第二章 粘粒及水的相互作用

研究對(duì)象：

固體顆粒與孔隙溶液相互作用后產(chǎn)生的一系列特性。

粘粒的膠體特性顆粒表面的雙電層。

離子交換。

粘粒的聚沉與穩(wěn)定。研究意義：由于顆粒細(xì)小，比表面積大，表面能大，是土中較活動(dòng)的部分。它與孔隙溶液相互作用后,對(duì)土的工程地質(zhì)性質(zhì)有重要影響,因此，研究粘粒與水相互作用對(duì)土的各種工程地質(zhì)性質(zhì)及土質(zhì)改良有理論與實(shí)踐的意義。

§2.1粘粒的膠體特性1.土粒的表面積:土粒（分散相）土：分散體系空隙溶液（分散介質(zhì)）比表面積：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總表面積。（單位：平方厘米）假設(shè)土粒呈球形，d為直徑：

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影響比表面積的因素:土粒的大小土粒的形狀——取決于礦物成分。2.粘粒的膠體特性：吸附能力

粘粒組包括粘土礦物、游離氧化物、石英、長(zhǎng)石、云母等原生殘余礦物的細(xì)小顆粒以及有機(jī)質(zhì)。粒度成分不同的土，其工程地質(zhì)性質(zhì)必有差別。比表面積的大小決定了土的表面能的強(qiáng)弱，而土的表面能對(duì)土的一系列特性有重要影響。

吸附作用：粘粒表面層上的每個(gè)粒子向內(nèi)的吸引力沒有平衡，固體表面上存在著自由場(chǎng)。粘粒表面借助這種場(chǎng)力把它與其周圍物質(zhì)吸引住，就是吸附作用。

1.粘粒表面電荷的形成：

選擇性吸附:

粘粒吸附溶液中的離子具有一定的規(guī)律.它總是選擇性地吸附與它本身結(jié)晶格架中相同或相似的離子.例:將難溶鹽CaCO3組成的粘粒置于氯化鈣溶液中，溶液中的Ca2+被粘粒表面吸附，使粘粒表面帶正電。表面分子解離：若粘粒有許多可解離的小分子締合而成,則在水作用后生成離子發(fā)生基,而后分解,再進(jìn)行選擇性吸附與礦物格架上性質(zhì)相同的離子,使粘粒表面帶電。同晶替代：粘土礦物晶格中的高價(jià)正離子被低價(jià)離子所替代,從而使整個(gè)粘粒帶負(fù)電.由于同晶替代所產(chǎn)生的負(fù)電荷數(shù)量不受介質(zhì)PH值的影響,因此稱為“永久負(fù)電荷?！?/p>

§2.2粘粒的雙電層的形成粘土礦物的帶電性質(zhì)研究表明：粘土顆粒的表面電荷，凈電荷通常為負(fù)電荷----------------------++++粘土顆粒水分子陽離子

2.粘粒雙電層的特征

粘粒雙電層形成的原因:由于粘粒具有較大的比表面能，可與空隙溶液相互作用在其表面形成雙電層。

決定電位離子層：緊密地吸附在固相表面的離子；反號(hào)離子層：帶電粘粒在水中吸附極性水分子于顆粒的周圍形成水化膜；與水溶液作用，由于靜電引力的作用，吸附溶液中與其電荷符號(hào)相反的離子聚集在其周圍，形成反離子層；固定層：粘粒表面帶有一定量負(fù)電荷與緊密吸附在固相表面上的反號(hào)離子形成固定層。

(吸附層)。擴(kuò)散層：距顆粒表面較遠(yuǎn)的反離子分布在顆粒周圍，具有擴(kuò)散到溶液中去的趨勢(shì)，形成與固定層電荷符號(hào)相反的另一個(gè)帶電層；土粒表面帶負(fù)電荷的固定層(吸附層)與受土粒表面影響的陽離子層(反離子層)合稱為雙電層。

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粘粒雙電層的特征

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雙電層的結(jié)構(gòu)：

決定電位離子層

雙電層

構(gòu)成固定層的部分——受粘粒表面的吸著力形成。

反號(hào)離子層

構(gòu)成擴(kuò)散層——受離子本身熱運(yùn)動(dòng)引起的擴(kuò)散作用力。

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雙電層結(jié)構(gòu)示意圖：

現(xiàn)以Al2O3與PH>8.1的堿性溶液相互作用為例,寫出膠團(tuán)結(jié)構(gòu)式:

雙電層固定層擴(kuò)散層決定電位離子層反號(hào)離子層

{(Al2O3)m﹒nAlO(OH)2-﹒(n-x)H+}x-﹒xH+

膠體顆粒膠核膠粒

膠團(tuán)

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擴(kuò)散層厚度：定義：從固定層的邊緣到擴(kuò)散層末端的距離。粘粒表面及其周圍正負(fù)離子間總的電位差，稱熱力電位；定量表示方法：通過電動(dòng)電位（）表示——可用電泳實(shí)驗(yàn)測(cè)得。的符號(hào)決定于顆粒表面的電荷符號(hào)

D——介質(zhì)的介電常數(shù)；d——擴(kuò)散層厚度；——表面電荷密度

3.影響粘粒擴(kuò)散層厚度的因素

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土粒的礦物成分與分散程度.

