土力学 第二章 粘性土的物理化学性质

第二章 粘性土的物理化学性质
内容提要
本章主要讨论决定粘性土的宏观物理化学性 质的微观结构特征。主要包括：
键力的基本概念
粘土矿物颗粒的结晶结构
粘土颗粒的胶体化学性质
粘性土工程性质的利用和改良
粘性土特有的性质及成因
粘性土随着含水量的不同会呈现不同的 物理状态。
这种性质主要取决于粘粒粒组的含量与 粘粒的矿物成分。
电渗排水和电化学加固
电泳与电渗
在电场作用下，带有负电荷的粘土颗粒
向阳极移动，这种电动现象称为电泳。
水分子及水化阳离子向阴极移动，这种
电动现象称为电渗。
电渗排水和电化学加固
电渗排水
在渗透系数小于 10-6cm/s 的饱和软粘土地
层中开挖基坑或进行其它地下工程活动， 可以采用电渗排水的方法降低地下水位。
两个同性原子形成同一元素分子的联结
力称为共价键。
通过自由电子将原子或离子联结成金属
晶格的联结力为金属键。
总
结
离子键、共价键和金属键都属于主键。 主键的影响范围最小，约为 0.1~0.2μm ，
而其联结能最大，相当于 8.4 ～ 84J/kmol 。
分子键
分子键又称范德华（Van Der Waals）键
粘性土的各种工程性质（可塑性、压缩性、强度
等）主要受组成粘性土的粘土矿物的结晶结构特 征以及矿物颗粒与周围介质的相互作用所制约。
第一节 键力的基本概念
所谓键力是指组成粘土矿物的原子与原子
之间或分子与分子之间的一种联结力。
键力的类型：
化学键 分子键 氢键
化学键
原子与原子之间的联结称为化学键，也称
粘土颗粒在沉积过程中，除受重力作用外，
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。
分子间键力的影响范围比离子键力大得
多，约为0.3～10μm，但其键能则比离子 键能小得多，约为2.1～21J/kmol。
分子键的形成与影响因素
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 互接近时相互吸引就产 生分子键。 分子键的产生是与分子 的定向作用、诱导作用 和分散作用有关。
表面积大约与一 个足球场一样大 高岭石 伊利石
粒 径 比表面积 胀 缩 性 强 度 压 缩 性 大 10-20m2/g 小 大 小 中 80-100m2/g 中 中 中
蒙脱石 小 800m2/g 大 小 大
分析
四面体片和八面体片之间都是共用一个原子，
所以四面体片与八面体片间的键力为主键联结， 但结构单位层间的联结则比较薄弱。
氧八面体） 4个铝—氢氧八面体组成一个铝片，每个氢氧离子都被相邻两个 铝离子所共有。
粘土矿物的结晶结构
粘土矿物根据四面体片（硅片）与八面 体片（铝片）的不同组合堆叠形式，形 成了三种主要的粘土矿物：
高岭石 蒙脱石 伊利石
高岭石
由一个四面体片与一个八面体片重复堆叠而成。 称为1:1型结构单位层，也称为二层结构型。
比表面积
所谓比表面积就是单位体积内颗粒表面积
的总和。
颗粒越细，比表面积越大，表面能越大。
粘土矿物的粒径小于 0.005mm，具有很大
的比表面积。
粘性土物理化学特性的本质
粘土矿物可分为蒙脱石、伊利石和高岭石三种类
型。它们各自具有不同的结晶结构特征。 键 力 结晶结构特征：即组成矿物的原子和分子的排列 以及它们之间的联结力。
电渗排水和电化学加固
电化学加固
利用电渗电泳原理来改良软粘土的工程性质。
双液灌浆：在阳极管内灌入氯化钙溶液，在阴
极管内灌入水玻璃溶液，通直流电后生成一种
不可溶的二氧化硅凝胶。
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。
粘性土的结构性
粘性土的结构性
粘性土结构性的产生
为主键或高能键。
根据联结的形式又可分为离子键、共价键
和金属键三种。
离子键
离子键是一种化学联结。 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。
