土體工程黏土顆粒與水的相互作用

1、黏土顆粒與水的相互作用黏土礦物的顆粒極度細(xì)小，具有很大的比外表積。比外表積是 單位體積或單位質(zhì)量土顆粒的總外表積。顆粒越細(xì)小，那么比外表積越大，其 外表能也越大。土中的水 實(shí)際上并不是純潔的水， 往往表現(xiàn)為 成分復(fù)雜的電解質(zhì)水溶液 。 土中黏土顆粒與水之間并不是簡(jiǎn)單的混合接觸關(guān)系， 而是存在著極為復(fù)雜的物理化學(xué)作用。一種 或幾種 物質(zhì)的微粒均勻分散于另一種物質(zhì)里形成的混合物稱為 分散系 ， 微粒分散在其中的物質(zhì)稱為 分散劑 也稱 分散介質(zhì) ， 分散成微粒的物質(zhì)稱為 分散質(zhì) 當(dāng)與分散劑不同相時(shí)， 也常稱為 分散相。溶液、溶劑和溶質(zhì)就分別為 分散系、分散劑和分散質(zhì)。常見的分散系除了溶液外，還有膠體

2、、懸濁液、乳濁液等。溶液 中的溶質(zhì)被分散成離子或分子形式，微粒直徑一般小于1nm。分散質(zhì)微粒直徑介于1100 nm的液態(tài)分散系稱為 膠體。固體分散質(zhì)微粒直徑大于 100 nm 的液態(tài)分散系稱為 懸濁液 簡(jiǎn) 稱懸液 。膠體或懸液具有一些獨(dú)特的性質(zhì)：1 用超顯微鏡可觀察到 分散質(zhì)微粒作布朗運(yùn)動(dòng) ；2 分散質(zhì)微粒帶電，在直流電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生 電泳現(xiàn)象 ，即分散質(zhì)微粒向與其電性相反的電極作定向移動(dòng)；3穩(wěn)定分散的膠體或懸液遇電解質(zhì)會(huì)產(chǎn)生凝聚現(xiàn)象，即分散質(zhì)微粒相互聚集而形成沉淀。黏土礦物的粒徑小于0.005mm ，顆粒大小相當(dāng)于懸?；蚰z粒，因此，飽和土中的黏土顆粒也具有一系列膠體化學(xué)特性。雙電層現(xiàn)象和 離

3、子交換現(xiàn)象 是黏土顆粒與水相互作用的兩種重要形式，對(duì)土的工程性質(zhì)有著極為重大的影響。1 雙電層現(xiàn)象1 黏土顆粒外表帶電現(xiàn)象帶電現(xiàn)象的驗(yàn)證一一REUS混驗(yàn)電泳現(xiàn)象：在直流電場(chǎng)作用下，帶負(fù)電荷的黏土顆粒向陽極作定向移動(dòng)。電滲現(xiàn)象：在直流電場(chǎng)作用下，水合陽離子，即吸附水分子的陽離子，那么向陰極作定向移動(dòng)。電泳和電滲同時(shí)發(fā)生，統(tǒng)稱 電動(dòng)現(xiàn)象 。黏土顆粒帶電原因 水化離解作用次生 二氧化硅 水解三氧化二物 一一兩性體.word.zl.兩性體的等電 pH 值黏土礦物的 硅鋁率 黏土礦物中二氧化硅含量與三氧化二物含量的比值。黏土礦物的等電 pH 值 同晶置換作用 選擇性吸附作用 破鍵作用黏土顆粒外表帶有電荷

4、，通常情況下， 絕大局部是帶負(fù)電荷。2雙電層外表帶有一定量負(fù)電荷的黏土顆粒， 將吸引水溶液中的陽離子而排斥陰離子。 但被吸附的在土粒外表的陽離子通常并不是單獨(dú)的陽離子，而是水合陽離子。水合陽離子的體積相對(duì)較大，阻礙著其在土粒外表的無限制密集。這些水合陽離子既受到土粒外表的靜電引力作用，同時(shí)又受到本身熱運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散作用。因此， 黏土顆粒周圍的陽離子分布 是不均勻的，越近土粒外表，陽離子濃度越大；隨著離土粒外表距離的增大，靜電引力減小，陽離子的濃度也逐漸降低，直至到達(dá)孔隙中水溶液的正常濃度為止。而被土粒外表負(fù)電荷所排斥的 陰離子 ， 隨著離土粒外表距離的增大，靜電斥力減小，其濃度那么逐漸增高，最后陰

