第二章 粘粒及水的相互作用

研究对象：

固体颗粒与孔隙溶液相互作用后产生的一系列特性。

粘粒的胶体特性颗粒表面的双电层。

离子交换。

粘粒的聚沉与稳定。研究意义：由于颗粒细小，比表面积大，表面能大，是土中较活动的部分。它与孔隙溶液相互作用后,对土的工程地质性质有重要影响,因此，研究粘粒与水相互作用对土的各种工程地质性质及土质改良有理论与实践的意义。

§2.1粘粒的胶体特性1.土粒的表面积:土粒（分散相）土：分散体系空隙溶液（分散介质）比表面积：表示分散相的分散程度，即每克或每立方厘米的分散相具有的总表面积。（单位：平方厘米）假设土粒呈球形，d为直径：

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影响比表面积的因素:土粒的大小土粒的形状——取决于矿物成分。2.粘粒的胶体特性：吸附能力

粘粒组包括粘土矿物、游离氧化物、石英、长石、云母等原生残余矿物的细小颗粒以及有机质。粒度成分不同的土，其工程地质性质必有差别。比表面积的大小决定了土的表面能的强弱，而土的表面能对土的一系列特性有重要影响。

吸附作用：粘粒表面层上的每个粒子向内的吸引力没有平衡，固体表面上存在着自由场。粘粒表面借助这种场力把它与其周围物质吸引住，就是吸附作用。

1.粘粒表面电荷的形成：

选择性吸附:

粘粒吸附溶液中的离子具有一定的规律.它总是选择性地吸附与它本身结晶格架中相同或相似的离子.例:将难溶盐CaCO3组成的粘粒置于氯化钙溶液中，溶液中的Ca2+被粘粒表面吸附，使粘粒表面带正电。表面分子解离：若粘粒有许多可解离的小分子缔合而成,则在水作用后生成离子发生基,而后分解,再进行选择性吸附与矿物格架上性质相同的离子,使粘粒表面带电。同晶替代：粘土矿物晶格中的高价正离子被低价离子所替代,从而使整个粘粒带负电.由于同晶替代所产生的负电荷数量不受介质PH值的影响,因此称为“永久负电荷。”

§2.2粘粒的双电层的形成粘土矿物的带电性质研究表明：粘土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷----------------------++++粘土颗粒水分子阳离子

2.粘粒双电层的特征

粘粒双电层形成的原因:由于粘粒具有较大的比表面能，可与空隙溶液相互作用在其表面形成双电层。

决定电位离子层：紧密地吸附在固相表面的离子；反号离子层：带电粘粒在水中吸附极性水分子于颗粒的周围形成水化膜；与水溶液作用，由于静电引力的作用，吸附溶液中与其电荷符号相反的离子聚集在其周围，形成反离子层；固定层：粘粒表面带有一定量负电荷与紧密吸附在固相表面上的反号离子形成固定层。

(吸附层)。扩散层：距颗粒表面较远的反离子分布在颗粒周围，具有扩散到溶液中去的趋势，形成与固定层电荷符号相反的另一个带电层；土粒表面带负电荷的固定层(吸附层)与受土粒表面影响的阳离子层(反离子层)合称为双电层。

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粘粒双电层的特征

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双电层的结构：

决定电位离子层

双电层

构成固定层的部分——受粘粒表面的吸着力形成。

反号离子层

构成扩散层——受离子本身热运动引起的扩散作用力。

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双电层结构示意图：

现以Al2O3与PH>8.1的碱性溶液相互作用为例,写出胶团结构式:

双电层固定层扩散层决定电位离子层反号离子层

{(Al2O3)m﹒nAlO(OH)2-﹒(n-x)H+}x-﹒xH+

胶体颗粒胶核胶粒

胶团

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扩散层厚度：定义：从固定层的边缘到扩散层末端的距离。粘粒表面及其周围正负离子间总的电位差，称热力电位；定量表示方法：通过电动电位（）表示——可用电泳实验测得。的符号决定于颗粒表面的电荷符号

D——介质的介电常数；d——扩散层厚度；——表面电荷密度

3.影响粘粒扩散层厚度的因素

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土粒的矿物成分与分散程度.

