土体工程黏土颗粒与水的相互作用

1黏土颗粒与水的相互作用黏土矿物的颗粒极度细小，具有很大的比表面积。比表面积是单位体积或单位质量土颗粒的总表面积。颗粒越细小，则比表面积越大，其表面能也越大。土中的水实际上并不是纯净的水，往往表现为成分复杂的电解质水溶液。土中黏土颗粒与水之间并不是简单的混合接触关系，而是存在着极为复杂的物理化学作用。一种（或几种）物质的微粒均匀分散于另一种物质里形成的混合物称为分散系，微粒分散在其中的物质称为分散剂（也称分散介质），分散成微粒的物质称为分散质（当与分散剂不同相时，也常称为分散相）。溶液、溶剂和溶质就分别为分散系、分散剂和分散质。常见的分散系除了溶液外，还有胶体、悬浊液、乳浊液等。溶液中的溶质被分散成离子或分子形式，微粒直径一般小于1nm。分散质微粒直径介于1～100nm的液态分散系称为胶体。固体分散质微粒直径大于100nm的液态分散系称为悬浊液（简称悬液）。胶体或悬液具有一些独特的性质：1）用超显微镜可观察到分散质微粒作布朗运动；2）分散质微粒带电，在直流电场作用下会产生电泳现象，即分散质微粒向与其电性相反的电极作定向移动；23）稳定分散的胶体或悬液遇电解质会产生凝聚现象，即分散质微粒相互聚集而形成沉淀。黏土矿物的粒径小于0.005mm，颗粒大小相当于悬粒或胶粒，因此，饱和土中的黏土颗粒也具有一系列胶体化学特性。双电层现象和离子交换现象是黏土颗粒与水相互作用的两种重要形式，对土的工程性质有着极为重大的影响。31双电层现象1）黏土颗粒表面带电现象带电现象的验证——REUSS实验电泳现象：在直流电场作用下，带负电荷的黏土颗粒向阳极作定向移动。电渗现象：在直流电场作用下，水合阳离子，即吸附水分子的阳离子，则向阴极作定向移动。电泳和电渗同时发生，统称电动现象。黏土颗粒带电原因⑴水化离解作用次生二氧化硅水解三氧化二物——两性体两性体的等电pH值黏土矿物的硅铝率——黏土矿物中二氧化硅含量与三氧化二物含量的比值。黏土矿物的等电pH值⑵同晶置换作用⑶选择性吸附作用⑷破键作用黏土颗粒表面带有电荷，通常情况下，绝大部分是带负电荷。42）双电层表面带有一定量负电荷的黏土颗粒，将吸引水溶液中的阳离子而排斥阴离子。但被吸附的在土粒表面的阳离子通常并不是单独的阳离子，而是水合阳离子。水合阳离子的体积相对较大，阻碍着其在土粒表面的无限制密集。这些水合阳离子既受到土粒表面的静电引力作用，同时又受到本身热运动的扩散作用。因此，黏土颗粒周围的阳离子分布是不均匀的，越近土粒表面，阳离子浓度越大；随着离土粒表面距离的增大，静电引力减小，阳离子的浓度也逐渐降低，直至达到孔隙中水溶液的正常浓度为止。而被土粒表面负电荷所排斥的阴离子，随着离土粒表面距离的增大，静电斥力减小，其浓度则逐渐增高，最后阴离子也同时达到水溶液中的正常浓度。与黏土颗粒表面电性相反的离子称为反离子。当黏土颗粒表面带有负电荷时，反离子即为阳离子。黏土颗粒表面外侧至水溶液中的阴、阳离子达到正常浓度这一范围，称为反离子层。土粒表面所带的负电荷层与受土粒表面负电荷影响的反离子层合称为双电层，其示意图见图2-1-6。土粒表面的负电荷层构成双电层的内层，反离子层则构成双电层的外层，内层与外层的电性相反、各自所带的总电荷量相等。5图2-1-6双电层及其电位示意图1-内层；2-固定层；3-扩散层；4-正常离子浓度水溶液；ab-ε电位；c-ξ电位；de-零电位；bcd-反离子层内电位变化反离子层又细分为固定层和扩散层。固定层是指紧靠土粒表面，水合反离子被牢固吸引而排列非常紧密的范围，该层的厚度非常薄，层内的水分子构成强结合水。固定层的外围则为扩散层，该层的厚度随环境因素变化，层内各种形态的水分子构成弱结合水。反离子层内存在两个特征电位。若以水溶液中离子正常浓度处为零电位，反离子层与黏土颗粒界面处的电位（绝对值），称为热力电位（ε电位），其值与土粒的矿物成分、颗粒形状与大小及水溶液的pH值等因素有关。固定层与扩散层界面处的电位（绝对值），称为电动电位（ξ电位）。电动电位值首先取决于热力电位，热力电位高则电动电位亦高。