阳离子交换的能力。
扩散层厚度 对粘性土工程性质的影响
扩散层水膜厚度对粘性土的工程性质有
直接的影响。
水膜厚度大，土的塑性高；土颗粒之间
的距离相对也大，因此土体的膨胀性和 收缩性大，土的压缩性也大，而强度相 对降低。
自由水
自由水又称重力水，是指不受土粒表面电荷
电场影响的水。
自由水的性质和普通水一样，能传递静水压
硅氧四面体中的硅原子常为铝或其它低 价的阳离子置换；氢氧化铝八面体中的 铝原子又常为铁、镁离子所置换，置换 后引起电荷的不平衡，在颗粒表面产生 了过剩的未饱和负电荷，使粘土颗粒表 面带负电。
水化解离作用
粘土矿物颗粒表面与水作用，会形成一层偏 硅酸（ H2SiO3 ），偏硅酸在水中离解为 H ＋ 选择性吸附 和 SiO32－离子， H＋ 向水溶液中扩散，而硅 酸根SiO32－与晶格不分离，从而使颗粒表面 带有负电荷。
伊利石矿物在单位层面之间嵌有带正电荷的钾
离子，单位层之间的联结强度介于高岭石和蒙
脱石之间，其膨胀性及压缩性也介于高岭石和
蒙脱石之间。
第三节 粘土颗粒的胶体化学性质
粘 土 颗 粒 的 粒 径 非 常 微 小 （ 小 于
0.005mm ），在介质中具有明显的胶体 化学特性（如具有吸附能力），这起源 粘土颗粒 于粘土颗粒表面带电性。 - + - +- 粘土颗粒表面带电的成因 水分子 - ++ 边缘破键造成电荷不平衡 同晶置换作用
分子键的能量大小与温度有关，当温度升高时，其
能量就减小。
氢 键
氢键是介于主键和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，
当它与带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。 氢键的影响范围很小，约为 0.2～ 0.3μm， 键能达21～42J/kmol。
水分子的极性
水具有许多特点，如介
电常数高、表面张力小、 压缩性低等。 水分子是一个极性分子， 氢原子一端显示正电荷， 氧原子一端显示负电荷， 在电场作用下具有定向 排列的特性；同时它极 易与被溶解的物质，如 水中的阳离子结合而形 成水化离子。
结合水的形成
由于土颗粒表 面通常带有负电 荷，因此水在带 电固体颗粒之间 受到电荷电场的 （吸引）作用， 水分子和水化阳 离子就会向颗粒 周围聚集。
力，在水头差作用下发生流动，冰点为 0 ℃ ， 具有溶解能力。
第四节 粘性土工程性质 的利用和改良
电渗排水和电化学加固
电渗试验
现象： 在阳极管中，水自下而上 地浑浊起来，与此同时， 水位逐渐下降； 在阴极管中，水仍是极其 清澈，但水位逐渐上升。 原因： 粘土颗粒向阳极移动； 水 分子 及 水化 阳离 子 向阴 极移动。
离子键是无方向性的。
共价键
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。
共价键是有方向性的，方向角称为键角。
金属键
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。
总
结
不同元素的原子通过化学反应构成一种
新的物质分子，异性原子之间的联结力 称为离子键。
强结合水层称为吸附层或固定层。
弱结合水
固定层 扩散层 弱结合水就是紧靠强结合水外围的一层水膜。在这 自由水 内 层 层水膜范围内的水分子和水化阳离子仍然受到一定 程度的静电引力，离土颗粒表面距离越远，受到的 静电引力越小。
热力电位 弱结合水不能传递静水压力，但水膜较厚处的弱结 电动电位
键力与强度
土粒本身的强度是由主键形成的；
土粒与土粒之间、土粒与水分子之间的吸引
力由次键和氢键形成；
土粒之间的联结力远小于土粒本身的强度，
土体的强度主要取决于土粒之间的联结。
第二节 粘土矿物颗粒的结晶结构
粘土矿物结晶结构组成
粘土矿物结晶结构的基本结构单元：
硅氧四面体 氢氧化铝八面体（三水铝石八面体）
