土质学与土力学第2章

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1、土质学与土力学人防教研室赵佩胜第二章粘性土的物理化学性质对于粒径小于0.002mm的粘土颗粒，其形状大多成片状，具很大的比表面，相互作用及与水的作用都很强烈，而相互作用与矿物的结晶结构有关，因此，先介绍一些化学键的概念。《土质学与土力学》多媒体课件人防工程教研室赵佩胜制作第一节键力的基本概念一、化学键1、离子键：一种元素失去电子成为阳离子，另一种元素的原子得到电子而成为阴离子。2、共价键：两个原子以共用电子对构成联结。3、金属键：金属原子与自由电子及离子组成的晶格相联结构成。化学键是主键，键力较大，影响范围为0.1~0.2μm，其能量相当于8.4~84J/kmol。《土质学与土力学

2、》多媒体课件人防工程教研室赵佩胜制作二、分子间键分子间键也称范德华（VanderWaals）键，属于次键，这与定向作用、诱导作用和分散作用有关。三、氢键氢键是介于主键和次键之间的一种键力。产生的原因是：氢原子在失去一个电子后成为裸露原子核，当遇其他带负电荷的原子时相互吸引形成氢键。由于氢离子尺寸很小，只能与两个相邻的原子结合。氢键的影响范围约为0.2~0.3μm，键能达21~42J/kmol。化学键组成了矿物本身的晶格，而土粒间的分子引力及氢键组成了土体的强度（几种主要键力的作用范围）。《土质学与土力学》多媒体课件人防工程教研室赵佩胜制作第二节粘土矿物颗粒的结晶结构粘土矿物大多是硅

3、酸盐矿物，经近代X—衍射法等测定，粘土矿物的结晶结构主要由两个基本结构单元组成。1、硅氧四面体（二氧化硅四面体）中心是Si4+，四个顶点是O2-，四面均为等边三角形。在矿物中组成六角形网格状或链状，称硅氧层（图2-2）。2、氢氧化铝八面体中心为Al3+，六个顶点为OH-，六个OH-等距离排列，八面体亦排列成网格状，称八面体层（片）（图2-2）。《土质学与土力学》多媒体课件人防工程教研室赵佩胜制作3、主要粘土矿物（1）高岭石（二层型）：一层四面体和一层八面体叠成晶片，1:1型结构，也称二层型。晶片间是O与OH相联结，还有氢键存在。晶片的长:宽:厚=10:10:1，比表面积15m2/g

4、，物理化学性质不活泼，浸水后膨胀性较小（图2-3）。（2）蒙脱石（三层型）：两层四面体和一层八面体堆成晶片，晶片长:宽:厚=100:100:1，层片间为O与O相联，键力较弱，易为水分子分开，比表面积800m2/g，化学性质活泼，遇水膨胀直至崩解，是膨胀收缩土的主要成分（图2-4）。（3）伊利石（三层型）：晶片结构与蒙脱石一致，局部硅被铝代替形成同晶置换，使晶体带负电吸附溶液中的K+，联结力增大，其性质介于高岭石与蒙脱石之间。比表面积80m2/g（图2-5）。《土质学与土力学》多媒体课件人防工程教研室赵佩胜制作第三节粘土颗粒的胶体化学性质一、粘土颗粒表面带电的原因1、断键：理想晶体内

5、部电荷是平衡的，但在边缘破裂处，由于破键而产生电荷不平衡，一般粘土颗粒带负电，个别也带正电的断键。2、同晶置换作用：硅氧四面体中的硅被低价的铝置换，八面体中的铝被铁、镁等置换，产生电荷不平衡，负电荷多而带负电。3、水化解离作用：次生SiO2表面与水作用形成偏硅酸层，在水中解离为H+和SiO32-，H+离子向水中扩散，而负离子连着晶格使土粒带负电。《土质学与土力学》多媒体课件人防工程教研室赵佩胜制作4、倍半氧化物的二重性：常用R2O3表示，其带电具有二重性，由溶液的PH值决定，PH大带负电。当不带电时水溶液的PH值为两性体的等电PH值。5、选择性吸附作用：土粒只吸附与其本身晶格中离子

6、成分相同或相近的离子。粘土颗粒表面带电的因素很多，要综合分析，但总的来说是带负电的多。《土质学与土力学》多媒体课件人防工程教研室赵佩胜制作二、双电层的概念粘粒表面带负电在土粒周围形成一个电场。水溶液中阳离子（水化阳离子）在电场作用下被土粒吸引，另一方面又受布朗运动的扩散力作用。这两种相反作用的结果使土粒周围产生阳离子不均匀分布。1、强结合水：紧靠土粒表面的水，受到极强的静电引力，在土粒表面形成的吸附水层。2、弱结合水：紧靠强结合水外围的一层水膜，孔隙水中水化阳离子溶液逐渐减少，至阳离子浓度正常为止称为扩散（又叫薄膜水）。土粒表面的负电荷、吸附层和扩散层构成双电层，土粒表面负电荷为内

7、层，扩散层为外层（图2-7）。《土质学与土力学》多媒体课件人防工程教研室赵佩胜制作三、影响扩散层厚度的因素土粒表面带电产生电场引起扩散层的存在，扩散层的厚度与电荷的多少，即电位的大小有关。土粒表面带电荷量的多少，可用土粒表面的电位势表示。假设在扩散层以外正常浓度处的电位为零，土粒与水溶液分界面上的电位称热力电位。表面负电荷大，则电位也大。电位取决于土粒的矿物成分、粒度成分和水溶液的PH值。1、扩散层的厚度在扩散层中电位的变化规律可近似地表示为：2、影响扩散层厚度的因素