粘性土的物理化學性質(zhì)

第二章粘性土的物理化學性質(zhì)內(nèi)容提要本章主要討論決定粘性土的宏觀物理化學性質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)特征。主要包括：

鍵力的基本概念粘土礦物顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)粘土顆粒的膠體化學性質(zhì)粘性土工程性質(zhì)的利用和改良粘性土特有的性質(zhì)及成因

粘性土隨著含水量的不同會呈現(xiàn)不同的物理狀態(tài)。這種性質(zhì)主要取決于粘粒粒組的含量與粘粒的礦物成分。比表面積

所謂比表面積就是單位體積內(nèi)顆粒表面積的總和。顆粒越細，比表面積越大，表面能越大。粘土礦物的粒徑小于0.005mm，具有很大的比表面積。粘性土物理化學特性的本質(zhì)粘土礦物可分為蒙脫石、伊利石和高嶺石三種類型。它們各自具有不同的結(jié)晶結(jié)構(gòu)特征。結(jié)晶結(jié)構(gòu)特征：即組成礦物的原子和分子的排列以及它們之間的聯(lián)結(jié)力。粘性土的各種工程性質(zhì)（可塑性、壓縮性、強度等）主要受組成粘性土的粘土礦物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)特征以及礦物顆粒與周圍介質(zhì)的相互作用所制約。鍵力第一節(jié)鍵力的基本概念所謂鍵力是指組成粘土礦物的原子與原子之間或分子與分子之間的一種聯(lián)結(jié)力。鍵力的類型：化學鍵分子鍵氫鍵化學鍵原子與原子之間的聯(lián)結(jié)稱為化學鍵，也稱為主鍵或高能鍵。根據(jù)聯(lián)結(jié)的形式又可分為離子鍵、共價鍵和金屬鍵三種。離子鍵離子鍵是一種化學聯(lián)結(jié)。不同元素的原子通過化學反應，一種元素的原子失去其最外電子層中的一個或多個電子成為陽離子，而另一種元素的原子獲得一個或多個電子成為陰離子。

陽離子與陰離子之間的靜電引力所形成的鍵力即為離子鍵。

離子鍵是無方向性的。共價鍵共價鍵是同一種元素的兩個原子以共有的外層電子聯(lián)結(jié)而成同種元素的分子。共價鍵是有方向性的，方向角稱為鍵角。金屬鍵金屬元素中的自由電子將金屬原子或離子聯(lián)結(jié)而成金屬晶格，這種聯(lián)結(jié)力即為金屬鍵?？偨Y(jié)不同元素的原子通過化學反應構(gòu)成一種新的物質(zhì)分子，異性原子之間的聯(lián)結(jié)力稱為離子鍵。兩個同性原子形成同一元素分子的聯(lián)結(jié)力稱為共價鍵。通過自由電子將原子或離子聯(lián)結(jié)成金屬晶格的聯(lián)結(jié)力為金屬鍵。離子鍵、共價鍵和金屬鍵都屬于主鍵。主鍵的影響范圍最小，約為0.1~0.2μm，而其聯(lián)結(jié)能最大，相當于8.4～84J/kmol。總結(jié)分子鍵分子鍵又稱范德華（VanDerWaals）鍵或次鍵、低能鍵。所謂分子鍵就是指分子與分子之間的聯(lián)結(jié)力。分子間鍵力的影響范圍比離子鍵力大得多，約為0.3～10μm，但其鍵能則比離子鍵能小得多，約為2.1～21J/kmol。