2.第二章黏性土的物理化学性质-wyj

1第二章黏性土的物理化学性质王亚军Physicalandchemicalpropertiesofclay第二章黏性土的物理化学性质黏性土与砂土性质显著不同原因黏粒粒组的含量与黏粒的矿物成分黏粒粒组：粒径小于0.005mm的土粒。矿物组分：主要是黏土矿物、少量其它碳酸盐矿物和有机物颗粒等。黏土矿物颗粒特征：比表面积大、颗粒之间以及颗粒与水之间的相互作用比较复杂，使黏土的物理化学性质与其它土存在较大的差别，如塑性、压缩性、强度等。黏土的物理化学性质特殊与其键力有关单位质量土颗粒所拥有的总表面积本章提要本章特点学习要点第二章黏性土的物理化学性质•键力的基本概念和黏土矿物结晶结构•黏土颗粒与介质的相互作用及其对黏土工程性质的影响•理论性较强，理论与工程实践结合•章节间联系紧密•理清各节间联系•理论的把握•注意对一些工程现象的理解3本章主要内容•§2.1健力的基本概念•§2.2黏土矿物颗粒的结晶结构•§2.3黏土颗粒的胶体化学性质•§2.4黏性土工程性质的利用和改良4§2.1键力的基本概念•健力：指原子与原子之间或分子与分子之间的一种联结力。健力化学健氢健分子健离子健共价健金属健介于主次健之间。氢原子核与其它带有负电荷的原子间的相互吸引力。影响范围较小，联结能较大。也称范德华健、次键或低能健，指分子与分子之间的联结力。影响范围最大，联结能最小不同元素的阳离子和阴离子之间的静电引力所形成的健力。构成新物质分子同一元素的两个原子以共有的外电层电子联结而成同一元素分子的联结力金属元素通过自由电子将金属原子或离子联结成金属晶格的力也称主键或高能健，指原子与原子之间的联结力。影响范围最小，联结能最大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健形成，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土粒间的联结强度。键力的强度与键力影响的范围成反比键力的强度与影响范围示意图§2.2黏土矿物颗粒的结晶结构•次生矿物，大都属硅酸盐。晶体的原子排列与其物理、化学性质关系密切。•其晶体的结晶结构主要由两个基本结构单元组成：硅氧四面体（硅片）和氢氧化铝八面体（铝片）。•黏土矿物是一种复合的铝-硅盐晶体，颗粒呈片状，是由硅片和铝片构成的晶包所组叠而成。据其组叠方式不同，可分成高岭石、伊利石和蒙脱石三种类型。7硅片铝片SiSi氧离子O2-硅离子Si4+硅-氧四面体硅片的结构硅片简图硅片：一个硅原子和四个氧原子以相等距离堆成四面体形状，硅居其中央，氧占据四个顶点，四面体底面上的三个氧被共用，以共价健的形式联结在一起，形成一个顶尖向上的四面体片。黏土矿物结构单元铝片：六个氢氧离子围绕一个铝离子构成的八面体。八面体中每个氢氧离子均为三个八面体共有，形成以八面体为单位的片状结构。OH1-铝离子Al3+铝-氢氧八面体铝片的结构铝片简图AlAl硅片铝片硅氧四面体和铝氢氧八面体这两种基本单元以不同的比例组合堆叠，形成不同类型的黏土矿物。黏性土中常见的黏土矿物有高岭石、伊利石和蒙脱石三大类。其结晶构造如下：黏土矿物结晶结构四面体片和八面体片之间的键力是主键联结，但结构单位层之间的联结则比较薄弱。当与周围介质接触时，就会显示出不同的工程性质。•晶层间通过氢键联结，联结力强，晶格不能自由活动，水难以进入晶格间•能组叠很多晶层，多达百个以上，成为一个颗粒。颗粒长宽约0.3-4m，厚约0.05-5m。•主要特征：颗粒较粗，亲水能力差,不容易吸水膨胀和失水收缩。三种主要黏土矿物的结晶构造：高岭石蒙脱石伊利石SiSiAlAl高岭石微粒1:1的两层晶格结构•晶层间是O2-对O2-的连结，联结力很弱，水很容易进入晶层之间。•每一颗粒能组叠的晶层数较少。颗粒大小约为0.1-1m，厚约0.001-0.01m。•主要特征：颗粒细微，亲水能力强,具有显著的吸水膨胀、失水收缩的特性。