（水利工程专业论文）公路工程中膨胀土判别试验研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 近年来，高等级公路建设发展迅速，有许多新建线路要通过膨胀土分布地区。本文 选择了曲阜菏泽高速公路第四合同段、荆门宜昌第三合同段作为采样地点，对其中 部分膨胀土路段开展了一般物理性质试验、膨胀性能试验、物理化学分析试验和微观结 构分析试验等一系列的试验，具有一定的实际意义。 文章力求从膨胀土的胀缩机理出发，对现有的膨胀土分类方法进行了总结与改进， 提出了能反映膨胀土本质，科学、简便的，易行的标准吸湿含水率测定法对膨胀土的指 标进行判别和分类，采用人工配置土样与现场采集土样进行试验对比，两者结果比较吻 合这对膨胀土地区公路勘察设计水平的提高和膨胀土的岩土工程评价都具有重大的理 论意义。 关键词：膨胀土：标准吸湿含水率；判别；分类 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n g 、v i t h o l 】rc o u i i 时e n o m i cd e v e l 叩m 邸t ，i nr c c e n t ”a r s ，行r s k l 船sh i 曲w a y c o f 咖c 虹o nd 州e l o p m e mr a p i d 。s o m em a n yn 州yb u i nl i 髓sm u s td i s 啊b u t et h ea r e a t l h d u 曲t t 忙i n 们a t i o ne a r t l l t i l ek m m w 量l i c ht h ei n f l a t i o ne a 埘lc 坤a t e sa r eh e a v i e lt 1 1 i s 删c i e h a sc h o s e nt h eq u m h e 踞i l i 分m 愠yf o u r t hc o 咖c t s e c t o n m ej m g m e n - c 1 1 船gt l l i r d c o n h 硼s e c t i o na c l l j e v e r n e n ts a m p l i n gp l a c e ，h 蓝c a 耐c do u ti h eg e n 训p h y s i c a jp r o p e r t y e x p e d m e l i t ，t l l ei n n a t i o np e 面皿锄c c 懈呜t l l ep h y s c o c h e i i l i c a la n a l y s i se x p 甜m 蜘t a 1 1 dt h e m l c m s c o p i cs m i c t i l r e 柚a l y t i c a l i n v e s i i 髓廿o n t o p a no f i n n a t i o ne a 】恤t o a d 驿c t i o n a n ds o 叩 船e r i e so f “p e r i m 即t s ，h 踮t i l ec e m i np m d i c a ls i 印i 行c a n c e t h ea r t c l em a k e se v e r ye 丘b r t 丘o mt h ei n n a t i o ne a r t h 名i l l f i 撕o nt os 埘n km e m e c t l a i l i s mt 0e m b 酞，h 勰训o d 吼t h es u m m a r ya n dm e i m p r o v e m e n tt ot l l ee x i s t i n g i n n 砒i o ne a m lc h s s i f i c 葺呖o nm e t i l o d ，印p o d 咖他n e c tt h ei n n a t i o ne a n he s s e n c e ，帕 i e m e ，a r es i m p l e ，e a s yt oi m p l 锄e l i t i n gs 伯n d a r dm o i s t l | i ea b r p t i o nn i o i s n 鹏c o 删 m e 聊 n g m e t h 。