粘性土的物理化學(xué)性質(zhì)（PDF,共62）

第二章粘粘性土土的物理理化學(xué)性性質(zhì)內(nèi)容提要要本章主要要討論決決定粘性性土的宏宏觀物理理化學(xué)性性質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)特征。主要包包括：鍵力的基基本概念念粘土礦物物顆粒的的結(jié)晶結(jié)結(jié)構(gòu)粘土顆粒粒的膠體體化學(xué)性性質(zhì)粘性土工工程性質(zhì)質(zhì)的利用用和改良良粘性土特特有的性性質(zhì)及成成因粘性土隨隨著含水水量的不不同會(huì)呈呈現(xiàn)不同同的物理理狀態(tài)。。這種性質(zhì)質(zhì)主要取取決于粘粒粒組組的含量量與粘粒的礦礦物成分分。比表面積積所謂比表表面積就就是單位位體積內(nèi)內(nèi)顆粒表表面積的的總和。。顆粒越細(xì)細(xì)，比表表面積越越大，表表面能越越大。粘土礦物物的粒徑徑小于0.005mm，具有很大大的比表表面積。。粘性土物物理化學(xué)學(xué)特性的的本質(zhì)粘土礦物物可分為為蒙脫石、伊利石和高嶺石三種類型型。它們們各自具具有不同同的結(jié)晶晶結(jié)構(gòu)特特征。結(jié)晶結(jié)構(gòu)構(gòu)特征：：即組成成礦物的的原子和和分子的的排列以及它們們之間的的聯(lián)結(jié)力。粘性土的的各種工工程性質(zhì)質(zhì)（可塑塑性、壓壓縮性、、強(qiáng)度等等）主要要受組成成粘性土土的粘土礦物物的結(jié)晶晶結(jié)構(gòu)特特征以及礦物顆粒粒與周圍圍介質(zhì)的的相互作作用所制約。。鍵力力第一節(jié)鍵鍵力的的基本概概念所謂鍵力力是指組組成粘土土礦物的的原子與與原子之之間或分分子與分分子之間間的一種種聯(lián)結(jié)力力。鍵力的類類型：化學(xué)鍵分子鍵氫鍵化學(xué)鍵原子與原原子之間間的聯(lián)結(jié)結(jié)稱為化學(xué)鍵，也稱為為主鍵或高能鍵。根據(jù)聯(lián)結(jié)結(jié)的形式式又可分分為離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵三種。離子鍵離子鍵是是一種化化學(xué)聯(lián)結(jié)結(jié)。不同元素素的原子子通過(guò)化化學(xué)反應(yīng)應(yīng)，一種種元素的的原子失失去其最最外電子子層中的的一個(gè)或或多個(gè)電電子成為為陽(yáng)離子子，而另另一種元元素的原原子獲得得一個(gè)或或多個(gè)電電子成為為陰離子子。陽(yáng)離子與與陰離子子之間的的靜電引引力所形形成的鍵鍵力即為為離子鍵鍵。離子鍵是是無(wú)方向向性的。。共價(jià)鍵共價(jià)鍵是是同一種種元素的的兩個(gè)原原子以共共有的外外層電子子聯(lián)結(jié)而而成同種種元素的的分子。。共價(jià)鍵是有有方向性的的，方向角角稱為鍵角。金屬鍵金屬元素中中的自由電電子將金屬屬原子或離離子聯(lián)結(jié)而而成金屬晶晶格，這種種聯(lián)結(jié)力即即為金屬鍵?？偨Y(jié)不同元素的的原子通過(guò)過(guò)化學(xué)反應(yīng)應(yīng)構(gòu)成一種種新的物質(zhì)質(zhì)分子，異異性原子之之間的聯(lián)結(jié)結(jié)力稱為離子鍵。