2:1的三层晶格结构SiSiAlAlSiSi高岭石蒙脱石伊利石三种主要黏土矿物的结晶构造：•是云母在碱性介质中风化的产物。•与蒙脱石相似，由两层硅片夹一层铝片所形成的三层结构，但晶层之间有钾离子连结。•主要特征：连结强度弱于高岭石而高于蒙脱石，其特征也介于两者之间。2:1的三层晶格结构SiSiAlAlSiSiSiSiAlAlSiSi钾离子高岭石蒙脱石伊利石三种主要黏土矿物的结晶构造：黏土矿物小结：矿物晶体结构特征，决定了其与水相互作用的形式，也就决定了黏性土的工程性质与含水量的关系。高岭石（氢键联结）黏土矿物的晶格构造蒙脱石伊利石粒径比表面积胀缩性渗透性强度压缩性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大9克蒙脱土的总表面积大约与一个足球场一样大黏土颗粒水分子阳离子玻璃筒玻璃皿水位升高黏土粒黏土膏+-黏土的电泳和电渗现象(列依斯,1807)原因：黏土矿物的带电特性第三节黏土颗粒的胶体化学性质研究表明：黏土颗粒的表面有电荷，净电荷通常为负电荷。在工程的应用？电泳：在电场作用下，带有负电荷的黏土颗粒向阳极移动的电动现象电渗：在电场作用下，水分子及水化阳离子向阴极移动的电动现象一、黏土颗粒带电原因（1）边缘破键造成电荷的不平衡（2）同晶离子置换作用（3）水化解离作用（4）选择性吸附作用—性质相同或相近离子相互吸附所以，各种不同类型的黏土矿物，因其结晶结构不同，工程性质的差异也很大。参见表2-1P29土中水根据受颗粒表面静电引力的强弱，可划分为：结合水吸附在土颗粒表面的水强结合水、弱结合水自由水电场引力作用范围之外的水二.双电层的概念土中水（液相）黏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，而且取决于水的形态、结构以及介质的物理条件及化学成分。-强结合水：（吸附层或固定层）•排列致密，密度在1.2~2.4g/cm3•冰点处于零下几十度•完全不能移动，具有固体的特性，不能传递静水压力•具有很大的黏滞性、弹性和抗剪强度•温度略高于100°C时可蒸发-弱结合水：（扩散层）•受电场引力作用，为黏滞水膜•密度在1.0~1.7g/cm3•外力作用下可以移动•不因重力而流动，有黏滞性•对黏性土的影响最大黏土颗粒引力d水分子阳离子强结合水弱结合水自由水结合水：受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动的水土中水–结合水双电层土粒表面负电荷与固定层和扩散层一起构成双电层。图2-7双电层的结构及其电位变化示意图1-1层为内层具有热力电位ε；2-2层为固定层具有电动电位ξ；3-3层为扩散层；4-4层为自由液体；a-b表示固体表面的电位ε；d-e表示液体表面电位ξ；bcd曲线表示固体与液体界面上的电位差；cd曲线表示固定层与扩散层之间的电位差水分子和阳离子的分布，愈靠近土粒表面，则排列得愈紧密和整齐，离子浓度愈高，活动性愈小。因此，扩散层的水化离子和极性水分子的活动性比固定层大，扩散层水膜厚度对黏性土的工程性质影响很大，扩散层厚度大，土的塑性就大，颗粒间的距离相对也大，土的膨胀和收缩性也大，压缩性也大，而强度相对降低。结论：影响扩散层厚度的因素扩散层的厚度首先取决于内层的热力电位。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，特别是水溶液中水化阳离子的性质、浓度、离子交换的能力等。333222eaagiaFAlHBCMKLN在工程的应用？阳离子原子价高，扩散层的厚度变薄；阳离子浓度大，扩散层的厚度变薄；阳离子直径大，扩散层的厚度变厚；阳离子交换能力，一般高价离子的交换能力大于低价离子；同价离子中，半径小的交换能力小于半径大的。常见离子交换能力顺序如下：扩散层水膜厚度对黏性土的工程性质有直接的影响，所以在工程实践中可利用这一机理来改良土质，增加土的稳定性。