硅氧四面体晶体单元
基本单元： 硅-氧四面体
四个氧离子构成一个等边的四面体，四面体四个面均为等边
三角形，在四面体的中心位置有一个硅离子。(硅-氧四面体) 六个硅-氧四面体组成一个硅片，每个四面体底面上有一个氧 离子与相邻四面体共用。
氢氧化铝八面体结晶单元
基本单元： 铝-氢氧八面体
由6个氧或氢氧离子以相等的距离排列，铝原子居中。（铝—氢
高 岭 石
（氢键联结）
高岭石
蒙脱石
由两个四面体晶片中间夹一个八面体晶片堆叠而成。 称为2:1型结构单位层，亦称为三层结构型。
蒙 脱 石
蒙脱石
伊利石
伊利石的晶格构造与蒙脱石相似，同属 2:1 型结构
单位层，但在四面体片之间六角形网格眼中央嵌 有一个钾离子。
伊 利 石
伊利石
三种粘土矿物物理性质的比较 9克蒙脱土的总
阳离子
水化解离作用
选择性吸附
边缘破键造成电荷不平衡
理想晶体的内部正负电荷是平衡的，粘土
颗粒粒径非常微小，是一个高分散体系， 在颗粒外部边缘处结晶格架的连续性受到 破坏，从而造成电荷的不平衡。这些被破 坏的键常使粘土颗粒带有净负电荷。
颗粒越细，破键越多，所以比表面越大，
表面能就越大。
同晶置换作用
土中水的类型
根据受土颗粒表 面静电作用的 强弱，可以将 土中水划分为 三种类型： 强结合水 弱结合水 自由水
1—双电层；2—吸附层（固定层）；3—扩散层；
4—吸附结合层；5—渗透吸附层；6—自由水
强结合水
强结合水是指紧靠土颗粒表面的特征和物理性质：
蒙脱石的物理性质
蒙脱石类粘土矿物中，结构单位层之间为氧与
氧联结，其键力很弱，易为具有氢键的强极化 水分子楔入所分开。
组成蒙脱石类粘土矿物的八面体结构单元中会
产生水化阳离子，水化阳离子进入结构单位层 之间使层间距离增大。
蒙脱石的晶格活动性极大，膨胀性与压缩性都
比高岭石大得多。
伊利石的的物理性质
没有溶解能力，不能传递静水压力； 极其牢固地结合在土颗粒表面上，不能自由移动， 只有吸热变成蒸汽时才能移动。 性质接近于固体，具有极大的粘滞性，具有一定的 抗剪强度；
密度约为1.2～2.4g／cm3，冰点为－78℃。
强结合水
如果将完全干燥的土移置在天然湿度的空气中，
则土的重量将增加，直到土中吸附强结合水达到 最大容量为止。土颗粒越细，土的比表面积越大， 则最大吸湿容量就越大。
选择性吸附
所谓选择性吸附，就是颗粒只吸附与其本身晶
格中离子成分相同或相近的离子。
例如，CaCO3在Na2CO3溶液中只吸附CO32－， 如把 CaCO3 置于CaCl2 溶液中，则吸附Ca2+。
三类粘土矿物工程性质的比较
矿物颗粒的直径：高岭石>伊利石>蒙脱石。 蒙脱石的比表面积为高岭石的 80倍，为伊利
合水能向邻近较薄水膜处缓慢转移。
面负电荷一起构成所谓双电层。
弱结合水层称为扩散层。固定层和扩散层与土粒表
扩散层厚度的影响因素
扩散层的厚度首先取决于内层热力电位。 当内层电位一定时，扩散层的厚度可随外界条件
的变化而变化：
水溶液中水化阳离子的价数； 水化阳离子的浓度；
水化阳离子的直径；
当具有不同晶体结构的粘土矿物与周围介质接
触时，就会显示出不同的工程性质。
高岭石的物理性质
高岭石类粘土矿物中，结构单位层之间为氧与
氢氧或氢氧与氢氧离子相联结，单位层与单位 层之间除范德华键外，还有氢键，能提供较强 的联结力。
高岭石在水中，结构单位层之间不会分散，晶
格活动性小，浸水后结构单位层间的距离变化 很小，所以高岭石的膨胀性和压缩性都很小。
石的10倍。
蒙脱石塑性指数可达100～650；压缩性为高
岭石的5～15倍；有效内摩擦角也最小。
双电层的概念
土中水与矿物颗粒的相互作用
粘土矿物晶格构造不同，对工程性质的影响，
本质上是这些矿物的颗粒与土中水相互作用的 反映。 土中水与固体颗粒之间并不是机械地混合，而 是有机地参加土的结构，是一种复杂的物理化 学作用。 土的性质不仅取决于水的绝对含量，而且取决 于水的存在形态、结构以及介质的物理条件和 化学成分。