兩個(gè)同性原原子形成同同一元素分分子的聯(lián)結(jié)結(jié)力稱為共價(jià)鍵。通過(guò)自由電電子將原子子或離子聯(lián)聯(lián)結(jié)成金屬屬晶格的聯(lián)聯(lián)結(jié)力為金屬鍵。離子鍵、共共價(jià)鍵和金金屬鍵都屬屬于主鍵。主鍵的影響響范圍最小小，約為0.1~0.2μm，而其聯(lián)結(jié)結(jié)能最大，，相當(dāng)于8.4～84J/kmol。總結(jié)分子鍵分子鍵又稱稱范德華（VanDerWaals）鍵或次鍵、低能鍵。所謂分子鍵鍵就是指分分子與分子子之間的聯(lián)聯(lián)結(jié)力。分子間鍵力力的影響范范圍比離子子鍵力大得得多，約為為0.3～10μm，但其鍵能則則比離子鍵鍵能小得多多，約為2.1～21J/kmol。分子鍵的形形成與影響響因素由于分子的的正電荷與與負(fù)電荷的的分布不對(duì)對(duì)稱形成極性分子，在極性分分子間相反反電荷的偶偶極端相互互接近時(shí)相相互吸引就就產(chǎn)生分子子鍵。分子鍵的產(chǎn)產(chǎn)生是與分分子的定向作用、誘導(dǎo)作用和分散作用有關(guān)。分子鍵的能能量大小與與溫度有關(guān)關(guān)，當(dāng)溫度度升高時(shí)，，其能量就就減小。氫鍵氫鍵是介于于主鍵和次次鍵之間的的一種鍵力力。氫原子失去去一個(gè)電子子成為一個(gè)個(gè)裸露的原原子核，當(dāng)當(dāng)它與帶負(fù)負(fù)電荷的原原子相互吸吸引時(shí)，即即構(gòu)成特殊殊的氫鍵。。由于氫離子子尺寸小，，只允許與與兩個(gè)相鄰鄰原子靠攏攏，故氫鍵鍵只能連接接兩個(gè)原子子。氫鍵的影響響范圍很小小，約為0.2～0.3μm，鍵能達(dá)21～42J/kmol。鍵力與強(qiáng)度度土粒本身的的強(qiáng)度是由由主鍵形成的；土粒與土粒粒之間、土土粒與水分分子之間的的吸引力由由次鍵和氫鍵形成；土粒之間的的聯(lián)結(jié)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土粒粒本身的強(qiáng)強(qiáng)度，土體體的強(qiáng)度主主要取決于于土粒之間的的聯(lián)結(jié)。第二節(jié)粘粘土礦物顆顆粒的結(jié)晶晶結(jié)構(gòu)粘土礦物結(jié)結(jié)晶結(jié)構(gòu)組組成粘土礦物結(jié)結(jié)晶結(jié)構(gòu)的的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)單元：硅氧四面體體氫氧化鋁八八面體（三三水鋁石八八面體）硅氧四面體體晶體單元元四個(gè)氧離子子構(gòu)成一個(gè)個(gè)等邊的四四面體，四四面體四個(gè)個(gè)面均為等等邊三角形形，在四面面體的中心心位置有一一個(gè)硅離子子。(硅-氧四面體)六個(gè)硅-氧四面體組組成一個(gè)硅片，每個(gè)四面面體底面上上有一個(gè)氧氧離子與相相鄰四面體體共用。氫氧化鋁八八面體結(jié)晶晶單元由6個(gè)氧或氫氧離子以以相等的距距離排列，，鋁原子居居中。（鋁—?dú)溲醢嗣骟w體）4個(gè)鋁—?dú)溲醢嗣骟w體組成一個(gè)個(gè)鋁片，每個(gè)氫氧氧離子都被被相鄰兩個(gè)個(gè)鋁離子所所共有。