§2.4黏性土工程性质的利用和改良一、电渗排水和电化学加固（讨论）二、利用离子交换改良黏土的工程性质（讨论）治理膨胀土：高价离子置换低价离子，使扩散层水膜变薄主要由蒙脱石和伊利石所组成的黏土，具有吸水膨胀和失水收缩的特性。既能反映矿物成份，又能充分反映黏土颗粒含量活性指数0.002pcIApAc0.75Ac=0.75–1.25Ac1.25非活性黏土正常黏土活性黏土二、利用离子交换改良黏土的工程性质Aｃ越大，黏粒对土的可塑性影响越大。蒙脱石伊利石高岭石P0.002:黏粒（0.002mm）的质量占总土总质量的百分比若黏土试样的IP相同，则P0.002小的黏土，含有的黏土矿物的活动性比较大。因此，可据AC的大小，从宏观上来判断黏土矿物的成分。不同黏土矿物的AC大致有如下范围：蒙脱石为1~7；伊利石为0.5~1；高岭石为0.2~0.5。工程中常按AC把黏性土分为：土颗粒或粒团的空间排列和相互联结三.土的结构土粒间的作用力黏性土的结构性指标土体力学特性土的结构影响粗粒土的结构细粒土的结构说明土的组成和物理状态不是决定土的性质的全部因素，另一对土的性质很有影响的因素是土的结构原状土相同含水量相同密度粉碎重塑重塑土强度降低（一）土粒间的作用力重力毛细力胶结力颗粒表面力——土颗粒的自重形成的方向向下的力——砂土——土中毛细作用形成的力——细砂、粉土——土粒间的胶体物质产成的作用力.作用力是化合键，具有较高的强度——黏土——黏土——库仑力：——范德华力：颗粒表面的静电引力或斥力。随距离衰减的速度比范德华力慢颗粒接触点处的分子间引力,作用范围为几个分子的距离，是细粒土黏结在一起的主因。三、土的结构（二）粗粒土的结构•粒间作用力•排列形式•矿物成分单粒结构：重力堆积•示意图重力，毛细力点与点、点与面原生矿物•影响工程性质的因素土粒的粒组级配和形状、土粒在空间的相对位置决定其密实度（三）细粒土的结构黏土的结构性•粒间作用力•形成环境•排列形式•矿物成分库伦力、胶结力（斥力减小引力增加）片架结构(絮凝结构)片堆结构(分散结构)•示意图库伦力、胶结力（粒间斥力占优势）淡水中沉积海水中沉积次生矿物次生矿物天然条件下，可能是多种组合，或者由一种结构过渡向另一种结构。面与面边、角与面边、角与边•影响工程性质的因素土粒间的联结特征工程性质密度较大，力学和变形性质具有明显的方向性孔隙较大，对扰动敏感，性质较均匀，各向同性uutqqS（四）反映黏性土结构性的指标1.黏性土的灵敏度—St=St11-22-44-88-1616黏性土不灵敏低灵敏中等灵敏灵敏很灵敏流动原状土的无侧限抗压强度重塑土的无侧限抗压强度工程应用？讨论黏性土触变性的应用如泥浆护壁作用2.黏性土的触变性当饱和黏性土结构受扰动时，土会失去强度呈溶胶状，但静置一段时间，土粒间的联结会逐渐得到部分恢复，絮凝成土体，强度有所恢复。一旦受到振动或扰动，颗粒间的联结立即丧失，又呈现溶胶状。这种性质称为土的触变性。土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。四、黏性土的抗剪强度抗剪强度由两部分组成：内聚力c，与健力、黏合力等有关内摩擦力，与内摩擦角φ和正应力有关土是由固体颗粒组成的，土粒间的连结强度远远小于土粒本身的强度，故在外力作用下，土粒之间发生相对错动，引起土中的一部分相对于另一部分产生移动。土粒间抵抗这种相对移动的极限能力，称为土的抗剪强度。研究土的强度特征，就是研究土的抗剪强度特性，简称抗剪性。CABCAB剪切面活动性指数与抗剪强度的黏聚力与摩擦力分量之间的关系图内摩擦力与塑性指数之间的关系斯开普顿（1953）吉布森（1953）黏土颗粒带电特性黏性土的胶体化学性质土粒间的相互作用力和黏土矿物的物化性质土粒原子分子间健力黏性土工程性质的利用和改良矿物结晶结构土体的强度主要取决于粒间的联结电渗排水和电化学加固利用离子交换改良黏土的工程性质黏土的结构性（灵敏度、触变性）黏土的抗剪强度Endofchapt