5、離子也同時(shí)到達(dá)水溶液中的正常濃度。與黏土顆粒外表電性相反的離子稱為 反離子 。當(dāng)黏土顆粒外表帶有負(fù)電荷時(shí)，反離子即為陽離子。黏土顆粒外表外側(cè)至水溶液中的陰、陽離子到達(dá)正常濃度這一范圍，稱為反離子土粒外表所帶的負(fù)電荷層與受土粒外表負(fù)電荷影響的反離子層合稱為雙電層，其示意圖見圖2-1-6。土粒外表的負(fù)電荷層構(gòu)成雙電層的內(nèi)層，反離子層那么構(gòu)成雙電 層的外層，內(nèi)層與外層的電性相反、各自所帶的總電荷量相等。圖2-1-6 雙電層及其電位示意圖1-內(nèi)層；2-固定層；3-擴(kuò)散層；4-正常離子濃度水溶液； ab- e電位；c- E電位；de-零電位；bcd-反離子層內(nèi)電位變化反離子層又細(xì)分為固定層和擴(kuò)散層。固定

6、層是指緊靠土粒外表，水合反離子被結(jié)實(shí)吸引而排列非常嚴(yán) 密的范圍，該層的厚度非常薄，層內(nèi)的水分子構(gòu)成強(qiáng)結(jié)合水。固定層的外圍那么為擴(kuò)散層，該層的厚度隨環(huán)境因素變化，層內(nèi)各種形態(tài)的水分子構(gòu)成弱結(jié)合水。反離子層內(nèi)存在兩個(gè)特征電位。假設(shè)以水溶液中離子正常濃度處為零電位， 反離子層與黏土顆粒界面處的電位絕對(duì)值，稱為熱力電位電位，其值與土粒的礦物成分、顆粒形狀與大小及水溶液的 pH 值等因素有關(guān)。固定層與擴(kuò)散層界面處的電位絕對(duì)值，稱為電動(dòng)電位E電位電動(dòng)電位值首先取決于熱力電位， 熱力電位高那么電動(dòng)電位亦高。 當(dāng)熱力電位為定值時(shí)， 理論上電動(dòng)電位值主要取決于正常濃度處水溶液的離子濃度、反離子層中反離子的離子價(jià)

7、等因素。電動(dòng)電位是產(chǎn)生電動(dòng)現(xiàn)象的原因，且與擴(kuò)散層的厚度直接相關(guān)，電動(dòng)電位降低對(duì)應(yīng)于擴(kuò)散層厚度變薄。 擴(kuò)散層的厚度對(duì)黏性土的工程性質(zhì)具有重大意義，土的黏性、塑性、脹縮性、壓縮性、強(qiáng)度等特性均直接與此相關(guān)。因此， 擴(kuò)散層的厚度變化是引起黏性土物理力學(xué)性質(zhì)變化的主要原因。影響電動(dòng)電位包括熱力電位的各種因素均為 影響擴(kuò)散層的厚度的因素 ，主要有以下幾方面。1 黏土顆粒的礦物成分和分散程度 蒙脫石的熱力電位較高嶺石的高，其擴(kuò)散層的厚度相應(yīng)也大。土越分散，那么比外表積越大，擴(kuò)散層厚度的總量也越大。2 水溶液的 pH 值 當(dāng)黏土顆粒外表帶負(fù)電荷時(shí)，熱力電位將隨水溶液 pH 值的增大而升高，擴(kuò)散層的厚度也將相