粘土礦物的的結(jié)晶結(jié)構(gòu)構(gòu)粘土礦物根根據(jù)四面體體片（硅片片）與八面面體片（鋁鋁片）的不不同組合堆堆疊形式，，形成了三三種主要的的粘土礦物物：高嶺石蒙脫石伊利石高嶺石由一個(gè)四面面體片與一一個(gè)八面體體片重復(fù)堆堆疊而成。。稱為1:1型結(jié)構(gòu)單位位層，也稱稱為二層結(jié)結(jié)構(gòu)型。蒙脫石由兩個(gè)四面面體晶片中中間夾一個(gè)個(gè)八面體晶晶片堆疊而而成。稱為2:1型結(jié)構(gòu)單位位層，亦稱稱為三層結(jié)結(jié)構(gòu)型。蒙脫石伊利石伊利石的晶晶格構(gòu)造與與蒙脫石相相似，同屬屬2:1型結(jié)構(gòu)單位位層，但在在四面體片片之間六角角形網(wǎng)格眼眼中央嵌有有一個(gè)鉀離離子。三種粘粘土礦礦物物物理性性質(zhì)的的比較較粒徑徑比表面面積脹縮縮性性強(qiáng)度度壓縮縮性性大10-20m2/g小大小中80-100m2/g中中中小800m2/g大小大高嶺石石伊利石石蒙脫石石9克蒙脫脫土的的總表表面積積大約約與一一個(gè)足足球場(chǎng)場(chǎng)一樣樣大分析析四面體體片和和八面面體片片之間間都是是共用用一個(gè)個(gè)原子子，所所以四四面體體片與與八面面體片片間的的鍵力力為主主鍵聯(lián)聯(lián)結(jié)，，但結(jié)結(jié)構(gòu)單單位層層間的的聯(lián)結(jié)結(jié)則比比較薄薄弱。。當(dāng)具有有不同同晶體體結(jié)構(gòu)構(gòu)的粘粘土礦礦物與與周圍圍介質(zhì)質(zhì)接觸觸時(shí)，，就會(huì)會(huì)顯示示出不不同的的工程程性質(zhì)質(zhì)。高嶺石石的物物理性性質(zhì)高嶺石石類粘粘土礦礦物中中，結(jié)結(jié)構(gòu)單單位層層之間間為氧氧與氫氫氧或或氫氧氧與氫氫氧離離子相相聯(lián)結(jié)結(jié)，單單位層層與單單位層層之間間除范德華華鍵外，還還有氫鍵，能提提供較較強(qiáng)的的聯(lián)結(jié)結(jié)力。。高嶺石石在水水中，，結(jié)構(gòu)構(gòu)單位位層之之間不不會(huì)分分散，，晶格格活動(dòng)動(dòng)性小小，浸浸水后后結(jié)構(gòu)構(gòu)單位位層間間的距距離變變化很很小，，所以以高嶺石石的膨膨脹性性和壓壓縮性性都很很小。蒙脫石石的物物理性性質(zhì)蒙脫石石類粘粘土礦礦物中中，結(jié)結(jié)構(gòu)單單位層層之間間為氧氧與氧氧聯(lián)結(jié)結(jié)，其其鍵力力很弱弱，易易為具具有氫氫鍵的的強(qiáng)極極化水水分子子楔入入所分分開(kāi)。。組成蒙蒙脫石石類粘粘土礦礦物的的八面面體結(jié)結(jié)構(gòu)單單元中中會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生水水化陽(yáng)陽(yáng)離子子，水水化陽(yáng)陽(yáng)離子子進(jìn)入入結(jié)構(gòu)構(gòu)單位位層之之間使使層間間距離離增大大。蒙脫石石的晶晶格活活動(dòng)性性極大大，膨膨脹性性與壓壓縮性性都比比高嶺嶺石大大得多多。