d t d m n a t e s 也e e 耐h m e 钳孵主o c 盯f y o n m ed i s t i 玳喧i o n 托d 也e c i 器s i f i c a t i o n ，憾e st 量i cl n a n u a ld i s p o s “i o n i l 鞠m p l ea n d 】e 船即e g a t h e n gs o i ls 锄p l e c a 晡韩o nt i i ee x 耐m l a lc o n t r a s t ，咖托s i i l t s m p 撕璐t a l l i e s ，虹st oi n 玎a t c st 沁l a l 柑 d i s m c tk 曲w a y 陀c o n n a i s s a i l c ed e s i g ni e v e lt l l ec | h 锄c e m e ma n dt h ci 1 1 f l a t i o nc a n hc f a g e a n hp r o j e c ta p p r a i s a la i ih a st 1 1 es i 印m c a n tt h e o r ys i 印j 6 c 鲫c e k e y w o r d s ：i n 丑a t i 蚰l ；s 删a r dm o i s n | r ea b s o r p 石d nm o i s t i l 地伽f l 把n t ；d i s n n c t i o n ； c l a s s i 石c m i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定1 一：瑚新躲群 山东大学r j 犟硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究目的和意义 随着我国经济建设的发展，近年来，高等级公路建设发展迅速，有许多 新建线路要通过膨胀土分布地区。中国膨胀土主要分布于黄河流域及其以南 地区，其中以云南、广西、湖北、安徽，河北、河南等地的膨胀土造成的危 害较重；山东地区的膨胀土分布虽不十分广泛但仍有一定数量，如：山东省 的鲁西南地区，由于其有关膨胀土的资料积累相对较少，因此很有必要开展 膨胀土性质的试验研究。本文选择了衄阜菏泽第四合同段、荆门宜昌第 三合同段高速公路作为采样地点，对其中部分膨胀土路段开展了一般物理性 质试验、膨胀性能试验、物理化学分析试验和微观结构分析试验等一系列的 试验研究。 膨胀土作为一种区域性特殊土，它含有大量的亲水矿物，在湿度变化时 发生较大体积变化，当其变形受到约束时可产生较大的内应力。膨胀土的不 良工程性质会对路基和边坡造成严重破坏，所以膨胀土分布路段常常是公路 地质灾害多发地段。因此，如何将膨胀土与一般粘性土区分开来就成为膨胀 土地区1 程建设的一项很重要的工作。因为若将膨胀土判为非膨胀土则有 可能给工程建设留下隐患，而若将普通粘性土判为膨胀土，则将会因采取不 必要的的工程措施而造成经济浪费。所以，膨胀土判别作为一项具有重要意 义的先行性工作而一直受到人们的重视。 1 2 本文主要的研究内容 1 9 9 6 年公路路基设计规范( j t j 0 1 3 9 5 ) 给出膨胀土的定义：膨 胀土系指土中含有较多的粘粒及亲水性较强的蒙脱石或伊利石等粘土矿物 成分，它遇水膨胀，失水收缩，是一种特殊膨胀结构的粘性土。从这个定义 上看，膨胀土的主要特性是膨胀和收缩。但膨胀和收缩是一个十分复杂的问 题，不仅仅是遇水膨胀和失水收缩这么简单。在增加溶液电解质浓度的情况 下，即使是遇水，膨胀土也会产生收缩现象。因此，膨胀土的膨胀和收缩是 在水和电解质共同作用下的结果。另外，定义中指土中含有较多的亲水性较 强的蒙脱石或伊利石等粘士矿物成分的说法也不确叨。如果膨胀土中仅含有 伊利石显示不出膨胀土较强的膨胀与收缩特性，伊利石的特性仅为蒙脱石的 l 山东大学硕士学位论文 十分之一，膨胀土的胀缩特性主要是由亲水性黏土矿物蒙脱石决定的。因此， 我们认为膨胀土地区建筑技术规范给出的膨胀土定义更为恰当：膨胀 是土中粘粮成分主要是由亲水矿物组成同时具有显著的吸水膨胀和失水收 缩两种变形特性的粘性土。从这个定义出发，我国各部门各行业选用了一些 与膨胀土的膨胀和收缩直接和间接有关的一些指标对膨胀土进行分类，如自 由膨胀率珏、液限盯塑性指数小于2 脚的秸粒含量、蒙脱石含量、 比表面积，阳离子交换量等等。导致分类结果也有较大区别。g b l l 2 8 7 颁布 以后，将原来的膨胀土分类简化到了仅用自由膨胀率一个指标。到现在为止， 用自由膨胀率对膨胀土进行分类已经积累了丰富的资料。自由膨胀率由 h o l t s ，w g 和g i b b s ，j j 1 9 5 7 年首先提出，为松散的烘干土粒在水中和空 气中分别自由堆积的体积之差与在空气中自由堆积体积之比，以百分数表 示，用以确定无结构力的松散土粒在水中的膨胀特性，与粘土的矿物成分， 胶粒含量，化学成分和水溶液性质有着密切关系，自由膨胀率不仅受试验操 作方法的影响，如土样制备，量简大小，凝聚级施加与否搅拌次数，搅拌时 间和浸润时间等，而且理论上存在许多不足之处，自由膨胀率的大小不仅直 接受颗粒的势能状态，外貌特性的影响，而且受颗粒在量筒中沉淀体积的介 质条件包括；介质成分、电解质浓度，介质p h 值、介质温度等影响。1 0 c m 3 标准量筒测得的土的密度相差很大，他们之间的以，缺乏可比性，因此，自由 膨胀率不是理想的判别膨胀土的指标。北京1 9 9 7 年膨胀土试验工作会议统 计：以自由率4 0 为判别界限。有1 1 膨胀土误判为非膨胀土，有4 的膨胀 土误判为非膨胀土，因此，一直以来人们对自由膨胀率妇的科学性和可靠性 提出质疑。 膨胀土的分类不应该和土的状态参数( 含水量等) 有关，应该是由膨胀 土的本质特性参数决定的。