分子鍵的形成與影響因素由于分子的正電荷與負電荷的分布不對稱形成極性分子，在極性分子間相反電荷的偶極端相互接近時相互吸引就產(chǎn)生分子鍵。分子鍵的產(chǎn)生是與分子的定向作用、誘導作用和分散作用有關(guān)。分子鍵的能量大小與溫度有關(guān)，當溫度升高時，其能量就減小。氫鍵氫鍵是介于主鍵和次鍵之間的一種鍵力。氫原子失去一個電子成為一個裸露的原子核，當它與帶負電荷的原子相互吸引時，即構(gòu)成特殊的氫鍵。由于氫離子尺寸小，只允許與兩個相鄰原子靠攏，故氫鍵只能連接兩個原子。氫鍵的影響范圍很小，約為0.2～0.3μm，鍵能達21～42J/kmol。鍵力與強度土粒本身的強度是由主鍵形成的；土粒與土粒之間、土粒與水分子之間的吸引力由次鍵和氫鍵形成；土粒之間的聯(lián)結(jié)力遠小于土粒本身的強度，土體的強度主要取決于土粒之間的聯(lián)結(jié)。第二節(jié)粘土礦物顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)粘土礦物結(jié)晶結(jié)構(gòu)組成粘土礦物結(jié)晶結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單元：硅氧四面體氫氧化鋁八面體（三水鋁石八面體）硅氧四面體晶體單元四個氧離子構(gòu)成一個等邊的四面體，四面體四個面均為等邊三角形，在四面體的中心位置有一個硅離子。(硅-氧四面體)六個硅-氧四面體組成一個硅片，每個四面體底面上有一個氧離子與相鄰四面體共用。氫氧化怨鋁八面筍體結(jié)晶貪單元由6個氧或氫氧概離子模以相粥等的擱距離違排列圖，鋁擁原子牽居中知。（鋁—氫氧八巾面體）4個鋁—氫氧尾八面計體組警成一盯個鋁片，每個昏氫氧離廈子都被填相鄰兩絡(luò)個鋁離羞子所共俱有。粘土匙礦物羽的結(jié)半晶結(jié)埋構(gòu)粘土化礦物匹根據(jù)框四面齊體片醫(yī)（硅輩片）醬與八賞面體顆片（燒鋁片途）的換不同妖組合卻堆疊賤形式寸，形競成了沃三種赤主要寺的粘園土礦叨物：高嶺石蒙脫石伊利石高嶺石由一冬個四黎面體滲片與鞏一個君八面去體片矛重復嚴堆疊淚而成漆。稱為1:1型結(jié)打構(gòu)單罷位層耕，也甜稱為假二層衛(wèi)結(jié)構(gòu)書型。蒙脫石由兩個讓四面體劃晶片中翠間夾一慨個八面爺體晶片責堆疊而值成。稱為2:糕1型結(jié)拘構(gòu)單稍位層繪，亦叢稱為馬三層載結(jié)構(gòu)粱型。蒙脫石伊利歐石伊利石世的晶格白構(gòu)造與暢蒙脫石灣相似，珠同屬2:1型結(jié)絞構(gòu)單衡位層羞，但蒼在四斗面體障片之蔥間六仍角形跡網(wǎng)格盈眼中里央嵌兵有一退個鉀蠢離子薪。三種聞?wù)惩翀A礦物叉物理頓性質(zhì)泥的比哭較粒舍徑比表面氣積脹矩縮亦性強丹度壓略縮眠性大10稈-2恐0m2/g小大小中80-熔100退m2/g中中中小800免m2/g大小大高嶺石伊利石蒙脫石9克蒙泄脫土態(tài)的總?cè)郾砻尜彿e大押約與民一個雜足球教場一刷樣大分它析四面體山片和八攤面體片慰之間都榨是共用嚇一個原丸子，所觀以四面誕體片與術(shù)八面體紡片間的米鍵力為脊主鍵聯(lián)沸結(jié)，但晴結(jié)構(gòu)單毛位層間查的聯(lián)結(jié)單則比較砌薄弱。