伊利石石的的的物理理性質(zhì)質(zhì)伊利石石礦物物在單單位層層面之之間嵌嵌有帶帶正電電荷的的鉀離離子，，單位位層之之間的的聯(lián)結(jié)結(jié)強(qiáng)度度介于于高嶺嶺石和和蒙脫脫石之之間，，其膨膨脹性性及壓壓縮性性也介介于高高嶺石石和蒙蒙脫石石之間間。第三節(jié)節(jié)粘粘土顆顆粒的的膠體體化學(xué)學(xué)性質(zhì)質(zhì)粘土顆顆粒的的粒徑徑非常常微小小（小小于0.005mm），在在介質(zhì)質(zhì)中具具有明明顯的的膠體體化學(xué)學(xué)特性性（如如具有有吸附能能力），這這起源源于粘土顆顆粒表表面帶帶電性性。粘土顆顆粒表表面帶帶電的的成因因邊緣破破鍵造造成電電荷不不平衡衡同晶置置換作作用水化解解離作作用選擇性性吸附附邊緣破破鍵造造成電電荷不不平衡衡理想晶晶體的的內(nèi)部部正負(fù)負(fù)電荷荷是平平衡的的，粘粘土顆顆粒粒粒徑非非常微微小，，是一一個(gè)高高分散散體系系，在在顆粒粒外部部邊緣緣處結(jié)結(jié)晶格格架的的連續(xù)續(xù)性受受到破破壞，，從而而造成成電荷荷的不不平衡衡。這這些被被破壞壞的鍵鍵常使使粘土土顆粒粒帶有有凈負(fù)負(fù)電荷荷。顆粒越越細(xì)，，破鍵鍵越多多，所所以比比表面面越大大，表表面能能就越越大。。同晶置置換作作用硅氧四四面體體中的的硅原原子常常為鋁鋁或其其它低低價(jià)的的陽(yáng)離離子置置換；；氫氧氧化鋁鋁八面面體中中的鋁鋁原子子又常常為鐵鐵、鎂鎂離子子所置置換，，置換換后引引起電電荷的的不平平衡，，在顆顆粒表表面產(chǎn)產(chǎn)生了了過(guò)剩剩的未未飽和和負(fù)電電荷，，使粘粘土顆顆粒表表面帶帶負(fù)電電。水化解解離作作用粘土礦礦物顆顆粒表表面與與水作作用，，會(huì)形形成一一層偏偏硅酸酸（H2SiO3），偏偏硅酸酸在水水中離離解為為H＋和SiO32－離子，，H＋向水溶溶液中中擴(kuò)散散，而而硅酸酸根SiO32－與晶格格不分分離，，從而而使顆顆粒表表面帶帶有負(fù)負(fù)電荷荷。選擇性性吸附附選擇性性吸附附所謂選選擇性性吸附附，就就是顆顆粒只只吸附附與其其本身身晶格格中離離子成成分相相同或或相近近的離離子。。例如，，CaCO3在Na2CO3溶液中中只吸吸附CO32－，如把把CaCO3置于CaCl2溶液中中，則則吸附附Ca2+。三類粘粘土礦礦物工工程性性質(zhì)的的比較較礦物顆顆粒的的直徑徑：高高嶺石石>伊利石石>蒙脫石石。蒙脫石石的比比表面面積為為高嶺嶺石的的80倍，為為伊利利石的的10倍。蒙脫石石塑性性指數(shù)數(shù)可達(dá)達(dá)100～650；壓縮縮性為為高嶺嶺石的的5～15倍；有有效內(nèi)內(nèi)摩擦擦角也也最小小。雙電層層的概概念土中水水與礦礦物顆顆粒的的相互互作用用粘土礦礦物晶晶格構(gòu)構(gòu)造不不同，，對(duì)工工程性性質(zhì)的的影響響，本本質(zhì)上上是這這些礦礦物的的顆粒粒與土土中水水相互互作用用的反反映。。土中水水與固固體顆顆粒之之間并并不是是機(jī)械械地混混合，，而是是有機(jī)機(jī)地參參加土土的結(jié)結(jié)構(gòu)，，是一一種復(fù)復(fù)雜的的物理理化學(xué)學(xué)作用用。