第二章粘性土的物理化学性质
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共价键是同一种元素的两个原子以共有的外层电子联结而成同种元素的 分子，例如两个氢原子或两个氯原子，联结构成一个氢分子或氯分子。共价 键是有方向性的，方向角称为键角。
金属元素中的自由电子将金属原子或离子联结而成金属晶格，这种联结 力即为金属键。
2.1.2 分子键
粘性土的物理化学性质
分子键又称范德华（Van der Waals）键或次键、低能键。所谓分子 键就是指分子与分子之间的联结力。
粘性土的物理化学性质
黏粒本身所带的电荷层称决定电位离子层，向外首先是固 定层，其次为扩散层，固定层与扩散层统称为反离子层。决定 电位离子层与反离子层电性相反，共同构成双电层，如图2.5所 示。
2.3.3 影响扩散层厚度的因素
➢ 1）土粒的矿物成分与分散程度 ➢ 2）溶液的化学成分，浓度及PH值 ➢ 3）离子交换
粘性土的物理化学性质
表2-3给出了蒙脱石、伊利石和高岭石三种主要黏土矿物以 及吸附不同阳离子时所反应出来可塑性变化的情况。
2.5 本章小结
粘性土的物理化学性质
通过本章的学习了解土的矿物成分和化学成分，进而 了解粘土矿物颗粒的结晶结构，通过结晶结构的学习，了 解不同粘土矿物遇水以后工程性质表现差异的原因。理解 粘土颗粒表面带电的成因，重点掌握双电层与扩散层的概 念、影响扩散层厚度的因素、粘性土工程性质的利用和改 良及利用离子交换改良粘土的工程性质。
粘性土的物理化学性质
粘性土的物理化学性质
2.4 黏性土工程性质的利用和改良
2.4.1 电渗排水和电化学加固
在电场作用下，带有负电荷的黏土颗粒向阳极移动，这种 电动现象称为电泳；而水分子及水化阳离子向阴极移动，这种 电动现象称为电渗。
粘性土的物理化学性质
➢ 1）电渗排水 在渗透系数小于10-6cm/s的饱和软粘土地层中开挖基坑或
其它地下工程活动中，可以采用电渗排水的方法降低地下水位
➢ 2）电化学加固 案例：在需要加固的土中打入两根带有花眼的金属管，在阳极管
内灌注氯化钙(CaCI2)溶液，阴极管内灌入水玻璃Na2O.n(SiO2) 溶液。通直流电后，两个电极管中的正负水化离子就在孔隙水 中相向移动，当它们相互接触时，就发生化学反应，生成一种 不可溶的二氧化硅凝胶：
膨胀土在我国分布很广泛，主要是在广西、云南、贵州、 湖北、河北、河南、四川、安徽、陕西等地。呈区域性岛状分 布。国外主要在美国的中西部、非洲和南亚地区。
膨胀土病害对工程的危害十分严重。吸水后土的体积膨胀， 使其上的建筑物隆起，造成墙体开裂，管线破裂、道路路面产 生幅度很大的横向波浪形变形。雨季时路面渗水，导致路基软 化，在行车荷载下形成泥浆，并沿路面裂缝、伸缩缝处溅浆冒 泥。
2.2 黏土矿物颗粒的结晶结构
粘性土的物理化学性质
黏土矿物的结晶结构主要是由两个基本结构单元组成， 即：硅氧四面体和氢氧化铝八面体（也称三水铝石八面体）。
粘性土的物理化学性质
根据不同结晶格架，可形成很多种类的黏土矿物，硅氧四 面体和氢氧化铝八面体这两种基本单元以不同的比例组合，就 形成了不同类型的黏土矿物。土中常见的黏土矿物有高岭石、 伊利石、蒙脱石三大类。
虽然中性分子正负电荷相等，但由于分子的正电荷与负电荷的分布不 对称形成极性分子。在极性分子间相反电荷的偶极端相互接近时相互吸 引，所以该键力的产生是与分子的定向作用、诱导作用和分散作用有关。
一个非极性分子有可能受到邻近极性分子的 激发，非极性分子的正负电荷在极性分子电场的诱 导作用下发生位移产生诱导偶极，称为诱导范德 华力。分子的电子层在不停地转动，在转动的每瞬 间每瞬间也会出现瞬间偶极，由瞬间偶极产生的相 互吸引力，称为分散作用的范德华键力。