6当热力电位为定值时，理论上电动电位值主要取决于正常浓度处水溶液的离子浓度、反离子层中反离子的离子价等因素。电动电位是产生电动现象的原因，且与扩散层的厚度直接相关，电动电位降低对应于扩散层厚度变薄。扩散层的厚度对黏性土的工程性质具有重大意义，土的黏性、塑性、胀缩性、压缩性、强度等特性均直接与此相关。因此，扩散层的厚度变化是引起黏性土物理力学性质变化的主要原因。影响电动电位（包括热力电位）的各种因素均为影响扩散层的厚度的因素，主要有下列几方面。1）黏土颗粒的矿物成分和分散程度蒙脱石的热力电位较高岭石的高，其扩散层的厚度相应也大。土越分散，则比表面积越大，扩散层厚度的总量也越大。2）水溶液的pH值当黏土颗粒表面带负电荷时，热力电位将随水溶液pH值的增大而升高，扩散层的厚度也将相应增大。3）离子浓度正常浓度处水溶液的离子浓度越高，则扩散层的厚度越小。4）离子价反离子层中反离子的化合价越高，则扩散层的厚度越小。72土粒间的相互作用排斥力—渗透压力差主要影响因素：①水溶液离子浓度②离子价③土粒间距④水溶液pH值⑤介电常数吸引力—范德华力主要影响因素：①介电常数②温度作用结果：排斥力＞吸引力，——稳定分散状态；排斥力＝吸引力，——缓慢絮凝状态；排斥力＜吸引力，——快速絮凝状态。83离子交换现象离子交换一般是指反离子层中被黏土颗粒吸附的离子与正常浓度处水溶液中的同性离子在总电荷量相等的条件下进行相互交换。离子交换主要发生在扩散层与水溶液之间，由于黏土颗粒表面通常带的是负电荷，故离子交换以阳离子交换为主，但也可出现阴离子交换。离子交换的特征是：离子交换按当量进行，交换反应具可逆性，离子交换服从质量作用定律。具有交换能力的离子称为交换离子。土的离子交换特性可用离子交换容量来表示。土的离子交换容量是指一定量的土，在一定条件下，土中所有土粒反离子层内具有交换能力的离子总数，以每一百克干土中所含交换离子的毫摩尔数表示（mmol/100g）。离子交换容量是反映土的性质的定量指标，土的离子交换容量越大，表明土中离子的交换能力越强，土对于水溶液物理化学条件的变化越敏感。离子交换容量大的土，其性质易随环境条件的变化而变化，但另一方面，这类土也易于用人工方法对其性质进行改良。土的离子交换容量并非一个常量，与土的矿物成分和粒度成分、水溶液的离子浓度和离子的交换能力及pH值等因素有关。1）矿物成分原生矿物的离子交换容量极小，次生矿物的交换容量视其结晶结构而异。虽然一定的矿物没有固定的离子交换容量，但不同的矿物具有不同的交换容量变化范围。黏土矿物按交换容量大9小的排列顺序为：蒙脱石（80～150mmol/100g）＞伊利石（10～40mmol/100g）＞高岭石（3～15mmol/100g）。2）土颗粒的分散程度和结构特征土颗粒越分散，则离子交换容量越大。土结构越紧密，则离子交换容量越小。3）离子的交换能力阳离子的交换能力主要取决个离子价、离子大小及离子浓度。一般高价离子的交换能力大于低价离子，同价离子中离子半径大的交换能力大于离子半径小的。在离子浓度相等的条件下，阳离子交换能力的排列顺序为：Fe3+＞Al3+＞H+＞Ba2+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+阴离子交换能力的排列顺序为：OH-＞PO34＞SiO23＞SO24＞Cl-4)水溶液的离子浓度由于离子交换具可逆性、并服从质量作用定律，正常水溶液处的离子浓度决定交换反应的方向，水溶液离子浓度的变化将引起化学平衡的移动，并改变离子的交换能力。5）水溶液的pH值当黏土颗粒表面带负电荷时，水溶液pH值降低将导致阳离子交换容量减小。当pH值降低至黏土颗粒表面带正电荷时，将产生阴离子交换现象。离子交换的重要意义在于离子交换的结果会改变土粒表面扩散层的厚度，从而改变土粒间的相互作用力，导致土的物理力学性质发生变化。这就意味着可以利用离子交换来改变土的工程性质。实际工程中，一般可通过离子交换来减小扩散层的厚度，从而改良土的工程性质。另一方面，也可通过离子交换来增大扩散层的厚度，10提高土的防渗能力用于隔水。离子交换是进行地基化学加固的重要理论基础。