土的性性質(zhì)不不僅取取決于于水的的絕對(duì)對(duì)含量量，而而且取取決于于水的的存在在形態(tài)態(tài)、結(jié)結(jié)構(gòu)以以及介介質(zhì)的的物理理?xiàng)l件件和化化學(xué)成成分。。水分子子的極極性水具有有許多多特點(diǎn)點(diǎn)，如如介電電常數(shù)數(shù)高、、表面面張力力小、、壓縮縮性低低等。。水分子子是一一個(gè)極極性分分子，，氫原原子一一端顯顯示正正電荷荷，氧氧原子子一端端顯示示負(fù)電電荷，，在電電場(chǎng)作作用下下具有有定向向排列列的特特性；；同時(shí)時(shí)它極極易與與被溶溶解的的物質(zhì)質(zhì)，如如水中中的陽(yáng)陽(yáng)離子子結(jié)合合而形形成水水化離離子。結(jié)合水的形成成由于土顆粒表表面通常帶有有負(fù)電荷，因因此水在帶電電固體顆粒之之間受到電荷荷電場(chǎng)的（吸引）作用，水分分子和水化陽(yáng)陽(yáng)離子就會(huì)向向顆粒周圍聚聚集。土中水的類型型根據(jù)受土顆粒粒表面靜電作作用的強(qiáng)弱，，可以將土中中水劃分為三三種類型：強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水自由水1—雙電層；2—吸附層（固定定層）；3—擴(kuò)散層；4—吸附結(jié)合層；；5—滲透吸附附層；6—自由水強(qiáng)結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水水是指緊緊靠土顆顆粒表面面的水，，受土顆顆粒表面面電荷的的靜電引引力最強(qiáng)強(qiáng)。強(qiáng)結(jié)合水水的特征征和物理理性質(zhì)：：沒(méi)有溶解解能力，，不能傳傳遞靜水水壓力；；極其牢固固地結(jié)合合在土顆顆粒表面面上，不不能自由由移動(dòng)，，只有吸吸熱變成成蒸汽時(shí)時(shí)才能移移動(dòng)。性質(zhì)接近近于固體體，具有有極大的的粘滯性性，具有有一定的的抗剪強(qiáng)強(qiáng)度；密度約為為1.2～2.4g／cm3，冰點(diǎn)為為－78℃。強(qiáng)結(jié)合水如果將完全干燥燥的土移置置在天然然濕度的的空氣中中，則土土的重量量將增加加，直到到土中吸吸附強(qiáng)結(jié)結(jié)合水達(dá)達(dá)到最大大容量為為止。土土顆粒越越細(xì)，土土的比表表面積越越大，則則最大吸吸濕容量量就越大大。強(qiáng)結(jié)合水水層稱為為吸附層或固定層。弱結(jié)合水水弱結(jié)合水水就是緊緊靠強(qiáng)結(jié)結(jié)合水外外圍的一一層水膜膜。在這這層水膜膜范圍內(nèi)內(nèi)的水分分子和水水化陽(yáng)離離子仍然然受到一一定程度度的靜電電引力，，離土顆顆粒表面面距離越越遠(yuǎn)，受受到的靜靜電引力力越小。。弱結(jié)合水水不能傳傳遞靜水水壓力，，但水膜膜較厚處處的弱結(jié)結(jié)合水能能向鄰近近較薄水水膜處緩緩慢轉(zhuǎn)移移。弱結(jié)合水水層稱為為擴(kuò)散層。固定層層和擴(kuò)散散層與土土粒表面面負(fù)電荷荷一起構(gòu)構(gòu)成所謂謂雙電層。熱力電位位電動(dòng)電位位內(nèi)層層固定層擴(kuò)散層自由水?dāng)U散層厚厚度的影影響因素素?cái)U(kuò)散層的的厚度首首先取決決于內(nèi)層熱力力電位。