图2.1 水的极性分子
2.1.3 氢键
粘性土的物理化学性质
氢键是介于主键与次键之间的一种键力。氢原子失去一个 电子成为一个裸露的原子核，当它与其它带有负电荷的原子相 互吸引时，即构成特殊的氢键。由于氢离子尺寸小，只允许与 两个相邻原子靠拢，故氢键只能连接两个原子，如水分子 （H2O）。
黏性土土粒本身，大多数是由硅酸盐矿物所组成。土粒本 身的强度是由主键形成的，而土粒与土粒之间、土粒与水分子 之间的吸引力则由次键及氢键形成，粒间的联结力远比土粒本 身的强度小。土体的强度主要取决于粒间的联结。
粘性土的物理化学性质
各种不同类型的黏土矿物由于其结晶构造不同，其工程性 质的差异较大，黏土矿物的主要特性见表2-1。
2.3 黏土颗粒的胶体化学性质
2.3.1 黏土颗粒表面带电的成因 ➢ 1）边缘破键电荷的不平衡 ➢ 2）同晶替代 ➢ 3）水化解离作用 ➢ 4）选择性吸附
粘性土的物理化学性质
2.3.2 双电层与扩散层的概念
Na2O.n(SiO2)+CaCI2+xH2O→2NaCI+CaSiO2.xH2O+(n-1)SiO2
二氧化硅凝胶这种二氧化硅凝胶既填充了土中的孔隙，又 可提高颗粒之间的胶结力，从而使土体的强度提高。
2.4.2 利用离子交换改良黏土的工程性质
粘性土的物理化学性质
当粘土中粘土颗粒主要由强亲水性的蒙脱石和伊利石所组 成时，这类土具有吸水膨胀和失水收缩的特性，称为膨胀土。
2.1 键力的基本概念
粘性土的物理化学性质
键力是指原子与原子之间或分子与分子之间的一种联结力。
离子键 化学键 共价键
金属键 键力 分子键
氢键
2.1.1 化学键
粘性土的物理化学性质
原子与原子之间的连接称为化学键，也称为主键或高能键。
离子键是一种化学联结。它是由不同元素的原子通过化学反应，一种元 素的原子失去其最外电子层中的一个或多个电子成为阳离子，而另一种元素 的原子获得一个或多个电子成为阴离子。阳离子与阴离子之间的静电引力所 形成的键力即为离子键。
金属元素中的自由电子将金属原子或离子联结而成金属晶格，这种联结 力即为金属键。
2.1.2 分子键
粘性土的物理化学性质
分子键又称范德华（Van der Waals）键或次键、低能键。所谓分子 键就是指分子与分子之间的联结力。
粘性土的物理化学性质
黏粒本身所带的电荷层称决定电位离子层，向外首先是固 定层，其次为扩散层，固定层与扩散层统称为反离子层。决定 电位离子层与反离子层电性相反，共同构成双电层，如图2.5所 示。
2.3.3 影响扩散层厚度的因素
➢ 1）土粒的矿物成分与分散程度 ➢ 2）溶液的化学成分，浓度及PH值 ➢ 3）离子交换
粘性土的物理化学性质
表2-3给出了蒙脱石、伊利石和高岭石三种主要黏土矿物以 及吸附不同阳离子时所反应出来可塑性变化的情况。
2.5 本章小结
粘性土的物理化学性质
通过本章的学习了解土的矿物成分和化学成分，进而 了解粘土矿物颗粒的结晶结构，通过结晶结构的学习，了 解不同粘土矿物遇水以后工程性质表现差异的原因。理解 粘土颗粒表面带电的成因，重点掌握双电层与扩散层的概 念、影响扩散层厚度的因素、粘性土工程性质的利用和改 良及利用离子交换改良粘土的工程性质。
粘性土的物理化学性质
粘性土的物理化学性质
2.4 黏性土工程性质的利用和改良
2.4.1 电渗排水和电化学加固
在电场作用下，带有负电荷的黏土颗粒向阳极移动，这种 电动现象称为电泳；而水分子及水化阳离子向阴极移动，这种 电动现象称为电渗。
粘性土的物理化学性质
➢ 1）电渗排水 在渗透系数小于10-6cm/s的饱和软粘土地层中开挖基坑或
其它地下工程活动中，可以采用电渗排水的方法降低地下水位
