粘性土的物理化学性质课件

粘性土的物理化学性质粘土粒组：粒径小于2μm的土粒。矿物组分：粘土矿物、其它硅酸盐矿物和有机物颗粒等。粘土矿物颗粒特征：表面积大、颗粒之间以及颗粒与水之间的相互作用比较复杂，使粘性土的物理化学性质与其它土存在较大的差别，如塑性、压缩性等。粘性土的物理化学性质特殊，与其化学键有关。第一节键力的基本概念(1)1.粘性土的性质与化学键的类型有关。2.与土体性质有关的键力涉及到：化学键分子键氢键3.影响粘性土体强度的因素主要是决定土粒间联结强度的键力。第一节键力的基本概念(2)4.键力的强度与键力影响的范围成反比（图2-1）图2-1键力的强度与影响范围示意（据洪毓康，1999）第二节粘土矿物颗粒的结构粘土矿物颗粒特征：表面积大、颗粒之间以及颗粒与水之间的相互作用比较复杂，使粘性土的物理化学性质与其它土存在较大的差别，如塑性、压缩性等。第二节粘土矿物颗粒的结构一、粘土矿物结构单元1.硅氧四面体2.氢氧化铝八面体（三水铝石八面体）四面体片层是由硅氧四面体顶点的氧原子以三个顶点相连构成。八面体片层是由铝氧（氢氧）八面体顶点的原子相连构成。二、粘土矿物的结构（1）

四面体片与八面体片的不同叠置关系构成不同的粘土矿物的层状结构。常见的有三种：高岭石、伊利石和蒙脱石。1.高岭石结构—1：1型结构（1）单位层间以O-OH或OH-OH相连（2）分子键和氢键

作用力强，晶格活动性小；解理明显，遇水活动性小Si－O四面体片层Al－O八面体片层二、粘土矿物的结构（2）2.蒙脱石石结构

—2：1型结构（1）单位层间以O-O或OH-OH相连（2）分子键

（3）Al被低价阳离子取代，产生多余负电荷，吸附其它离子（极化）遇水活动性大晶格活动性大作用力弱二、粘土矿物的结构（3）3.伊利石—2：1型结构

在四面体片层之间的原子网格中镶嵌K离子

伊利石的性质间于高岭石－蒙脱石二者之间。小结：

矿物晶体结构特征，决定了其与水相互作用的形式，也就决定了粘性土的工程性质与含水量的关系。

三、粘土矿物结构的研究方法1．粒度成分分析（加分散剂）2．团粒成分分析（不加分散剂）3．光学显微镜（光片、薄片观察）4．电子显微镜（透射电镜，样品表面复型薄膜或超薄切片）5．扫描电镜6．X射线衍射分析7．物理-化学力学方法8．化学成分分析第三节粘土颗粒与水的相互作用一、粘土土颗粒带电原因二、双电层与扩散层三、影响扩散层厚度的因素四、粘土颗粒间的相互作用一、土颗粒带电的原因

1.粘土颗粒带电现象（1）电泳—带电的土颗粒运动（2）电渗—极化水分子的运动1.粘土颗粒带电原因（1）边缘破键电荷的不平衡（2）离子置换（3）水解作用—两性氧化物的等电pH值（pHE），当溶液pH值大于时，两性体电离出氢离子（H+）而带负电。粘土矿物的pHE一般小于7，一般带负电。电离平衡理论。（4）选择性吸附作用—性质相同离子相互吸附二、双电层与扩散层（1）1.双电层在土颗粒表面吸附的水化阳离子和水分子，称为强结合水，构成吸附水层；扩散层内存在的水分子、水化阳离子构成弱结合水。2.扩散层中的阳离子可以发生交换，这会影响粘性土的工程性质。3.土颗粒表面的带电现象是复杂的，扩散层及双电层也远比图示模式复杂。1-双电层；2-吸附层；3-扩散层；4-吸附结合水；5-渗透吸附水；6-自由水图2-2结合水形成模式示意（据高大二、双电层与扩散层（2）1-1层为内层；2-2层为固定层；3-3层为扩散层；4-4层为自由液体；a-b表示固体表面的电位；d-e表示液体表面电位；bcd曲线表示固体与液体界面上的电位差；cd曲线表示固定层与扩散层之间的电位差图2-3双电层的结构及其电位示意（据高大三、影响扩散层厚度的因素

1.扩散层的形成是由于土颗粒表面带电引起的，电势的大小直接影响扩散层的厚度。而电势的大小与矿物成分、粒度和溶液的pH值等因素有关。2.内层热力电势土颗粒表面电势及形成电场强度（电势）与离开表面的距离存在电位随离颗粒表面距离增大而指数降低。扩散层的统计厚度与电价、离子浓度成反比。其中水化阳离子的性质、浓度和交换能力的影响较大。四、粘土颗粒间的相互作用

1.当悬浮液中的土颗粒由于布朗运动而相互接近时，之间可能出现相互作用，产生吸引力或排斥力。（1）排斥力：主要来自水分子向土颗粒之间运动产生的。主要是由于离子浓度差引起的。（2）吸引力：范得华力是主要原因。2.决定土颗粒之间相互作用的表现形式，可以用能障来解释。土颗粒在吸引力或排斥力作用下发生移动做功。两种力做功的总和是土颗粒间出现吸引力或排斥力的原因。3.排斥力或吸引力的出现与溶液的浓度有关。可以通过调整液体中离子的浓度来控制土颗粒的相互作用，实现工程应用，如凝聚（胶凝）。第四节粘性土的工程性质及其应用土的工程性质包括：土与水相互作用表现的一些性质（塑性、胀缩性、崩解性等）、土的体积变化、土的强度和应力应变性能、土的渗透性等。影响土的工程性质的因素包括成分和环境两种因素。一、土的塑性

土的塑性与土的成分、土粒与水的相互作用有关。粘土矿物的成分对塑性起决定性作用。表现为：

1.对于一定的粘土矿物，液限、塑限有一定的变化范围。如变化范围：蒙脱石>伊利石>高岭石；

2.扩散层阳离子成分高塑性矿物（蒙脱石）塑性的影响大于低塑性者（高岭石）；

3.塑性越大，液限越小，干燥时的收缩越大。二、粘性土的干缩与湿胀1.干缩现象饱和粘性土的典型干缩曲线：正常干缩（水体积=收缩体积）—非饱和干缩（空气进入孔隙）—残余干缩（土颗粒排列结构发生变化，不可逆干缩）。起先，失水在孔隙中产生负孔隙水压力，土颗粒向孔隙移动，体积收缩。但随颗粒间距的减小，导致颗粒水膜相互接触和颗粒间产生排斥力，阻止了土体积收缩。2.湿胀现象当土体侵水后，孔隙水压力增大，出现颗粒相背移动，出现湿胀现象。湿胀有时会对工程建筑产生危害。土体的胀缩性不仅与土的成分、粘土颗粒含量、水溶液成分及浓度等有关，而且与土的结构、周围压力大小有关。三、粘性土的结构性（1）1.结构形式

与土体的形成机制、后期风化、固结压实过程等因素有关。图2-4粘土结构示意三、粘性土的结构性（2）1.结构形式

与土体的形成机制、后期风化、固结压实过程等因素有关。

(a)吸附水膜接触连结(b)粘质胶结连结(c)盐晶胶结连结(d)无定形铁质胶结连结

(e)同相接触连结(f)链条连结（长链）（g）链条连结（短链）图2-5细粒土颗粒之间的连结示意图三、粘性土的结构性（3）2.结构对工程性质的影响（1）工程力学性质的各向异性（2）渗透性的差异（3）灵敏度