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，具有很大的比表面積。比表面積是單位體積或單位質(zhì)量土顆粒的總表面積。顆粒越細(xì)小，則比表面積越大，其表面能也越大。土中的水實(shí)際上并不是純凈的水，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(chēng)為分散系，微粒分散在其中的物質(zhì)稱(chēng)為分散劑（也稱(chēng)分散介質(zhì)），分散成微粒的物質(zhì)稱(chēng)為分散質(zhì)（當(dāng)與分散劑不同相時(shí)，也常稱(chēng)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(jiàn)的分散系除了溶液外，還有膠體、懸濁液、乳濁液等。溶液中的溶質(zhì)被

2、分散成離子或分子形式，微粒直徑一般小于lnm。分散質(zhì)微粒直徑介于1100nm的液態(tài)分散系稱(chēng)為膠體。固體分散質(zhì)微粒直徑大于100nm的液態(tài)分散系稱(chēng)為懸濁液（簡(jiǎn)稱(chēng)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

3、質(zhì)有著極為重大的影響。1雙電層現(xiàn)象1）黏土顆粒表面帶電現(xiàn)象帶電現(xiàn)象的驗(yàn)證REUSS實(shí)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(yáng)極作定向移動(dòng)。電滲現(xiàn)象：在直流電場(chǎng)作用下，水合陽(yáng)離子，即吸附水分子的陽(yáng)離子，則向陰極作定向移動(dòng)。電泳和電滲同時(shí)發(fā)生，統(tǒng)稱(chēng)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兩性體兩性體的等電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表面帶有電荷，通常情況下，絕大部分是帶負(fù)電荷。2）雙電層表面帶有一定量負(fù)電荷的黏土顆粒，將吸引水溶液中的陽(yáng)離子而排斥陰離子。但被吸附

4、的在土粒表面的陽(yáng)離子通常并不是單獨(dú)的陽(yáng)離子，而是水合陽(yáng)離子。水合陽(yáng)離子的體積相對(duì)較大，阻礙著其在土粒表面的無(wú)限制密集。這些水合陽(yáng)離子既受到土粒表面的靜電引力作用，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?chē)年?yáng)離子分布是不均勻的，越近土粒表面，陽(yáng)離子濃度越大；隨著離土粒表面距離的增大，靜電引力減小，陽(yáng)離子的濃度也逐漸降低，直至達(dá)到孔隙中水溶液的正常濃度為止。而被土粒表面負(fù)電荷所排斥的陰離子，隨著離土粒表面距離的增大，靜電斥力減小，其濃度則逐漸增高，最后陰離子也同時(shí)達(dá)到水溶液中的正常濃度。與黏土顆粒表面電性相反的離子稱(chēng)為反離子。當(dāng)黏土顆粒表面帶有負(fù)電荷時(shí)，反離子即為陽(yáng)離子。黏土顆粒表面外側(cè)

5、至水溶液中的陰、陽(yáng)離子達(dá)到正常濃度這一范圍，稱(chēng)為反離子層。土粒表面所帶的負(fù)電荷層與受土粒表面負(fù)電荷影響的反離子層合稱(chēng)為雙電層，其示意圖見(jiàn)圖2-1-6。土粒表面的負(fù)電荷層構(gòu)成雙電層的內(nèi)層，反離子層則構(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-電位；c-g電位；de-零電位；bed-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。固定層是指緊靠土粒表面，水合反離子被牢固吸引而排列非常緊密的范圍，該層的厚度非常薄，層內(nèi)的水分子構(gòu)成強(qiáng)結(jié)合水。固定層的外圍則為擴(kuò)散層，該層的厚度隨環(huán)境因素

6、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。若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(chēng)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(chēng)為電動(dòng)電位（電位）。電動(dòng)電位值首先取決于熱力電位，熱力電位高則電動(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)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、

7、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，主要有下列幾方面。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，則比表面積越大，擴(kuò)散層厚度的總量也越大。）水溶液的pH值當(dāng)黏土顆粒表面帶負(fù)電荷時(shí)，熱力電位將隨水溶液pH值的增大而升高，擴(kuò)散層的厚度也將相應(yīng)增大。）離子濃度正常濃度處水溶液的離子濃度越高，則擴(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，則擴(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

8、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，穩(wěn)定分散狀態(tài)；排斥力=吸引力，緩慢絮凝狀態(tài)；排斥力V吸引力，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)行相互交換。離子交換主要發(fā)生在擴(kuò)散層與水溶液之間，由于黏土顆粒表面通常帶的是負(fù)電荷，故離子交換以陽(yáng)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)行，交換反應(yīng)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(chēng)為交換離子。土的離子交換特性可用離子交換容量來(lái)表示。土的離

9、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，表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，但另一方面，這類(lèi)土也易于用人工方法對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行改良。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)晶結(jié)構(gòu)而異。雖然一定的礦物沒(méi)有固定的離子交換容

10、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?80150mmol/100g)伊利石(1040mmol/100g)高嶺石(315mmol/100g)。2)土顆粒的分散程度和結(jié)構(gòu)特征土顆粒越分散，則離子交換容量越大。土結(jié)構(gòu)越緊密，則離子交換容量越小。離子的交換能力陽(yáng)離子的交換能力主要取決個(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(yáng)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-SiO2-S02-Cl-434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應(yīng)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)黏土顆粒表面帶負(fù)電荷時(shí)，水溶液pH值降低將導(dǎo)致陽(yáng)離子交換容量減小。當(dāng)pH值降低至黏土顆粒表面帶正電荷時(shí)，將產(chǎn)生陰離子交換現(xiàn)象。離子交換的重要意義在