➢ 2）电化学加固 案例：在需要加固的土中打入两根带有花眼的金属管，在阳极管
内灌注氯化钙(CaCI2)溶液，阴极管内灌入水玻璃Na2O.n(SiO2) 溶液。通直流电后，两个电极管中的正负水化离子就在孔隙水 中相向移动，当它们相互接触时，就发生化学反应，生成一种 不可溶的二氧化硅凝胶：
膨胀土在我国分布很广泛，主要是在广西、云南、贵州、 湖北、河北、河南、四川、安徽、陕西等地。呈区域性岛状分 布。国外主要在美国的中西部、非洲和南亚地区。
膨胀土病害对工程的危害十分严重。吸水后土的体积膨胀， 使其上的建筑物隆起，造成墙体开裂，管线破裂、道路路面产 生幅度很大的横向波浪形变形。雨季时路面渗水，导致路基软 化，在行车荷载下形成泥浆，并沿路面裂缝、伸缩缝处溅浆冒 泥。
2.2 黏土矿物颗粒的结晶结构
粘性土的物理化学性质
黏土矿物的结晶结构主要是由两个基本结构单元组成， 即：硅氧四面体和氢氧化铝八面体（也称三水铝石八面体）。
粘性土的物理化学性质
根据不同结晶格架，可形成很多种类的黏土矿物，硅氧四 面体和氢氧化铝八面体这两种基本单元以不同的比例组合，就 形成了不同类型的黏土矿物。土中常见的黏土矿物有高岭石、 伊利石、蒙脱石三大类。
虽然中性分子正负电荷相等，但由于分子的正电荷与负电荷的分布不 对称形成极性分子。在极性分子间相反电荷的偶极端相互接近时相互吸 引，所以该键力的产生是与分子的定向作用、诱导作用和分散作用有关。
一个非极性分子有可能受到邻近极性分子的 激发，非极性分子的正负电荷在极性分子电场的诱 导作用下发生位移产生诱导偶极，称为诱导范德 华力。分子的电子层在不停地转动，在转动的每瞬 间每瞬间也会出现瞬间偶极，由瞬间偶极产生的相 互吸引力，称为分散作用的范德华键力。
图2.1 水的极性分子
2.1.3 氢键
粘性土的物理化学性质
氢键是介于主键与次键之间的一种键力。氢原子失去一个 电子成为一个裸露的原子核，当它与其它带有负电荷的原子相 互吸引时，即构成特殊的氢键。由于氢离子尺寸小，只允许与 两个相邻原子靠拢，故氢键只能连接两个原子，如水分子 （H2O）。
黏性土土粒本身，大多数是由硅酸盐矿物所组成。土粒本 身的强度是由主键形成的，而土粒与土粒之间、土粒与水分子 之间的吸引力则由次键及氢键形成，粒间的联结力远比土粒本 身的强度小。土体的强度主要取决于粒间的联结。
粘性土的物理化学性质
各种不同类型的黏土矿物由于其结晶构造不同，其工程性 质的差异较大，黏土矿物的主要特性见表2-1。
2.3 黏土颗粒的胶体化学性质
2.3.1 黏土颗粒表面带电的成因 ➢ 1）边缘破键电荷的不平衡 ➢ 2）同晶替代 ➢ 3）水化解离作用 ➢ 4）选择性吸附
粘性土的物理化学性质
2.3.2 双电层与扩散层的概念
Na2O.n(SiO2)+CaCI2+xH2O→2NaCI+CaSiO2.xH2O+(n-1)SiO2
二氧化硅凝胶这种二氧化硅凝胶既填充了土中的孔隙，又 可提高颗粒之间的胶结力，从而使土体的强度提高。
2.4.2 利用离子交换改良黏土的工程性质
粘性土的物理化学性质
当粘土中粘土颗粒主要由强亲水性的蒙脱石和伊利石所组 成时，这类土具有吸水膨胀和失水收缩的特性，称为膨胀土。
2.1 键力的基本概念
粘性土的物理化学性质
键力是指原子与原子之间或分子与分子之间的一种联结力。
离子键 化学键 共价键
金属键 键力 分子键
氢键
2.1.1 化学键
粘性土的物理化学性质
原子与原子之间的连接称为化学键，也称为主键或高能键。
离子键是一种化学联结。它是由不同元素的原子通过化学反应，一种元 素的原子失去其最外电子层中的一个或多个电子成为阳离子，而另一种元素 的原子获得一个或多个电子成为阴离子。阳离子与阴离子之间的静电引力所 形成的键力即为离子键。