8、應(yīng)增大。3 離子濃度 正常濃度處水溶液的離子濃度越高，那么擴(kuò)散層的厚度越小。4 離子價(jià) 反離子層中反離子的化合價(jià)越高，那么擴(kuò)散層的厚度越小。2 土粒間的相互作用排斥力 滲透壓力差主要影響因素： 水溶液離子濃度 離子價(jià) 土粒間距 水溶液 pH 值介電常數(shù)吸引力 范德華力主要影響因素： 介電常數(shù)溫度作用結(jié)果：排斥力 吸引力，一一穩(wěn)定分散狀態(tài)； 排斥力=吸引力，一一緩慢絮凝狀態(tài)； 排斥力吸引力，一一快速絮凝狀態(tài)。3 離子交換現(xiàn)象離子交換 一般是指 反離子層中被黏土顆粒吸附的離子 與 正常濃度處水溶液中的同性離子在總電荷量相等的條件下進(jìn)展相互交換。離子交換主要 發(fā)生在擴(kuò)散層與水溶液之間 ， 由于黏土顆

9、粒外表通常帶的是負(fù)電荷， 故 離子交換以陽離子交換為主， 但也可出現(xiàn)陰離子交換。離子交換的特征是：離子交換按當(dāng)量進(jìn)展，交換反響具可逆性，離子交換服從質(zhì)量作用定律。具有交換能力的離子稱為 交換離子 。土的離子交換特性可用 離子交換容量來表示。土的離子交換容量是指 一定量的土， 在一定條件下， 土中所有土粒反離子層內(nèi)具有交換能力的離子總數(shù)， 以每一百克干土中所含交換離子的毫摩爾數(shù)表示 mmol/100g 。離子交換容量是反映土的性質(zhì)的定量指標(biāo)， 土的離子交換容量越大， 說明土中離子的交換能力越強(qiáng)， 土對(duì)于水溶液物理化學(xué)條件的變化越敏感。 離子交換容量大的土， 其性質(zhì)易隨環(huán)境條件的變化而變化，但另一

10、方面，這類土也易于用人工方法對(duì)其性質(zhì)進(jìn)展改進(jìn)。土的離子交換容量并非一個(gè)常量，與土的礦物成分和粒度成分、水溶液的離子濃度和離子的交換能力及pH 值等因素有關(guān)。1 礦物成分 原生礦物的離子交換容量極小，次生礦物的交換容量視其結(jié)晶構(gòu)造而異。 雖然一定的礦物沒有固定的離子交換容量， 但不同的礦物具有不同的交換容量變化范圍。 黏土礦物按交換容量大小的排列順序?yàn)椋好擅撌?0150mmol/100g伊利石1040mmol/100g高嶺石315 mmol/100g。2 土顆粒的分散程度和構(gòu)造特征土顆粒越分散，那么離子交換容量越大。土構(gòu)造越嚴(yán)密，那么離子交換容量越小。3 離子的交換能力 陽離子的交換能力主要取決

11、個(gè)離子價(jià)、離子大小及離子濃度。 一般高價(jià)離子的交換能力大于低價(jià)離子， 同價(jià)離子中離子半徑大的交換能力大于離子半徑小的。在離子濃度相等的條件下，陽離子交換能力的排列順序?yàn)椋篎e3+ Al3+ H+ Ba2+ Ca2+ Mg2+K+ Na+陰離子交換能力的排列順序?yàn)椋篛H-PO3 SiO3 SO2 Cl-4 ) 水溶液的離子濃度 由于離子交換具可逆性、并服從質(zhì)量作用定律， 正常水溶液處的離子濃度決定交換反響的方向， 水溶液離子濃度的變化將引起化學(xué)平衡的移動(dòng)，并改變離子的交換能力。5 水溶液的 pH 值 當(dāng)黏土顆粒外表帶負(fù)電荷時(shí)， 水溶液 pH 值降低將導(dǎo)致陽離子交換容量減小。當(dāng) pH 值降低至黏土顆粒外表帶正電荷時(shí)，將產(chǎn)生陰離子交換現(xiàn)象。離子交換的重要意義在于離子交換的結(jié)果