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溶液的化学成分:如果介质中可被选择吸附的离子浓度愈大,则热力学电位愈大,扩散层愈厚,反之,扩散层愈薄。

l溶液的浓度:当溶液中反号离子的浓度增加时,可对扩散层的反号离子排斥作用,结果使扩散层中的离子进入固定层,扩散层变薄。

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溶液的PH值:由于粘粒的物质组成决定了溶液PH值对其热力学电位的影响,从而影响到扩散层的厚度。1.土中的离子交换:

定义：粘粒与水溶液相互作用后,吸附在其表面的阳离子(阴离子)与溶液中的离子进行交换，这种现象称离子交换。

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细粒土离子交换特性的衡量指标:阳离子交换容量及各种交换性阳离子容量。

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交换容量:

在一定条件一定量的土中所有土粒的反离子层内具有交换能力的离子总数，以每百克干土中含有多少毫摩尔的交换阳离子来表示。

标准交换容量:由于土的交换容量并非一个常数,它随外界条件的变化而变化,因此，规定以PH=6.5，浓度为0.05mol/dm3BaCl2的溶液反复的作用于1kg土上，测得的交换容量。§2.3离子交换研究交换容量的意义:有助于判别土的工程地质性质。通过交换容量的测定，人们可以有目的性的改变水溶液的化学成分，以改良细粒土，满足工程建筑的要求。

注意：离子交换按等反应进度关系进行，是可逆反应，并服从质量作用定律。

离子交换作用发生在反离子层(扩散层)与溶液中相同符号的离子之间。

一般胶体与水作用后，或有交换性阳离子，或有阴离子，两者具其一，而粘土矿物则两者兼有，但后者是次要的。2.影响离子交换容量的因素：①颗粒的矿物成分及分散程度：随着土粒直径的减小，交换容量随之增高。一定量土中粘粒含量与交换容量成正比。一般情况下，交换容量随着粘粒硅铝率的增大而增大。注：硅铝率：某种粘土矿物的二氧化硅与游离氧化物分子数的相对比值：可表示为：k=(x/60.06)/(y/101.94+z/165.7)，x,y,z分别表示SiO2，AL2O3,Fe2O3百分含量。②溶液的化学成分、浓度与PH值：浓度与PH值影响着矿物颗粒表面的带电数量，也影响电位，而离子交换是在反离子层与溶液中进行的，所以颗粒表面带电的数量及热力学电位的大小对交换容量有直接影响。

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聚沉与稳定：聚沉与稳定是土粒间相互作用关系的对立的两个方面。粘粒与水作用后，扩散层的电性与厚度的变化是决定粘粒聚沉与稳定的根本原因。1.聚沉作用（絮凝作用）：

定义：相邻粘粒在一定条件下形成集合体的作用。聚沉的类型有：

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电解质聚沉:发生在同性电荷粘粒之间,通过增加电解质浓度或改变其中反离子成分，使颗粒聚沉。理解:当加入电解质,浓度增大,扩散层压缩,电动电位降低,两个颗粒距离相接近,当电动电位降到零时,粘粒最易聚沉,可见，电解质浓度的增加,可使扩散层厚度变薄,从而使粘粒聚沉.§2.4粘粒的聚沉与稳定l

相互聚沉:悬液中带电符号相反的两种粘粒,可直接相互吸引而可形成集合体。聚沉的程度与两者含量的比例有关，当两者含量相等时,聚沉最完全。l

干燥聚沉:土在干燥过程中,由于蒸发逐渐失去水分,孔隙溶液的浓度迅速增加,使土粒的扩散层变薄,产生聚沉现象.l

冻结聚沉:在负温条件下,土孔隙中水溶液开始有一部分冻结,使未冻结的溶液中离子浓度增加,使土粒的扩散层变薄,再加上冰的压力,促使土粒相互靠近,因而产生聚沉现象.

聚沉作用的意义：

①在打隧道中,经常用到冻结聚沉原理,来暂时凝固松散颗粒完成工作。②对“干燥聚沉”的研究，可以防范假集合体在工程中的应用，避免事故的发生。③人们常利用“相互聚沉”的原理来净化水质。2.稳定作用：

定义：原来成为集合体的土粒，由于扩散层变厚（或者使带有相反电荷符号的土粒转为带有同号电荷，也能使扩散层变厚）当粒间排斥力大于吸引力，颗粒从新分离，称为稳定作用。集合体稳定的方法：集合体法:只能破坏部分假集合体。半分散法:破坏假集合体及部分抗水集合体。全分散法:使所有的集合体破坏分散。3.触变与陈化(两者并不是对立的,陈化也会是粘土的胶气体系变化的结果)

触变:当粘粒发生聚沉，如果受到外力如振动，搅拌，电流等作用的影响，则往往会“液化”变成溶液或悬液，而当这些外力作用停止后，它们又重新聚沉，这种作用称为“