當具甘有不廟同晶漂體結(jié)承構(gòu)的辭粘土誼礦物鹿與周埋圍介援質(zhì)接尼觸時岔，就捕會顯側(cè)示出束不同屈的工洪程性宗質(zhì)。高嶺石占的物理踩性質(zhì)高嶺弟石類戴粘土怨礦物啟中，赴結(jié)構(gòu)借單位脫層之釘間為疑氧與舞氫氧墳或氫戲氧與玻氫氧侄離子棚相聯(lián)羽結(jié)，勸單位飛層與貝單位厘層之輪間除范德辭華鍵外，還眉有氫鍵，能提宮供較強饅的聯(lián)結(jié)綢力。高嶺石窩在水中恰，結(jié)構(gòu)云單位層磁之間不污會分散施，晶格鐘活動性吹小，浸磁水后結(jié)榜構(gòu)單位洽層間的虎距離變殘化很小會，所以高嶺洋石的慣膨脹務(wù)性和掏壓縮松性都斧很小。蒙脫石淡的物理拜性質(zhì)蒙脫顧石類兩粘土幣礦物羞中，榨結(jié)構(gòu)陽單位禾層之俯間為鐵氧與焦氧聯(lián)貌結(jié)，棉其鍵表力很攏弱，底易為逼具有垂氫鍵漫的強側(cè)極化熔水分強子楔巖入所鈔分開粗。組成蒙剩脫石類熄粘土礦中物的八舒面體結(jié)頁構(gòu)單元如中會產(chǎn)炎生水化見陽離子漲，水化晉陽離子短進入結(jié)詳構(gòu)單位撞層之間酷使層間焦距離增痕大。蒙脫石鞏的晶格痰活動性命極大，染膨脹性鴉與壓縮稀性都比蜘高嶺石美大得多屆。伊利石州的的物削理性質(zhì)伊利沿石礦立物在嶼單位撲層面枝之間竭嵌有充帶正驗電荷償?shù)拟洶欕x子賀，單圓位層勒之間維的聯(lián)命結(jié)強瘦度介消于高禽嶺石拒和蒙忘脫石賣之間臂，其穩(wěn)膨脹厘性及渣壓縮冠性也顆介于睛高嶺瞞石和限蒙脫堪石之斯間。第三施節(jié)浩粘土界顆粒液的膠他體化鍵學性梁質(zhì)粘土顆離粒的粒帆徑非常填微小（黨小于0.0輪05m書m），在鐵介質(zhì)中潑具有明談顯的膠井體化學添特性（理如具有吸附能憐力），換這起完源于粘土蘆顆粒螞表面焰帶電擺性。粘土顆俯粒表面渴帶電的徑成因邊緣啞破鍵訊造成濕電荷說不平希衡同晶置務(wù)換作用水化解熊離作用選擇品性吸也附邊緣脅破鍵粉造成艇電荷垃不平櫻衡理想誓晶體田的內(nèi)香部正護負電唱荷是愁平衡篩的，植粘土藥顆粒那粒徑慮非常飽微小德，是頌一個饑高分耀散體監(jiān)系，吼在顆料粒外窯部邊躺緣處櫻結(jié)晶槐格架督的連冒續(xù)性嚼受到裙破壞稻，從扭而造焰成電淺荷的撫不平妻衡。裕這些袍被破隨壞的驗鍵常績使粘山土顆室粒帶順有凈倒負電剃荷。顆粒帳越細喜，破期鍵越士多，新所以良比表眾面越怠大，鐘表面助能就到越大粘。同晶置兵換作用硅氧四娃面體中協(xié)的硅原騙子常為綿鋁或其萍它低價媽的陽離傍子置換回；氫氧芬化鋁八兵面體中挪的鋁原古子又常條為鐵、籮鎂離子殊所置換烈，置換粗后引起他電荷的良不平衡纖，在顆珠粒表面糾產(chǎn)生了賤過剩的驢未飽和平負電荷蠅，使粘疑土顆粒簡表面帶它負電。水化衛(wèi)解離徑作用粘土礦罪物顆粒魯表面與董水作用斜，會形垂成一層倉偏硅酸孟（H2Si幣O3），偏奏硅酸在植水中離臥解為H＋和SiO32－離子，H＋向水溶恐液中擴叼散，而毯硅酸根SiO32－與晶來格不榨分離待，從張而使四顆粒肢表面販帶有辯負電膛荷。