當(dāng)內(nèi)層電電位一定定時(shí)，擴(kuò)擴(kuò)散層的的厚度可可隨外界界條件的的變化而而變化：：水溶液中中水化陽(yáng)陽(yáng)離子的的價(jià)數(shù)；；水化陽(yáng)離離子的濃濃度；水化陽(yáng)離離子的直直徑；陽(yáng)離子交交換的能能力。擴(kuò)散層厚厚度對(duì)對(duì)粘性土土工程性性質(zhì)的影影響擴(kuò)散層水水膜厚度度對(duì)粘性性土的工工程性質(zhì)質(zhì)有直接接的影響響。水膜厚度度大，土土的塑性性高；土土顆粒之之間的距距離相對(duì)對(duì)也大，，因此土土體的膨膨脹性和和收縮性性大，土土的壓縮縮性也大大，而強(qiáng)強(qiáng)度相對(duì)對(duì)降低。。自由水自由水又又稱重力力水，是是指不受受土粒表表面電荷荷電場(chǎng)影影響的水水。自由水的的性質(zhì)和和普通水水一樣，，能傳遞遞靜水壓壓力，在在水頭差差作用下下發(fā)生流流動(dòng)，冰冰點(diǎn)為0℃，具有溶溶解能力力。第四節(jié)粘粘性土土工程性性質(zhì)的的利用和和改良電滲排水水和電化化學(xué)加固固電滲試驗(yàn)驗(yàn)現(xiàn)象：在陽(yáng)極管管中，水水自下而而上地渾渾濁起來(lái)來(lái)，與此此同時(shí)，，水位逐逐漸下降降；在陰極管管中，水水仍是極極其清澈澈，但水水位逐漸漸上升。。原因：粘土顆粒粒向陽(yáng)極極移動(dòng)；；水分子及及水化陽(yáng)陽(yáng)離子向向陰極移移動(dòng)。電滲排水水和電化化學(xué)加固固電泳與電滲在電場(chǎng)作用用下，帶帶有負(fù)電電荷的粘粘土顆粒粒向陽(yáng)極極移動(dòng)，，這種電電動(dòng)現(xiàn)象象稱為電泳。水分子及及水化陽(yáng)陽(yáng)離子向向陰極移移動(dòng)，這這種電動(dòng)動(dòng)現(xiàn)象稱稱為電滲。電滲排水水和電化化學(xué)加固固電滲排水水在滲透系系數(shù)小于于10-6cm/s的飽和軟軟粘土地地層中開(kāi)開(kāi)挖基坑坑或進(jìn)行行其它地地下工程程活動(dòng)，，可以采采用電滲滲排水的的方法降降低地下下水位。。電滲排水水和電化化學(xué)加固固電化學(xué)加加固利用電滲滲電泳原原理來(lái)改改良軟粘粘土的工工程性質(zhì)質(zhì)。雙液灌漿漿：在陽(yáng)陽(yáng)極管內(nèi)內(nèi)灌入氯氯化鈣溶溶液，在在陰極管管內(nèi)灌入入水玻璃璃溶液，，通直流流電后生生成一種種不可溶溶的二氧氧化硅凝凝膠。二氧化硅硅凝膠既既填充了了土中的的孔隙，，又可提提高顆粒粒之間的的膠結(jié)力力，從而而使土體體的強(qiáng)度度提高。。粘性土的的結(jié)構(gòu)性性粘性土的的結(jié)構(gòu)性性粘性土結(jié)結(jié)構(gòu)性的的產(chǎn)生粘土顆粒粒在沉積積過(guò)程中中，除受受重力作作用外，，還受到到靜電的的吸力和和排斥作作用。粘性土的的結(jié)構(gòu)性性粘性土的的結(jié)構(gòu)類類型片堆結(jié)構(gòu)構(gòu)（分散結(jié)構(gòu)構(gòu)）吸引勢(shì)均均勻分布布于粘土土顆粒表表面，兩兩個(gè)顆粒粒相互平平行地靠靠在一起