膨胀土的分类标准也不应该是很多指标的堆积， 因为膨胀士的很多指标都是反映膨胀土的同一个本质，它们是线性相关的， 只有选用反映膨胀土的不同性质的指标才能全面反映膨胀土的本质。才能使 膨胀土的分类具有科学性和可靠性。因此，弄清膨胀与收缩机理是进行膨胀 土分类的基础。本文力求从膨胀土的胀缩机理出发，对现有的膨胀士分类方 法进行改进，提出能反映膨胀土本质，科学，简便的，易行的膨胀土分类指 标和分类方法这对于膨胀土地区公路勘察设计水平的提高具有重大的理论 山东大学工程硕士学位论文 意义，对于膨胀土的岩土工程的评价具有重要的意义。 1 ) 概述膨胀土的胀缩枫理过程和膨胀土分类方法的现状，对膨胀土现 有的胀缩机理和分类方法进行分析和总结，通过对现有的胀缩机理和分类 指标进行分析，明确本文的研究思路及研究内容。 2 ) 通过一系列完整的室内试验，对曲阜菏泽高速公路第四合同段膨 胀土的膨胀性、矿物成分、物理化学性质和微观结构进行深入的了解和研究。 3 ) 通过膨胀土微观和宏观的相结合研究得出膨胀土的胀缩机理，并根 据该胀缩机理提出一个新的膨胀土判别指标，对该指标进行理论解释和试 验验证。 4 ) 分别用人工配置土样和曲阜菏泽高速公路第四合同段及荆门宜 昌第三合同段膨胀土进行新指标试验验证。根据试验结果，分析新指标、蒙 脱石含量、阳离子交换量、比表面积之间的相关性，并就新指标是否反映膨 胀土本质属性作出论证 5 ) 结论与建议。 1 3 技术路线 本文的技术路线： 1 ) 在充分研究现有资料的基础上，有目的的收集与课题相关的文章、 书籍、文献； 2 ) 对所收集的资料进行分析； 3 ) 采集土样进行试验； 4 ) 根据试验取得的数据对膨胀土的判别标准做出相对客观的评价； 5 ) 根据土样特性进行改性试验并对所得到的数据进行分析和处理，与 实际情况进行对照； 6 ) 综合分析资料做出结论并对其局限性与下一步需要开展的工作迸行说明。 山东大学硕士学位论文 第二章膨胀土的胀缩机理 要对膨胀土进行判别和分类，首先要明确膨胀土的胀缩机理。蒙脱石是产生大多 数膨胀土问题的粘土矿物。蒙脱石粘土在含量增加时出现膨胀，而粘土其它矿物不发 生膨胀或仅发生有限膨胀。蒙脱石是指除蛭石以外、所具有膨胀晶架的粘主矿物群， 是一种特定的矿物。粘土吸附了水就产生膨胀。从矿物学观点来看，膨涨的大小取决 于粘土矿物的种类和含量，它们的可交换阳离子、水态的电解质含量以及内部结构。 我们从膨胀土主要粘土矿物的结构、土一水一电解质系统和膨胀矿物的品格间距来揭示 膨胀士的胀缩机理。 2 1膨胀土主要粘土矿物结构 2 1 1 粘土矿物的物质成分 粘土是原生矿物经过自然风化形成的产物，因此，膨胀土成分中包含有原生粘土 矿物、次生牯土矿物、非品质矿物、可溶盐和有机质。 原生碎屑矿物是岩石物理风化过程中的产物，保持原母岩矿物成分和品格结构， 是土中固体颗粒的主要组成部分。土中砂砾、粉粒都是碎屑矿物颗粒，多数来源于火 成岩，包括：石英、长石、云母、角闪石、辉石和橄榄石，有些土中含有较多碳酸岩 矿物，如方解石、白云石等。 次牯土生矿物是属于层状硅酸盐矿物，除了蒙脱石、伊利石、高岭石之外，还 埃洛石、绿泥石、蛭石，另外还有链状硅酸盐矿物中的凹棒石、坡缕高石和海泡石以 及非晶质粘土矿物水铝石英等，他们共同的特点是在土中的粒径基本属于粘粒组范围 内，通常带有负电荷，与水混合后出现一定程度的可塑性。粘土矿物是由母体材料经 过一系列的过程形成的，母体材料包括长石、云母和石灰岩。蚀变过程发生在陆地上 的是风化作用，在海底或湖底的是分解作用；蚀变过程包据分解、氧化、水化和淋滤。 t o u r t e l o t “指出蒙脱石的形成必定是极度地分解、强烈的水化及有限的淋滤。蒙脱 石形成所需要的环境要求有限的淋滤，以便镁、钙、钠，铁等阳离子能够在系统内聚 集起来。这样，蒙脱石矿物的形成耍借助于碱性环境、镁离子的存在，并且不能有大 量的淋滤。因此，具有相对低的降雨量的半干旱地区，有利于形成所需的这些条件。 在这些条件下，对蚀变过程能够提供足够的水量，而聚集的离子又不被暴雨冲走。形 成蒙脱石的母岩常有铁镁矿物、钙长石火山玻璃和多种火山岩。硬粘土中的白色钙质 条痕常被误认为就是膨润土，实际上，富含钙质的粘土却很少显示出膨胀特性。 非品质矿物是除了次生的晶质硅酸盐矿物以外，还有水铝石英、氧化铁、氧化硅、 氧化铝及其求化物。还有与有机物结台的铁铝络合物等也属于这一类。大多数土中， 4 山东大学t 程硕十学位论文 非晶质粘土矿物是土中次要成分，但是它们所起的作用却是不能忽视的，属于在x 衍 射时，不发生衍射峰的粘胶物质，无定形物质，如氢氧化铁、氢氧化铝等，具有很大 的表面积，化学活性高，不稳定，可以在一定的条件下老化。 大多数土的分类体系任意地把粘土颗粒定为具有有效粒径为2 u m 或更小的颗粒， 然而。只靠粒径确定不了粘土矿物。矿物成分可能是细粒土最重要的颗粒特性，对 于细小颗粒，作用在颗粒表面的电荷力要比重力大得多。这些颗粒被称处于胶体状 态。胶体颗粒主要是由母岩经风化分解而成的矿物组成的。最重要的粘土矿物是蒙脱 石、伊利石和高岭石，它们都是晶质含水硅酸铝。