土力學(xué)-第二章-粘性土的物理化學(xué)性質(zhì)

第二章粘性土的物理化學(xué)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(xué)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(xué)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(huì)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(xì)，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(xué)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(qiáng)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(xué)鍵分子鍵氫鍵化學(xué)鍵

原子與原子之間的聯(lián)結(jié)稱為化學(xué)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(jià)鍵和金屬鍵三種。離子鍵

離子鍵是一種化學(xué)聯(lián)結(jié)。不同元素的原子通過化學(xué)反應(yīng)，一種元素的原子失去其最外電子層中的一個(gè)或多個(gè)電子成為陽離子，而另一種元素的原子獲得一個(gè)或多個(gè)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(jià)鍵

共價(jià)鍵是同一種元素的兩個(gè)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(jià)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(xué)反應(yīng)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(gè)同性原子形成同一元素分子的聯(lián)結(jié)力稱為共價(jià)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(jià)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(dāng)于8.4～84J/kmol?？偨Y(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(fù)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(shí)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(dǎo)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(dāng)溫度升高時(shí)，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(gè)電子成為一個(gè)裸露的原子核，當(dāng)它與帶負(fù)電荷的原子相互吸引時(shí)，即構(gòu)成特殊的氫鍵。由于氫離子尺寸小，只允許與兩個(gè)相鄰原子靠攏，故氫鍵只能連接兩個(gè)原子。氫鍵的影響范圍很小，約為0.2～0.3μm，鍵能達(dá)21～42J/kmol。鍵力與強(qiáng)度土粒本身的強(qiáng)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(yuǎn)小于土粒本身的強(qiáng)度，土體的強(qiáng)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(gè)氧離子構(gòu)成一個(gè)等邊的四面體，四面體四個(gè)面均為等邊三角形，在四面體的中心位置有一個(gè)硅離子。(硅-氧四面體)六個(gè)硅-氧四面體組成一個(gè)硅片，每個(gè)四面體底面上有一個(gè)氧離子與相鄰四面體共用。氫氧化鋁八面體結(jié)晶單元由6個(gè)氧或氫氧離子以相等的距離排列，鋁原子居中。（鋁—?dú)溲醢嗣骟w）4個(gè)鋁—?dú)溲醢嗣骟w組成一個(gè)鋁片，每個(gè)氫氧離子都被相鄰兩個(gè)鋁離子所共有。粘土礦物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)

粘土礦物根據(jù)四面體片（硅片）與八面體片（鋁片）的不同組合堆疊形式，形成了三種主要的粘土礦物：高嶺石蒙脫石伊利石高嶺石由一個(gè)四面體片與一個(gè)八面體片重復(fù)堆疊而成。稱為1:1型結(jié)構(gòu)單位層，也稱為二層結(jié)構(gòu)型。蒙脫石由兩個(gè)四面體晶片中間夾一個(gè)八面體晶片堆疊而成。稱為2:1型結(jié)構(gòu)單位層，亦稱為三層結(jié)構(gòu)型。蒙脫石伊利石伊利石的晶格構(gòu)造與蒙脫石相似，同屬2:1型結(jié)構(gòu)單位層，但在四面體片之間六角形網(wǎng)格眼中央嵌有一個(gè)鉀離子。三種粘土礦物物理性質(zhì)的比較粒徑比表面積脹縮性強(qiáng)度壓縮性大10-20m2/g小大小中80-100m2/g中中中小800m2/g大小大高嶺石伊利石蒙脫石9克蒙脫土的總表面積大約與一個(gè)足球場一樣大三類粘土礦物工程性質(zhì)的比較礦物顆粒的直徑：高嶺石>伊利石>蒙脫石。蒙脫石的比表面積為高嶺石的80倍，為伊利石的10倍。蒙脫石塑性指數(shù)可達(dá)100～650；壓縮性為高嶺石的5～15倍；有效內(nèi)摩擦角也最小。分析