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溶液的化學(xué)成分:如果介質(zhì)中可被選擇吸附的離子濃度愈大,則熱力學(xué)電位愈大,擴(kuò)散層愈厚,反之,擴(kuò)散層愈薄。

l溶液的濃度:當(dāng)溶液中反號(hào)離子的濃度增加時(shí),可對(duì)擴(kuò)散層的反號(hào)離子排斥作用,結(jié)果使擴(kuò)散層中的離子進(jìn)入固定層,擴(kuò)散層變薄。

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溶液的PH值:由于粘粒的物質(zhì)組成決定了溶液PH值對(duì)其熱力學(xué)電位的影響,從而影響到擴(kuò)散層的厚度。1.土中的離子交換:

定義：粘粒與水溶液相互作用后,吸附在其表面的陽離子(陰離子)與溶液中的離子進(jìn)行交換，這種現(xiàn)象稱離子交換。

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細(xì)粒土離子交換特性的衡量指標(biāo):陽離子交換容量及各種交換性陽離子容量。

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交換容量:

在一定條件一定量的土中所有土粒的反離子層內(nèi)具有交換能力的離子總數(shù)，以每百克干土中含有多少毫摩爾的交換陽離子來表示。

標(biāo)準(zhǔn)交換容量:由于土的交換容量并非一個(gè)常數(shù),它隨外界條件的變化而變化,因此，規(guī)定以PH=6.5，濃度為0.05mol/dm3BaCl2的溶液反復(fù)的作用于1kg土上，測(cè)得的交換容量。§2.3離子交換研究交換容量的意義:有助于判別土的工程地質(zhì)性質(zhì)。通過交換容量的測(cè)定，人們可以有目的性的改變水溶液的化學(xué)成分，以改良細(xì)粒土，滿足工程建筑的要求。

注意：離子交換按等反應(yīng)進(jìn)度關(guān)系進(jìn)行，是可逆反應(yīng)，并服從質(zhì)量作用定律。

離子交換作用發(fā)生在反離子層(擴(kuò)散層)與溶液中相同符號(hào)的離子之間。

一般膠體與水作用后，或有交換性陽離子，或有陰離子，兩者具其一，而粘土礦物則兩者兼有，但后者是次要的。2.影響離子交換容量的因素：①顆粒的礦物成分及分散程度：隨著土粒直徑的減小，交換容量隨之增高。一定量土中粘粒含量與交換容量成正比。一般情況下，交換容量隨著粘粒硅鋁率的增大而增大。注：硅鋁率：某種粘土礦物的二氧化硅與游離氧化物分子數(shù)的相對(duì)比值：可表示為：k=(x/60.06)/(y/101.94+z/165.7)，x,y,z分別表示SiO2，AL2O3,Fe2O3百分含量。②溶液的化學(xué)成分、濃度與PH值：濃度與PH值影響著礦物顆粒表面的帶電數(shù)量，也影響電位，而離子交換是在反離子層與溶液中進(jìn)行的，所以顆粒表面帶電的數(shù)量及熱力學(xué)電位的大小對(duì)交換容量有直接影響。

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聚沉與穩(wěn)定：聚沉與穩(wěn)定是土粒間相互作用關(guān)系的對(duì)立的兩個(gè)方面。粘粒與水作用后，擴(kuò)散層的電性與厚度的變化是決定粘粒聚沉與穩(wěn)定的根本原因。1.聚沉作用（絮凝作用）：

定義：相鄰粘粒在一定條件下形成集合體的作用。聚沉的類型有：

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電解質(zhì)聚沉:發(fā)生在同性電荷粘粒之間,通過增加電解質(zhì)濃度或改變其中反離子成分，使顆粒聚沉。理解:當(dāng)加入電解質(zhì),濃度增大,擴(kuò)散層壓縮,電動(dòng)電位降低,兩個(gè)顆粒距離相接近,當(dāng)電動(dòng)電位降到零時(shí),粘粒最易聚沉,可見，電解質(zhì)濃度的增加,可使擴(kuò)散層厚度變薄,從而使粘粒聚沉.§2.4粘粒的聚沉與穩(wěn)定l

相互聚沉:懸液中帶電符號(hào)相反的兩種粘粒,可直接相互吸引而可形成集合體。聚沉的程度與兩者含量的比例有關(guān)，當(dāng)兩者含量相等時(shí),聚沉最完全。l

干燥聚沉:土在干燥過程中,由于蒸發(fā)逐漸失去水分,孔隙溶液的濃度迅速增加,使土粒的擴(kuò)散層變薄,產(chǎn)生聚沉現(xiàn)象.l

凍結(jié)聚沉:在負(fù)溫條件下,土孔隙中水溶液開始有一部分凍結(jié),使未凍結(jié)的溶液中離子濃度增加,使土粒的擴(kuò)散層變薄,再加上冰的壓力,促使土粒相互靠近,因而產(chǎn)生聚沉現(xiàn)象.

聚沉作用的意義：

①在打隧道中,經(jīng)常用到凍結(jié)聚沉原理,來暫時(shí)凝固松散顆粒完成工作。②對(duì)“干燥聚沉”的研究，可以防范假集合體在工程中的應(yīng)用，避免事故的發(fā)生。③人們常利用“相互聚沉”的原理來凈化水質(zhì)。2.穩(wěn)定作用：

定義：原來成為集合體的土粒，由于擴(kuò)散層變厚（或者使帶有相反電荷符號(hào)的土粒轉(zhuǎn)為帶有同號(hào)電荷，也能使擴(kuò)散層變厚）當(dāng)粒間排斥力大于吸引力，顆粒從新分離，稱為穩(wěn)定作用。集合體穩(wěn)定的方法：集合體法:只能破壞部分假集合體。半分散法:破壞假集合體及部分抗水集合體。全分散法:使所有的集合體破壞分散。3.觸變與陳化(兩者并不是對(duì)立的,陳化也會(huì)是粘土的膠氣體系變化的結(jié)果)

觸變:當(dāng)粘粒發(fā)生聚沉，如果受到外力如振動(dòng)，攪拌，電流等作用的影響，則往往會(huì)“液化”變成溶液或懸液，而當(dāng)這些外力作用停止后，它們又重新聚沉，這種作用稱為“