蒙脱石是产生大多数膨胀土问题的 粘土矿物，蒙脱石粘土在含量增加时出现膨胀，而粘土其它矿物不发生膨胀或仅发生 有限膨胀。 蒙脱石是指除蛭石以外、所具有膨胀晶架的粘土矿物群，是一种特定的矿物。粘 土吸附了水就产生膨胀，从矿物学观点来看，膨胀的大小取决于粘土矿物的种类、含 量、可交换阳离子、水态的电解质含量以及内部结构。 2 1 2 粘土矿物的结构 作为晶架结构的基本单元，有两种主要分子结构，它们是硅四面体和铝八面体。 硅片和铝片相结合就形成粘土颗粒的基本结构单元。不同的粘土矿物在堆积形态上各 不根同。在电子显微镜和x _ r a y s 衍射的结果表明，粘土矿物晶架结构中的原子排列 成很多片，就像书页那样，这些薄片的排列和化学成分决定着粘土矿物的类型。 高岭石是一种具有单个四面体和单个八面体组成的l 对1 晶架结构的典型双层矿 物；高岭石的四面体和八面体基本上不存在唰晶置换；完好的高岭石呈六角形片状。 蒙脱石是一种三层矿物，具有由两片四面体中问夹一片八画体组成的2 对l 晶架 结构；品格内的阳离子被广泛地置换，四面体中的1 5 的硅离子被铝所置换，八面体 中的铝可以被镁、铁、锌、镍、锂或其它阳离子所置换。比表面积极大，外表面积 5 0 ：1 2 0 m 2 g ，内表面积7 0 0 ：8 4 0 m 2 g ，占总表面积的8 8 ，阳离子交换量为 8 0 ：1 5 0 m 坷门o o g ，其中8 0 来自同晶置换；蒙脱石的电荷主要来自肋g “对一p 的 置换，层间负电荷主要有c h “、坛“、 扩、日+ 来平衡，这些阳离子是可以交换的。 钠质蒙脱石是膨胀土的主要成分，它趋于分散，钙质蒙脱石可能由钠质质变，它趋于 凝聚。晶格尺寸为： o 00 d = 5 1 7 士o 0 2 一，6 = 8 ，9 4 o 0 2 一，c = 9 9 5 0 d 6 a ，p = 9 9 q 5 士3 0 a 伊利石的结构与蒙脱石相类似，但是有些硅原子被铝所置换，而且在四面体晶体 之间有钾离子存在，其比表面积一般在6 5 ：1 0 0 m 2 g 范围内。单位晶层间电荷达 1 3 ：1 5 ，但其中大部分为非交换性钾离子所平衡，因此，阳离子交换量比蒙脱石低 山东大学硕t 学位论文 为1 0 ：4 0 m 钾1 0 0 9 。已有的研究资料发现只要c e c 1 5 m 钾，1 0 9 ，就有可能存在膨 胀牲矿物，在缺乏层间钾离子的情况下，c 目c 可达l o o m q ，l o 蛆。层间钾离子键的 强度较高，即使存在极性溶液的情况下，其间距仍固定在1 0 4 。 蛭石外表面积初始大约为4 0 ：8 0 m 2 耳，总比表面积高达3 0 0 m 2 ，g ；其结构是由 黑云母基本晶层央水分子和阳离子所组成，层间厚度取决于水化阳离子的成分，钙、 镁可形成2 层水分子d ( 0 0 1 ) - 1 4 ：1 5 4 ，而纳离子只有一层水分子，d ( 0 0 1 ) = l l ：1 2 ， 完全无水时，基本层间距d ( 0 0 1 ) = 9 0 2 一由于晶层随着含水量的变化而胀缩，因此， 它是膨胀性粘土矿物，其膨胀势仅次于钠蒙脱石；蛭石的单位晶层电荷差为o 6 ：0 9 ， 层间阳离子是可交换的，所以c e c 可高达1 0 0 ：1 5 0 m 叼，1 0 0 9 。 2 2 土一水一电解质系统 2 2 1 溶解离子对水结构的影响 水分子是极性分子，溶解在水中的离子必然吸引水分子，阳离子吸引水分子的负 角，阴离子吸引水分子的正角。在离子周围形成水化层在正常水的结构中，正角与负 角不停地交替排列，不断的相互吸引；而在水化层中，水分子呈定向排列，因而破坏 了水的正常结构；离子一水相互作用模型见图2 1 。 图2 1 阳离子一水相互作用示意图 a 冰分子固定区b 冰分子彦响区c 征常结构水+ ；阳离子0 ：表示水分子四面体 由图可知： a 区是固定区一水化层，水分子被强迫定向在离子场内，密度大，不活动； c 区为正常结构水，虽然受离子场极化的影响，但不影响水分子流动、正负角交 替吸引： b 区是过度区，水的密度比水化层的密度低，但比正常水的密度高，水的结构在 6 山东大学工程硕士学位论文 这一区也被破坏。水分子基本不活动，受离子引力场影响较大。 因此，离子半径愈小，其离子的水化能力愈强；在水中最常见的阳离子按水化能 力的强弱排列如下： 三i 叶 h + 足+ 乐2 + c 矗“ 彳z h j “ 2 2 2 土一水相互作用 土中的粘土微粒有很强的吸湿力，在相对低的湿度下，干土将从大气中吸取水， 吸附到粘土微粒的周围，牢固的固定在粘土的表面，这种水一般称之为吸湿水。土壤 颗粒对水分子的吸湿力中心层可达l 1 矿：2 l0 4 咖( 1 册”= l0 1 3 2 5 p 口) ，外层也有 3 1 口协l 。 把水分子固定在粘土表面主要来自下列几种作用： 氢键联接( h y d r o g e nb o n d i n g ) ：粘土硅酸盐层表面一般暴露的是硅氧四面体底 部的氧或八面体底部的羟基，它们分别和水分子四面体的正端的氢形成氢键联接见图 2 2 ，这是水被吸引并固定在粘土表面的重要原因之一。 