選擇性臂吸附選擇托性吸劣附所謂選挽擇性吸息附，就免是顆粒健只吸附叨與其本糟身晶格盲中離子筐成分相凍同或相殿近的離槳子。例如，CaCO3在Na2CO3溶液中床只吸附CO32－，如筐把CaCO3置于CaCl2溶液增中，不則吸年附Ca2+。三類粘毛土礦物匠工程性測質(zhì)的比霜較礦物顆石粒的直洪徑：高旦嶺石>伊利石>蒙脫石辭。蒙脫石劫的比表禮面積為廈高嶺石莫的80倍，為際伊利石歉的10倍。蒙脫第石塑陰性指巾數(shù)可嫌達100～65魚0；壓附縮性雜為高桃?guī)X石率的5～15倍；有陽效內(nèi)摩丘擦角也極最小。雙電礦層的餡概念土中皆水與兵礦物違顆粒態(tài)的相帳互作朱用粘土濃礦物踐晶格奧構(gòu)造柔不同緩，對給工程技性質(zhì)塞的影減響，杯本質(zhì)岔上是驗這些乖礦物許的顆虛粒與語土中宜水相互互作雹用的羞反映圍。土中裙水與悅固體券顆粒承之間勤并不貼是機級械地霞混合匹，而紗是有過機地忙參加茂土的緞結(jié)構(gòu)矮，是屯一種調(diào)復雜焰的物遭理化追學作兆用。土的黎性質(zhì)掉不僅殖取決化于水謎的絕紛對含男量，倘而且衰取決高于水挎的存晉在形陰態(tài)、濫結(jié)構(gòu)啦以及輸介質(zhì)虜?shù)奈锫暲項l藏件和速化學瞎成分很。水分剃子的瓜極性水具有膛許多特泊點，如吩介電常斃數(shù)高、蜓表面張覆力小、李壓縮性假低等。水分子紛是一個灶極性分廊子，氫獄原子一仆端顯示獎?wù)姾善?，氧原行子一端假顯示負拉電荷，特在電場肥作用下澡具有定筆向排列德的特性菜；同時威它極易傳與被溶志解的物蹈質(zhì)，如漲水中的請陽離子劃結(jié)合而租形成水俱化離子。結(jié)合肢水的即形成由于閣土顆霜粒表副面通下常帶蜂有負君電荷盯，因粉此水牛在帶恐電固膽體顆酷粒之團間受桂到電圈荷電件場的昨（吸引）作用鉗，水分墳子和水雅化陽離亮子就會商向顆粒榜周圍聚邀集。土中水明的類型根據(jù)受請土顆粒習表面靜丈電作用搶的強弱現(xiàn)，可以掛將土中泄水劃分戒為三種膽類型：強結(jié)合車水弱結(jié)炊合水自由水1—雙電匹層；2—吸附步層（涌固定賠層）垂；3—擴散層皮；4—吸附上結(jié)合繁層；5—滲透勇吸附香層；6—自由水強結(jié)合水強結(jié)合怒水是指踩緊靠土白顆粒表縫面的水籌，受土轎顆粒表批面電荷結(jié)的靜電黎引力最績強。強結(jié)合搭水的特劣征和物禁理性質(zhì)別：沒有蔬溶解央能力片，不旗能傳增遞靜返水壓斬力；極其牢診固地結(jié)翅合在土暢顆粒表胳面上，驕不能自釣由移動數(shù)，只有蠟吸熱變牧成蒸汽姿時才能君移動。性質(zhì)接羨近于固海體，具重有極大掀的粘滯忍性，具周有一定源的抗剪繭強度；密度貓約為1.渾2～2.4撤g／cm3，冰點冒為－78變℃。強結(jié)合水如果將完全琴干燥的土移崗置在天眨然濕度裝的空氣將中，則塵土的重尖量將增駝加，直堵到土中茶吸附強界結(jié)合水阿達到最帆大容量蕉為止。益土顆粒道越細，撕土的比氏表面積晴越大，各則最大棚吸濕容耳量就越排大。強結(jié)膛合水尖層稱頓為吸附夕層或固定藍層。弱結(jié)沙合水弱結(jié)茅合水拍就是廈緊靠煙強結(jié)否合水寫外圍耳的一匠層水安膜。造在這貓層水賞膜范歌圍內(nèi)傍的水閃分子槽和水師化陽跳離子頃仍然群受到圓一定棒程度頭的靜場電引尾力，面離土聚顆粒熊表面頭距離匆越遠莖，受道到的宜靜電誼引力橋越小縫。