四面體片和八面體片之間都是共用一個(gè)原子，所以四面體片與八面體片間的鍵力為主鍵聯(lián)結(jié)，但結(jié)構(gòu)單位層間的聯(lián)結(jié)則比較薄弱。當(dāng)具有不同晶體結(jié)構(gòu)的粘土礦物與周圍介質(zhì)接觸時(shí)，就會(huì)顯示出不同的工程性質(zhì)。高嶺石的物理性質(zhì)高嶺石類粘土礦物中，結(jié)構(gòu)單位層之間為氧與氫氧或氫氧與氫氧離子相聯(lián)結(jié)，單位層與單位層之間除范德華鍵外，還有氫鍵，能提供較強(qiáng)的聯(lián)結(jié)力。高嶺石在水中，結(jié)構(gòu)單位層之間不會(huì)分散，晶格活動(dòng)性小，浸水后結(jié)構(gòu)單位層間的距離變化很小，所以高嶺石的膨脹性和壓縮性都很小。蒙脫石的物理性質(zhì)蒙脫石類粘土礦物中，結(jié)構(gòu)單位層之間為氧與氧聯(lián)結(jié)，其鍵力很弱，易為具有氫鍵的強(qiáng)極化水分子楔入所分開。組成蒙脫石類粘土礦物的八面體結(jié)構(gòu)單元中會(huì)產(chǎn)生水化陽離子，水化陽離子進(jìn)入結(jié)構(gòu)單位層之間使層間距離增大。蒙脫石的晶格活動(dòng)性極大，膨脹性與壓縮性都比高嶺石大得多。伊利石的的物理性質(zhì)伊利石礦物在單位層面之間嵌有帶正電荷的鉀離子，單位層之間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度介于高嶺石和蒙脫石之間，其膨脹性及壓縮性也介于高嶺石和蒙脫石之間。第三節(jié)粘土顆粒的膠體化學(xué)性質(zhì)土中水與礦物顆粒的相互作用粘土礦物晶格構(gòu)造不同，對工程性質(zhì)的影響，本質(zhì)上是這些礦物的顆粒與土中水相互作用的反映。土中水與固體顆粒之間并不是機(jī)械地混合，而是有機(jī)地參加土的結(jié)構(gòu)，是一種復(fù)雜的物理化學(xué)作用。第四節(jié)粘性土工程性質(zhì)

的利用和改良電滲排水和電化學(xué)加固電滲試驗(yàn)現(xiàn)象：在陽極管中，水自下而上地渾濁起來，與此同時(shí)，水位逐漸下降；在陰極管中，水仍是極其清澈，但水位逐漸上升。原因：粘土顆粒向陽極移動(dòng)；水分子及水化陽離子向陰極移動(dòng)。電滲排水和電化學(xué)加固電泳與電滲在電場作用下，帶有負(fù)電荷的粘土顆粒向陽極移動(dòng)，這種電動(dòng)現(xiàn)象稱為電泳。水分子及水化陽離子向陰極移動(dòng)，這種電動(dòng)現(xiàn)象稱為電滲。電滲排水和電化學(xué)加固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或進(jìn)行其它地下工程活動(dòng)，可以采用電滲排水的方法降低地下水位。電滲排水和電化學(xué)加固電化學(xué)加固利用電滲電泳原理來改良軟粘土的工程性質(zhì)。雙液灌漿：在陽極管內(nèi)灌入氯化鈣溶液，在陰極管內(nèi)灌入水玻璃溶液，通直流電后生成一種不可溶的二氧化硅凝膠。二氧化硅凝膠既填充了土中的孔隙，又可提高顆粒之間的膠結(jié)力，從而使土體的強(qiáng)度提高。粘性土的結(jié)構(gòu)性粘性土的結(jié)構(gòu)性粘性土結(jié)構(gòu)性的產(chǎn)生粘土顆粒在沉積過程中，除受重力作用外，還受到靜電的吸力和排斥作用。粘性土的結(jié)構(gòu)性粘性土的結(jié)構(gòu)類型片堆結(jié)構(gòu)（分散結(jié)構(gòu)）吸引勢均勻分布于粘土顆粒表面，兩個(gè)顆粒相互平行地靠在一起，顆粒相互之間大致平行堆積。粘性土的結(jié)構(gòu)性粘性土的結(jié)構(gòu)類型絮凝結(jié)構(gòu)一個(gè)土顆粒的邊或角被吸附到另一個(gè)土顆粒的帶負(fù)電的面上，形成邊與面的接觸。粘性土的結(jié)構(gòu)性粘性土的結(jié)構(gòu)類型重塑結(jié)構(gòu)介于片堆結(jié)構(gòu)與絮凝結(jié)構(gòu)之間。粘性土的結(jié)構(gòu)性粘性土的結(jié)構(gòu)對其工程性質(zhì)的影響具有片堆結(jié)構(gòu)的土的力學(xué)和變形性質(zhì)具有明顯的方向性，豎向強(qiáng)度大于水平向的強(qiáng)度，水平向的滲透系數(shù)比豎直向大得多。具有絮凝結(jié)構(gòu)的土力學(xué)性質(zhì)無方向性，其結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定，在外力作用下結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生破