麻 蟊 留 揣 刊 算 b p & b j6 两j 碴 鹫 图2 2 粘土表面和水的氢键联接 水化阳离子吸附( h y d r a t i o no fe x c h a n g e a b l ea c t i o n s ) ：阳离子通常被吸附到 带负电荷的粘土表面，阳离子通常是水化的。吸附在粘土表面的阳离子也会把水分子 带到粘土表面见图2 3 。因此，土表面的水 化作用也取决于阳离子的存在，这一点特别 是在低含水量时非常重要。 范德华吸引力( v d e r a l s ) ：粘 土颗粒表面的分子团所形成的瞬时偶极，将 诱发邻近分子的移动，产生偶极子之间的吸 引力，能够把水分子吸引到粘士表面。 渗透吸附( a t t r a c t i o nb yo s m o s i s ) ： 当隔离子不断地被吸引到带负电荷的表面， 柱 删 君 悃 旃 刊 攥 图2 3 粘土表面吸附水化的阳离子 山东大学硕士学位论文 阳离子浓度增加为了使水中离子达到平衡，一方面，阳离子向外扩散；另一方面， 水分子向粘土表面渗透，也使牯土表面发生水化。渗透就是指溶剂从浓度较低的溶液 通过一种半透膜渗向浓度较高的溶液的过程，而渗透压力就是阻止溶剂渗流以稀释溶 液所必须的压力。渗透压力可用范特霍夫( v a n th o f f ) 方程进行计算： 晶= 足r ( q c ；) ( 2 一1 ) 式中；玩：渗透压力 r ：气体常数 r ：绝对温度 ：任何种类离子浓度 c ：外层溶液中离子的浓度 在土水土体系中，可以预期出现渗透压力。假定在土的晶架中存在着双电层体系， 则吸引力保持的离子浓度阻止着离子脱离双电层。然而，水能够进入并稀释其浓度， 结果是形成一种半透膜的效应。近十年来的研究有力地表明，渗透压力确实存在于土 永体系中，而且是膨胀机理的根据。波耳特( b 0 1 t ，1 9 5 6 ) 指出，伊利石和蒙脱石的膨 胀都是由于被吸附的离子层有过量的渗透压力所产生的。这种渗透压力可能达到5 6 m p a ，因此，膨胀土的膨胀压力有时可达到2 5 a 。基于渗透压力是唯一作用于土粒 之间的内力的理论，当土受到外部压力时，土粒之间的距离缩小而水被挤出。其结果 是土粒间的离子浓度升高，从而渗透压力也随之而增大。当渗透压力与外界压力相等 时土体达到平衡，当外部压力减少时，渗透压力吸收水分以稀释离子浓度土间距增 柱 删 餐 值 锵 刊 罄 圈2 4 电场影响下水分子移向表面 大，导致体积增大及渗透压力降低，这个过程持续进行直至建立新的平衡为止。水的 渗透是引起膨胀土膨胀收缩的重要原因 电场影响( c h ”g e d r f a c e d i p o l e8 t t r 8 c t i o n ) ：粘土颗粒可看作是带负电的 电容片，电场强度随着距表面距离的增加而减小。在电场的影响下极性水分子将定 向，正极指向负表面，定向程度随电场强度减小而变弱，因此在平行粘土片之间的中 阐平面上，水分子的同极彼此相邻。粘土晶体结构中的铝的水化能量和需水量较高， s 山东大学t 程硕士学位论文 因此水被强烈地吸引到表面附近，插进表面和阳离子之间，把阳离子挤到平行晶片 之闻中闻平面上，见图2 4 。 在干燥的粘土中，被吸附的阳离子占据了粘土表面的空穴的位置，在水化时，阳 离子被水化，带着水化膜迁移到粘土片间的中间平面上。以上这些相互作用有的属于 物理变化，有的属于化学变化，有时它们是共同发生影响，有时则以某因素为主， 其它因素为辅。一般来说，秸土表面负电荷是形成粘土水化的物理原因，由于电荷密 度很低，甚至还不能固定一个完全的水层。氢键作用只是发生在六角形网格氧( 或羟 基) 的部位上。所以阳离子水化、渗透吸附和范德华引力等作用使水集中在粘土表面 的过程中也发挥重要作用。 2 2 3 扩傲双电层理论 在土中根本不存在纯水，所以说土一水系统实际上是土一水一电解质系统，胶体 化学中的双电层学说为研究土一水一电解质系统的相互作用提供了理论依据虽然这 种理论还有不足之处，但对于理解土水相互关系是有用的。 m 扩散双电层：干燥的粘土颗粒表面阳离子紧紧地吸附在粘土颗粒上以中和颗粒 表面的负电荷，多余的阳离子和与它们联系的阴离子以盐类的形式沉淀析出。当水进 入土中，己沉淀的盐类再次溶解为溶液，形成粘土一水一电解质系统。在这个系统中， 一开始土表哑离子浓度很高，分子的热运动企图使离子均匀地分布于溶液中，因而产 生一种扩散的趋势。然而，土颗粒表面负电荷对阳离子所起的吸引力就象地球引力对 周围大气层的扩散所起的约束作用，使得土颗粒周围的阳离子象大气圈中的空气由密 而稀地分布，见图2 5 ，直到阳离子浓度和溶液中的浓度相同处，这个范围称为扩散 双电层( 包括土表面负电荷层在内) 。 双电层摩厚度估算：在粘土一水一电解质系统中，通常是用古依恰帕曼理论来 估算双电层的厚度，尽管单一表面双电层理论不完全能代表大多数粘土系统中的物理 条件( 因为系统中相邻颗粒之间的双电层往往是搭接的) ，但是在工程实用中作为估 算双电层厚度和介质溶液成分浓度变化效应是可以的。由于颗粒电性相同的扩散双电 层的搭接是粒间斥力的主要来源，所以查明粒间扩散双电层的厚度是研究工程性质所 必需的。 