅凝凝胶。二氧化硅硅凝胶既既填充了了土中的的孔隙，，又可提提高颗粒粒之间的的胶结力力，从而而使土体体的强度度提高。。粘性土的的结构性性粘性土的的结构性性粘性土结结构性的的产生粘土颗粒粒在沉积积过程