粘性土的物理化學(xué)性質(zhì)

第一節(jié)鍵力的根本(gēnběn)概念一、化學(xué)鍵1、離子鍵：一種元素失去電子成為陽離子，另一種元素的原子得到電子而成為陰離子。2、共價(jià)鍵：兩個(gè)原子以共用電子對(duì)構(gòu)成聯(lián)結(jié)。3、金屬鍵：金屬原子與自由電子及離子組成的晶格相聯(lián)結(jié)構(gòu)(jiégòu)成?；瘜W(xué)鍵是主鍵，鍵力較大，影響范圍為μm，其能量相當(dāng)于8.4~84J/kmol。第一頁，共27頁。二、分子間鍵分子間鍵也稱范德華〔VanderWaals〕鍵，屬于次鍵，這與定向作用、誘導(dǎo)作用和分散作用有關(guān)。三、氫鍵氫鍵是介于主鍵和次鍵之間的一種鍵力。產(chǎn)生的原因(yuányīn)是：氫原子在失去一個(gè)電子后成為裸露原子核，當(dāng)遇其他帶負(fù)電荷的原子時(shí)相互吸引形成氫鍵。由于氫離子尺寸很小，只能與兩個(gè)相鄰的原子結(jié)合。氫鍵的影響范圍約為μm，鍵能達(dá)21~42J/kmol?；瘜W(xué)鍵組成了礦物本身的晶格，而土粒間的分子引力及氫鍵組成了土體的強(qiáng)度〔幾種主要鍵力的作用范圍〕。第二頁，共27頁。第二節(jié)粘土礦物顆粒的結(jié)晶(jiéjīng)結(jié)構(gòu)粘土礦物大多是硅酸鹽礦物，經(jīng)近代X—衍射法等測(cè)定，粘土礦物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)根本(gēnběn)結(jié)構(gòu)單元組成。1、硅氧四面體〔二氧化硅四面體〕中心是Si4+，四個(gè)頂點(diǎn)是O2-，四面均為等邊三角形。在礦物中組成六角形網(wǎng)格狀或鏈狀，稱硅氧層〔圖2-2〕。2、氫氧化鋁八面體中心為Al3+，六個(gè)頂點(diǎn)為OH-，六個(gè)OH-等距離排列，八面體亦排列成網(wǎng)格狀，稱八面體層〔片〕〔圖2-2〕。第三頁，共27頁。3、主要粘土礦物〔1〕高嶺石〔二層型〕：一層四面體和一層八面體疊成晶片，1:1型結(jié)構(gòu)，也稱二層型。晶片間是O與OH相聯(lián)結(jié)，還有氫鍵存在。晶片的長:寬:厚=10:10:1，比外表積15m2/g，物理化學(xué)性質(zhì)不活潑，浸水后膨脹性較小〔圖2-3〕。〔2〕蒙脫石〔三層型〕：兩層四面體和一層八面體堆成晶片，晶片長:寬:厚=100:100:1，層片間為O與O相聯(lián)，鍵力較弱，易為水分子分開，比外表積800m2/g，化學(xué)性質(zhì)活潑，遇水膨脹直至崩解，是膨脹收縮土的主要成分〔圖2-4〕?！?〕伊利石〔三層型〕：晶片結(jié)構(gòu)與蒙脫石一致，局部硅被鋁代替形成同晶置換，使晶體(jīngtǐ)帶負(fù)電吸附溶液中的K+，聯(lián)結(jié)力增大，其性質(zhì)介于高嶺石與蒙脫石之間。比外表積80m2/g〔圖2-5〕。第四頁，共27頁。第三節(jié)粘土顆粒的膠體(jiāotǐ)化學(xué)性質(zhì)一、粘土顆粒外表帶電的原因1、斷鍵：理想(lǐxiǎng)晶體內(nèi)部電荷是平衡的，但在邊緣破裂處，由于破鍵而產(chǎn)生電荷不平衡，一般粘土顆粒帶負(fù)電，個(gè)別也帶正電的斷鍵。2、同晶置換作用：硅氧四面體中的硅被低價(jià)的鋁置換，八面體中的鋁被鐵、鎂等置換，產(chǎn)生電荷不平衡，負(fù)電荷多而帶負(fù)電。3、水化解離作用：次生SiO2外表與水作用形成偏硅酸層，在水中解離為H+和SiO32-，H+離子向水中擴(kuò)散，而負(fù)離子連著晶格使土粒帶負(fù)電。第五頁，共27頁。4、倍半氧化物的二重性：常用R2O3表示，其帶電具有二重性，由溶液的PH值決定，PH大帶負(fù)電。當(dāng)不帶電時(shí)水溶液的PH值為兩性(liǎngxìng)體的等電PH值。