按照古依恰帕曼的单一平面扩散双电层理论，在表面电势较小( 大约小于2 5 m v ) 的情况下，扩散层中的电位变化规律可近似地按以下指数方程来表示： 甲= 甲。e x p 卜j ) ( 2 2 ) 足：( ! ! 业：) “( 2 3 ) 9 山东大学硕士学侍论文 式中：l f ，一扩散层离士粒表面距离为x 处的电位 一土粒表面的电位 嘞一距表面较远处离子浓度正常值( j m s m 3 ) d 一孔隙液介电常数 量一伏耳兹曼( b o l t z m n ) 常数( i = 1 3 8 l o 。6 e ，掣o t ) f 一绝对温度( o 幻 e 一单位电荷4 8 x 1 0 4 0 静电单位0 ) v 一离子价 在这种情况下，空间电荷的重心与放= 1 的平面相一致，因而常把1 ，k 视作为扩 散双电层的“厚度” ，即： 拓( 器 ( 2 - 4 ) 当粘土颗粒表面电荷恒定时，扩散层厚度 与离子价v 成反比，与离子浓度的 平方根成反比，而与介电常数d 和温度r 的乘积d r 的平方根成正比。在其它因素不 变的情况下，温度上升会引起表面恒定电荷的颗粒表面电位下降和双电层厚度的增 大。然而，温度增加也将引起介电常数减小，表2 1 列出了温度变化后d r 值的变化， 在理论上是极小的，说明温度对双电层厚度影响不大。 温度变化时d r 值的变化表2 一l 丁( o c )吖。芷) dd r 02 7 38 8 2 4 0 1 0 4 2 0 2 9 38 02 3 4 l 矿 2 52 9 87 8 52 3 4 1 0 4 6 03 3 36 62 2 0 1 0 4 土中孔隙溶液通常是术，因此介电常数的影响也无实际意义。电解质中离子的浓 度和化合价对扩散双电层的厚度有明显影响，浓度增加1 0 0 倍，双电层厚度减薄1 0 倍； 浓度相同离子价r 与扩散双电层厚度 成反比。 试验说明多价阳离子将被优先吸附，即使少量的多价阳离子加入也将产生影响。 双电层厚度的工程实际意义在于：对于均匀地分布在粘土颗粒表面的水而言，颗粒 表面水层的厚度可以用土的体积含水量( c m 3 ，g ) 除以土的比表面积( 2 ，p ) 求算。如 果土的体积含水量为o 2 5 ：o 5 3 g ，土的比表面积为3 0 ：3 0 0 m 2 g ，那么土颗粒 之间的表而水层厚度大致在1 0 ：1 0 0 爿范围内。这个值正好在通常遇到土孔隙液中离 1 0 山东大学工程硕七学位论文 子浓度所决定的双电层相互作用的范围内，因此说明颗粒间扩散双电层的相互作用在 实际工程中是相当重要的，它对于粘的胀缩性能和结构连接机制的研究有着重要意 义。 2 3 离子交换 从前面讨论中可以看出，在粘土一水一电解质系统中，不同阳离子的类型和数量 对双电层的相互作用有重要影响：而相互作用的变化又将导致物理性质和物理化学性 质的变化。在一定环境条件下( 温度、压力、p h 值和电解质浓度) 粘土吸附的阳离子 总电荷不变，离子交换反应是由不同类型的阳离子在总电荷相同的情况下和所吸附的 阳离子进行交换，这种交换作用和晶格内的同晶置换完全不同，它并不影响粘土本身 的晶体结构。 2 3 1 阳离子交换容量( c e c ) 和各种交换性阳离子容量 在自然界中，粘性土中含有一定数量的牯土颗粒，粘粒一般带负电荷，所吸附的 阳离子交还持性可以用阳离子交换容量和各种交换性阳离子容量这两个指标来表示。 粘土矿物具有吸附某些阴离子和阳离子并保持他们处于可交换状态的特征。交换容量 是指在一定条件下，一定量的土中所有土粒反离子层具有交换能力的离子总数，：一般 以每百克干土中含有多少毫克当量( 卅p q ) 的交换性阳离子来表示。在实际工作中，往 往以交换容量来说明土中颗粒表面带电的数量，事实上土的阳离子交换容量大致地反 映了土中粘粒含量及矿物成分，一定程度上反映土中双电层发育的程度，可以近似地 判断土的膨胀势。土中交换性阳离子成分主要有c d “、尥“、置+ 、+ 、日+ 、p 等，测定这些交换性阳离子容量有助于判别土的工程性质，前面己经提到钙质蒙脱土 和钠钙质蒙脱士在性质上有明显不同。若交换性4 p 含量较高，那么这种土遏水后， 所形成的扩散双电层很薄，粒间联结牢固，强度较高。土中除存在交换性阳离子之外 还存在阴离子，成分有硫酸根离子( s 谚一) 、氯离子( c 一) 、磷酸根离子( p o f ) 、硝酸 根离子( 四) ，它们也能改变扩散双屯层的厚度，与交换性阳离子具有相同效应。 2 3 2 交换能力来源 1 ) 同晶置换 硅氧四面体晶片中p 置换“和四面体晶片中 勾“置换爿p 是常见晦这种置 换导致在解理面上带负电荷而吸引阳离子； 2 ) 断键 断键常存在于粘土颗粒的边缘或非解理的表面上，这种作用随着粘土颗粒不断减 小而增加，断键一侧带负电，另一侧则带正电，都将使交换能力增加。 山东大学硕士学位论文 3 ) 暴露氢氧基的氢交换 粘土颗粒表面和边缘有可能裸露出来羟基，它具有分解的趋势 m o h 生- m o + h 它受到矽h 值的强烈影响，p 日值越高，日+ 进入溶液的趋势越大，颗粒的有效负 电荷就越大。 