弱結(jié)崗合水廊不能亂傳遞棒靜水螺壓力巖，但戒水膜煙較厚伯處的名弱結(jié)群合水收能向藝鄰近腐較薄垂水膜聚處緩委慢轉(zhuǎn)紹移。弱結(jié)合嘗水層稱棵為擴散層。固定尺層和擴天散層與遵土粒表爽面負電農(nóng)荷一起萌構(gòu)成所輪謂雙電彩層。熱力電患位電動洽電位內(nèi)指層固定層擴散期層自由餃水擴散糧層厚拐度的乒影響楚因素擴散督層的范厚度窯首先雅取決鑼于內(nèi)層報熱力相電位。當內(nèi)層或電位一彼定時，迅擴散層奪的厚度嶼可隨外鑒界條件援的變化蹄而變化鄭：水溶嫂液中非水化藥陽離形子的音價數(shù)悶；水化示陽離丈子的稠濃度吸；水化陽普離子的斬直徑；陽離子叫交換的彼能力。擴散層頂厚度童對粘性釣土工程撓性質(zhì)的辛影響擴散捧層水俯膜厚朽度對范粘性柜土的頂工程扮性質(zhì)畫有直嗚接的某影響磨。水膜斗厚度溉大，杜土的穿塑性匆高；霜土顆勝粒之嗎間的市距離牙相對循也大爛，因壯此土退體的圣膨脹峽性和懶收縮逐性大悟，土屈的壓冶縮性在也大糟，而親強度會相對屋降低癢。自由贏水自由水帆又稱重存力水，息是指不抬受土粒真表面電劃荷電場歪影響的膏水。自由鴉水的滑性質(zhì)藏和普擴通水悶一樣托，能變傳遞睡靜水猾壓力炸，在纏水頭槽差作澆用下坑發(fā)生歇流動煤，冰芬點為0℃，具屬有溶迷解能鋒力。第四節(jié)版粘性襯土工程昆性質(zhì)亭的利用仍和改良電滲排縮慧水和電段化學加識固電滲試昆驗現(xiàn)象：在陽騾極管顏中，污水自塘下而鑒上地附渾濁傾起來趙，與開此同揉時，附水位圓逐漸訓下降嘴；在陰儉極管提中，農(nóng)水仍根是極辦其清毛澈，勻但水屈位逐橫漸上做升。原因圍：粘土該顆粒積向陽玩極移淹動；水分子倘及水化弟陽離子哲向陰極閱移動。電滲排癢水和電串化學加蓮固電泳與電滲在電場盆作用弦下，樣帶有點負電削荷的桂粘土款顆粒臺向陽魄極移快動，物這種府電動絡(luò)現(xiàn)象卵稱為電泳。水分面子及范水化澆陽離輪子向徐陰極匠移動拒，這艷種電嚼動現(xiàn)管象稱值為電滲。電滲凍排水除和電略化學磚加固電滲排造水在滲透留系數(shù)小爛于10-6cm/文s的飽和浸軟粘土舍地層中捏開挖基臣坑或進醬行其它曉地下工法程活動僚，可以叔采用電碧滲排水萬的方法后降低地援下水位播。電滲泡排水就和電呢化學這加固電化專學加希固利用亭電滲述電泳曠原理過來改辣良軟賓粘土的的工禍程性陡質(zhì)。雙液灌拘漿：在曲陽極管軟內(nèi)灌入舒氯化鈣泊溶液，壩在陰極刻管內(nèi)灌滅入水玻宿璃溶液懲，通直寸流電后吼生成一演種不可塔溶的二灶氧化硅習凝膠。二氧化齒硅凝膠陸既填充無了土中那的孔隙進，又可勺提高顆負粒之間匠的膠結(jié)屯力，從霜而使土男體的強慈度提高士。粘性土括的結(jié)構(gòu)膀性粘性賓土的妹結(jié)構(gòu)棗性粘性土層結(jié)構(gòu)性榆的產(chǎn)生粘土顆想粒在沉逃積過程慶中，除名受重力駱作用外荷，還受間到靜電鼠的吸力鐘和排斥懇作用。粘性伐土的陵結(jié)構(gòu)術(shù)性粘性土膝的結(jié)構(gòu)阻類型片堆結(jié)覆構(gòu)（分散燭結(jié)構(gòu)）吸引勢疤均勻分濕布于粘屬土顆粒釘表面，薄兩個顆頃粒相互儲