5、選擇性吸附作用：土粒只吸附與其本身晶格中離子成分相同或相近的離子。粘土顆粒外表帶電的因素很多，要綜合分析，但總的來說是帶負(fù)電的多。第六頁，共27頁。二、雙電層的概念粘粒外表帶負(fù)電在土粒周圍形成一個(gè)電場(chǎng)。水溶液中陽離子〔水化陽離子〕在電場(chǎng)作用下被土粒吸引，另一方面又受布朗運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散力作用。這兩種相反作用的結(jié)果使土粒周圍產(chǎn)生陽離子不均勻分布。1、強(qiáng)結(jié)合水：緊靠(jǐnkào)土粒外表的水，受到極強(qiáng)的靜電引力，在土粒外表形成的吸附水層。2、弱結(jié)合水：緊靠(jǐnkào)強(qiáng)結(jié)合水外圍的一層水膜，孔隙水中水化陽離子溶液逐漸減少，至陽離子濃度正常為止稱為擴(kuò)散〔又叫薄膜水〕。土粒外表的負(fù)電荷、吸附層和擴(kuò)散層構(gòu)成雙電層，土粒外表負(fù)電荷為內(nèi)層，擴(kuò)散層為外層〔圖2-7〕。第七頁，共27頁。三、影響擴(kuò)散層厚度的因素土粒外表帶電產(chǎn)生電場(chǎng)引起擴(kuò)散層的存在，擴(kuò)散層的厚度與電荷的多少，即電位的大小有關(guān)。土粒外表帶電荷量的多少，可用土粒外表的電位勢(shì)表示。假設(shè)在擴(kuò)散層以外正常濃度處的電位為零，土粒與水溶液分界面上的電位稱熱力電位。外表負(fù)電荷大，那么電位也大。電位取決于土粒的礦物成分、粒度(lìdù)成分和水溶液的PH值。1、擴(kuò)散層的厚度在擴(kuò)散層中電位的變化規(guī)律可近似地表示為：2、影響擴(kuò)散層厚度的因素第八頁，共27頁。第四節(jié)粘性土工程(gōngchéng)性質(zhì)的利用和改進(jìn)一、粘土顆粒外表的帶電現(xiàn)象列依斯〔Reuss〕試驗(yàn)證明粘土粒帶電，而且是負(fù)電荷，實(shí)驗(yàn)裝置見圖2-6。1、在陽極〔+〕管中：水自下而上逐漸變渾濁，水位(shuǐwèi)下降。說明粘土粒帶負(fù)電荷，向陽極周圍運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為電泳。2、在陰極〔－〕管中：水仍然清澈，但水位(shuǐwèi)上升，說明有水向陰極滲透，這種現(xiàn)象稱為電滲。第九頁，共27頁。二、電滲排水和電化學(xué)加固1、電滲排水在滲透系數(shù)小于10-6cm/s的飽和軟粘土地層中開挖基坑(jīkēnɡ)或其他地下工程中，可用此法排水降低地下水位。2、電化學(xué)加固利用電滲進(jìn)行注〔灌〕漿加固地基，改進(jìn)軟粘土的工程性質(zhì)。注漿有單液和雙液法。第十頁，共27頁。TheEnd第十一頁，共27頁。圖2-1幾種主要鍵力的作用(zuòyòng)范圍第十二頁，共27頁。圖2-2四面體片與八面體片第十三頁，共27頁。圖2-3高嶺石的結(jié)晶(jiéjīng)結(jié)構(gòu)第十四頁，共27頁。圖2-4蒙脫石的結(jié)晶(jiéjīng)結(jié)構(gòu)第十五頁，共27頁。圖2-5伊利石的結(jié)晶(jiéjīng)結(jié)構(gòu)第十六頁，共27頁。圖2-6粘土(zhāntǔ)顆粒外表

的帶電現(xiàn)象第十七頁，共27頁。圖2-7雙電層示意圖第十八頁，共27頁。圖2-8相互作用的雙電層第十九頁，共27頁。圖2-9排斥勢(shì)能(shìnéng)曲線第二十頁，共27頁。圖2-10粒間相互作用的凈勢(shì)能(shìnéng)曲線第二十一頁，共27頁。圖2-11塑性指數(shù)(zhǐshù)與粘粒含量間的關(guān)系第二十二頁，共27頁。圖2-12飽和粘性(zhānxìnɡ)土典型干縮曲線第二十三頁，共27頁