以上三个来源中的任何一种都取决于粘土矿物成分和环境因素，粘土矿物的交换 能力，严格地蜕不是一个常数，外界条件的变化均能影响粘性土的交换容量，故而 在测定时规定以口h = 8 1 、浓度为0 1 三乙醇胶一氯化钡溶液反复地作用在一定量的 土上，测得其交换容量称为标准交换容量。 2 3 3 交换能力的次序 溶液中交换离子的交换能力是不同的，取决于离子的价数和水化离子的半径，在 其它条件相同时。阳离子交换能力的次序如下： 上r 口+ 堙2 + c a 2 + 勘2 + 日+ 一，3 + ，0 抖 高价离子与带电粘粒问的吸引能力大，所以离子化合价高的交换能力就大；化合 价相同的离子则随其水化离子的半径增大而减小。因为离子的电场强度与其所带负电 荷数量成正比。与半径平方成反比，因而小离子吸引大量水分子在其周围形成较厚 的水化膜，有较大的有效半径。如：c 矿+ 和 客2 + 的离子半径分别为1 0 6 4 和 0 7 8 一而水化半径却为1 0 ，o 一和1 3 3 爿，所以c a 2 + 交换能力大于 纽“；又如： 三r 、 矿、芷+ 同是一价离子，其离子半径分别为1 3 3 、o 9 3 一、o 7 8 4 ， 水化 半径分别为5 3 2 一、1 0 0 3 4 、1 5 3 2 一，其交换能力顺序：i 叶 铲 x + 。 根据上述情况，说明交换能力大的离子形成较薄的扩散双电层，f 电位也较低， 反之，形成较厚扩散双电层的离子，f 电位较高。此时溶液中阳离子对扩散层的影响 恰好相反。 可交换离子被保持在硅铝粘土矿物结构单元的外围，交换反应并不影响硅铝溶解 囊的结椒在粘土矿物中，常有的可交换阳离子按其一般相对富集次序为c a “、a 辔“、 日+ 、钟、 矿。粘土从溶液中吸附离子的能力标志着电荷的存在，对阳离子 的吸附要比对阴离子的吸附容易，因此，在粘粒表面必然是负电荷占主导地位、某一 阳离子，如 ，容易从盐溶液中被吸引出来，而附着于粘粒的表面上。然而，被吸 附的+ 不会永久的吸附在粘土上。如果把粘粒放入硇z 洛液中，口+ 就会被f 所 替换。这种被过量阳离子替换的过程叫做阳离子交换。不同种类粘土矿物的阳离子 交换容量的测定，可以通过使用氯化氨( 憎a ) 一类溶液冲洗每种土样，然后测定冲 洗液的最终浓度和初始浓度之差即是被吸附的 啊：量。表2 2 为几种粘土矿物阳离子 2 交换容量值。 各种粘土矿物的阳离子交换容量幅值裹表2 - 2 项目高岭石伊利石蒙脱石 颗粒厚度o 5 ：2 m o 0 0 3 ：0 1 “卅 0 9 5 一 颗粒直径 o 5 ：2 删o 5 ：1 0 册o 0 5 ：i o m 比表面积( g ) 1 0 ：2 06 5 ：1 0 07 5 0 ：9 6 0 阳离子交换容量 3 ：1 5l o ：4 08 0 ：1 5 0 ( m 叼，1 0 0 9 ) ( r e f e r e n c e ：g r i m ，r e ( 1 9 6 8 ) c l a y 砒n e r a i o g y ，2 n d e d i t i o n ，m c g r 鲫一h i l l ，n e w - y o r k ) 可以看出，蒙脱石吸附阳离子的活力是高岭石的十几倍。这是由于蒙脱石与高岭 石相比，蒙脱主所带静电荷更强，而且比表面积更大；伊利石的比表面积仅为蒙脱石 的十分之一，吸附电荷的能力也比蒙脱石弱得很多，但是，比高岭石强的多。 阳离子交换是在日常生活中常见的现象，用人造沸石或碳交换使水软化，就是一 个简单的且被大家熟悉的离子交换反应的例子。膨胀土化学稳定处理的基本原理就是 增加自由水中的离子浓度和碱交换现象。 2 4 土一水一离子系统的性状 2 4 1 粘粒表面净势能 以往常常把土颗粒表面的水化作用和 粘粒表面双电层分开来讨论，事实上粘土颗 粒与周围电解液相互作用时( 自然界中纯水 是不存在的) ，土颗粒表面上既吸引水分子 形成吸附水层，同时也吸引阳离子和水化阳 离子形成扩散双电层，积电层中的水相当于 颗粒表面的吸附水层。靠近土表面的l 2 个水分子的吸附水内层( 强结合水层) 中， 阳离子和分子一起争夺土颗粒的表面，它相 睡 群 刊 撂 粘毹一 彩7 ，； 图2 6 粕植一水一离子系统 丽 0。 f | i 东大学硕士学位论文 当于扩散双电层中斯特恩层( 离子一水化层) ，具有完全不同于自由水的特性。在离 子扩散层中的水相当于吸附水层的外层( 弱结合水层或渗透吸附层) ，它的性质既和 内层水不同，也和自由水不同。这就把粘粒表面的吸附水层和扩散双电层有机地统一 起来。为了叙述方便，把内层的离子一水化层称为“内层”，把外层的渗透吸附一离 子扩散层称为“外层”，详见图2 6 ( 一般情况粘粒表面附近的净势能状况的示意图) ： o a 表示“内层”，a e 表示“外层”，曲线上b 点为吸 能最大处、d 点为排斥能 最大处、c 点为平衡点、e 点为影响消失处。 以上是对粘粒表面净势能简单描述，事实上粘土颗粒是片状的而不是球体，粘粒 表面电荷分布并不均匀，边棱部位的电荷有可能与表面电荷性质不同( 符号相反) ， 粘性土中除了部分颗粒是粘土成分外，还有很多的非粘土颗粒。尽管如此，用粘粒表 面的净势能来解释粘性土的某些性状还是比较符合实际的，这就是粘性土中粘粒的表 面占绝大优势，表面的净势能不仅对于粘粒之问能发生相互作用，而且对于非粘土颗 粒也能发生影响的缘故。 