土力学-第二章-粘性土的物理化学性质

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

金属元素中的自由电子将金属原子或离子联结而成金属晶格，这种联结力即为金属键。总结不同元素的原子通过化学反应构成一种新的物质分子，异性原子之间的联结力称为离子键。两个同性原子形成同一元素分子的联结力称为共价键。通过自由电子将原子或离子联结成金属晶格的联结力为金属键。

离子键、共价键和金属键都属于主键。主键的影响范围最小，约为0.1~0.2μm，而其联结能最大，相当于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。所谓分子键就是指分子与分子之间的联结力。分子间键力的影响范围比离子键力大得多，约为0.3～10μm，但其键能则比离子键能小得多，约为2.1～21J/kmol。分子键的形成与影响因素由于分子的正电荷与负电荷的分布不对称形成极性分子，在极性分子间相反电荷的偶极端相互接近时相互吸引就产生分子键。分子键的产生是与分子的定向作用、诱导作用和分散作用有关。分子键的能量大小与温度有关，当温度升高时，其能量就减小。氢键氢键是介于主键和次键之间的一种键力。氢原子失去一个电子成为一个裸露的原子核，当它与带负电荷的原子相互吸引时，即构成特殊的氢键。由于氢离子尺寸小，只允许与两个相邻原子靠拢，故氢键只能连接两个原子。氢键的影响范围很小，约为0.2～0.3μm，键能达21～42J/kmol。键力与强度土粒本身的强度是由主键形成的；土粒与土粒之间、土粒与水分子之间的吸引力由次键和氢键形成；土粒之间的联结力远小于土粒本身的强度，土体的强度主要取决于土粒之间的联结。第二节粘土矿物颗粒的结晶结构粘土矿物结晶结构组成粘土矿物结晶结构的基本结构单元：硅氧四面体氢氧化铝八面体（三水铝石八面体）硅氧四面体晶体单元四个氧离子构成一个等边的四面体，四面体四个面均为等边三角形，在四面体的中心位置有一个硅离子。(硅-氧四面体)六个硅-氧四面体组成一个硅片，每个四面体底面上有一个氧离子与相邻四面体共用。氢氧化铝八面体结晶单元由6个氧或氢氧离子以相等的距离排列，铝原子居中。（铝—氢氧八面体）4个铝—氢氧八面体组成一个铝片，每个氢氧离子都被相邻两个铝离子所共有。粘土矿物的结晶结构

粘土矿物根据四面体片（硅片）与八面体片（铝片）的不同组合堆叠形式，形成了三种主要的粘土矿物：高岭石蒙脱石伊利石高岭石由一个四面体片与一个八面体片重复堆叠而成。称为1:1型结构单位层，也称为二层结构型。蒙脱石由两个四面体晶片中间夹一个八面体晶片堆叠而成。称为2:1型结构单位层，亦称为三层结构型。蒙脱石伊利石伊利石的晶格构造与蒙脱石相似，同属2:1型结构单位层，但在四面体片之间六角形网格眼中央嵌有一个钾离子。三种粘土矿物物理性质的比较粒径比表面积胀缩性强度压缩性大10-20m2/g小大小中80-100m2/g中中中小800m2/g大小大高岭石伊利石蒙脱石9克蒙脱土的总表面积大约与一个足球场一样大三类粘土矿物工程性质的比较矿物颗粒的直径：高岭石>伊利石>蒙脱石。蒙脱石的比表面积为高岭石的80倍，为伊利石的10倍。蒙脱石塑性指数可达100～650；压缩性为高岭石的5～15倍；有效内摩擦角也最小。分析

四面体片和八面体片之间都是共用一个原子，所以四面体片与八面体片间的键力为主键联结，但结构单位层间的联结则比较薄弱。当具有不同晶体结构的粘土矿物与周围介质接触时，就会显示出不同的工程性质。高岭石的物理性质高岭石类粘土矿物中，结构单位层之间为氧与氢氧或氢氧与氢氧离子相联结，单位层与单位层之间除范德华键外，还有氢键，能提供较强的联结力。高岭石在水中，结构单位层之间不会分散，晶格活动性小，浸水后结构单位层间的距离变化很小，所以高岭石的膨胀性和压缩性都很小。蒙脱石的物理性质蒙脱石类粘土矿物中，结构单位层之间为氧与氧联结，其键力很弱，易为具有氢键的强极化水分子楔入所分开。组成蒙脱石类粘土矿物的八面体结构单元中会产生水化阳离子，水化阳离子进入结构单位层之间使层间距离增大。蒙脱石的晶格活动性极大，膨胀性与压缩性都比高岭石大得多。伊利石的的物理性质伊利石矿物在单位层面之间嵌有带正电荷的钾离子，单位层之间的联结强度介于高岭石和蒙脱石之间，其膨胀性及压缩性也介于高岭石和蒙脱石之间。第三节粘土颗粒的胶体化学性质土中水与矿物颗粒的相互作用粘土矿物晶格构造不同，对工程性质的影响，本质上是这些矿物的颗粒与土中水相互作用的反映。土中水与固体颗粒之间并不是机械地混合，而是有机地参加土的结构，是一种复杂的物理化学作用。第四节粘性土工程性质

的利用和改良电渗排水和电化学加固电渗试验现象：在阳极管中，水自下而上地浑浊起来，与此同时，水位逐渐下降；在阴极管中，水仍是极其清澈，但水位逐渐上升。原因：粘土颗粒向阳极移动；水分子及水化阳离子向阴极移动。电渗排水和电化学加固电泳与电渗在电场作用下，带有负电荷的粘土颗粒向阳极移动，这种电动现象称为电泳。水分子及水化阳离子向阴极移动，这种电动现象称为电渗。电渗排水和电化学加固电渗排水在渗透系数小于10-6cm/s的饱和软粘土地层中开挖基坑或进行其它地下工程活动，可以采用电渗排水的方法降低地下水位。电渗排水和电化学加固电化学加固利用电渗电泳原理来改良软粘土的工程性质。双液灌浆：在阳极管内灌入氯化钙溶液，在阴极管内灌入水玻璃溶液，通直流电后生成一种不可溶的二氧化硅凝胶。二氧化硅凝胶既填充了土中的孔隙，又可提高颗粒之间的胶结力，从而使土体的强度提高。粘性土的结构性粘性土的结构性粘性土结构性的产生粘土颗粒在沉积过程中，除受重力作用外，还受到静电的吸力和排斥作用。粘性土的结构性粘性土的结构类型片堆结构（分散结构）吸引势均匀分布于粘土颗粒表面，两个颗粒相互平行地靠在一起，颗粒相互之间大致平行堆积。粘性土的结构性粘性土的结构类型絮凝结构一个土颗粒的边或角被吸附到另一个土颗粒的带负电的面上，形成边与面的接触。粘性土的结构性粘性土的结构类型重塑结构介于片堆结构与絮凝结构之间。粘性土的结构性粘性土的结构对其工程性质的影响具有片堆结构的土的力学和变形性质具有明显的方向性，竖向强度大于水平向的强度，水平向的渗透系数比竖直向大得多。具有絮凝结构的土力学性质无方向性，其结构很不稳定，在外力作用下结构很容易发生破