2 4 2 土的可塑性机制 传统土质学中用公共水化膜胶结的概念来解释粘土的可塑性，显然这与扩散双电 层理论相矛盾，下面用净势能的理论来解释土的可塑性机制。 粘性土的塑性主要是扰动牯土颗粒表面的吸附水层和其它颗粒( 包括粘粒和非粘 粒) 之间在一定距离内相互作用的结果，改变粘性土的含水量，粒间距离也能作相应 调整，当土中的含水量极低时( 只是在空气中吸入少量水) ，颗粒表面只有1 2 层水 分子和阳离子的“内层”，此处的厚度o a 层( 图2 6 ) 没有形成渗透吸附一离子扩 散的“外层”，颗粒表面短程斥力远大于范德华引力，粘粒间或粘粒和非粘粒之间 相互接近时，颗粒问不可能发生连结和凝聚，此时，若搓条则不易成形；当含水量增 加，水层厚度增加到b 点 图2 6 ) ，此时范德华引力超过短程斥力，处于净势能曲线 上吸引能占优势处，如果多数颗粒之间的水膜都具这个厚度，那么颗粒之间具有最大 凝聚强度，即使反复揉搓成极细的泥条 3 m ) ，也还能保持粒问相互凝聚丽不断裂， 此时土中的含水量就是塑性变形下限的含水量，个别颗粒处低于这个含水量就会在那 里发生断裂，在这个含水量中包含“内层”水，部分毛细水( 在非粘粒处) 和渗透吸 附水；含水量继续增加，颗粒间距离由b 点增如到c 点直至d 点( 图2 6 ) ，土的可塑性 由硬象软塑而到流塑，颗粒之间由稳定凝聚变成亚稳凝聚并开始发生粒间相对滑移， 粒间凝聚强度由强变弱以至解体，此时，已达到塑性变形的上限，即液限状态，含水 量为液限含水量，包含粘粒内外层水、毛细水、自由水；如果土中的水量再增加，粒 自j 距离到达e 点( 图2 6 ) ，这时颗粒完全处于净势能影响之外，颗粒随液体自由流 动不受约柬。这就是粘性土产生塑性的机制。 如前所述，天然粘性土中除了具有一定发育程度的扩散双电层的粘粒之外，还有 一定比例和大小不同的非粘土颗粒，只有在粘士和电解液的体积之和超过非粘土颗粒 之间所形成的孔隙体积时，上述塑性机制才能发生作用；当小于非粘土颗粒间的孔隙 体积时，也就是说还不足以充填满非粘粒间孔隙时( 大部分轻亚粘主) ，土的塑性机 制更为复杂，此时毛细水的弯液面张力在促成“假塑性”的产生中发挥一定作用：另 外没有被分散的“集合体”内部孔隙中的“惰性水”虽然并没有参与土一水相互作用， 然而在测定含水量时将计算在内，再加上确定液塑限方法带有很大程度的主观随意 性、土的液塑限都是在扰动情况下获得的，从而导致液塑限含水量数值不能得到实际 和正确的反映，因此，液限和塑性图作为天然结构土的工程分类指标是值得进一步研 究的。 2 4 3 净势能与膨胀和收缩的关系 土的膨胀和收缩除了与粘土矿物成分、粒径大小、结构和胶结物质有关外，还与 土一水相互作用的关系密切，下面主要讨论与净势能的关系： 1 ) 膨胀 如果上一水一离子分散系统中，含水量较低，离子扩散层较薄，离子浓度较高，。 颗粒间的距离较近，正处于扩散双电层相互搭接范围内，但外部水进入系统内，很快 向扩散层渗透，离子浓度降低，排斥净势能增加；假如粘性土中的粘粒含量很高，此 时土中将产生很大膨胀势，如果没有边界力约束，土将发生膨胀变形，一直发展到粒 间距离e ( 图2 6 ) 才脱离排斥净势能影响，此时的含水量相当于测定自由膨胀率时 的含水量孵见图2 7 。 飞 u 醛 拉 相应于净势能粒闻距 1 诊。 a c 一一 b d b 含水量( ) 图2 7 膨胀土的膨胀与收缩曲线 山东大学硕士学位论文 2 ) 收缩 一旦系统中含水降低，大气压力和边界毛细弯液面力将使颗粒间的距离随着水分 减小而缩短，水量的减少使离子浓度增加，粒间吸引净势能将占优势，也促使颗粒接 近，结果使土产生收缩变形。这种变形基本上呈线性关系，如图2 7 中a b 段rb 点以后 体积收缩和含水量成曲线变化( b c 段) ，表明此时空气开始进入土内，延长a b 线到e 点，c e 段表示内空气的体积。由c 点作水平线与延长线b e 交于d ，d 点的含水量在工 程上定义为缩限含水量孵，意味着颗粒彼此己基本接触了，相当于到达“内层”的 净势能影响的粒间距a 。 2 4 4 小结 根据以上论述，结合粘土矿物学的研究，得到如下结论： 1 ) 膨胀土能够膨胀与收缩的物质基础是其含有层问可以吸水膨胀和失水收缩的 粘土类矿物，它既包含蒙脱石、伊利石、高岭石、皂石、绿泥石等单晶矿物，又包含 伊利一蒙脱石、绿泥一蒙脱石、高岭一蒙脱石等混合矿物。 2 ) 粘土矿物的硅氧四面体和铝氧八面体的同晶置换作用，使粘土矿物表面均带 有负电荷，在水介质环境中可以吸附极性水分子和吸附带正电荷的阳离子，阳离子的 水化作用也将水分子吸附在土颗粒表面，形成溶剂化水层，并实现静电平衡。 此液限或塑性图作为具有天然结构土的工程分类指标是值得进一步研究的。 3 ) 不同的粘土矿物表现出不同的亲水特性。伊利石、高岭石仅是一般的亲水矿 物，不具备膨胀性的晶层结构其亲水性分别只有蒙脱石的十分之一和六十分乏一左 右，因此，膨胀土的胀缩特性主要是由蒙脱石含量控制见图2 8 ，由图可以清楚地 看出蒙脱石含量对膨胀性 具有决定性