土粒与水的相互作用

第二章土粒与水的相互作用2.1粘粒的胶体特性2.2粘粒双电层的形成2.3离子交换2.4粘粒的聚沉和稳定,2.1粘粒的胶体特性,粘粒与水相互作用是研究固体颗粒与孔隙溶液相互作用后产生的一系列特性。卵砾、砂粒，由于颗粒粗大，比表面积小，表面能小，与孔隙中溶液相互作用后，对其工程地质的影响不大；粘粒颗粒细小，比表面积大、表面能大，是土中较活动的部分，与孔隙溶液相互作用后表现出来的一系列表面现象(如颗粒表面的双电层、离子交换、粘粒的聚沉与稳定、触变与陈化等)，将直接影响着细粒土的工程地质性质的形成与变化，甚至与土的性质改良也有关。,2.1粘粒的胶体特性,颗粒细小，比表面积大,不同颗粒大小及其比表面积对比,1.土粒比表面积和表面能,假设土粒呈球形，d为其直径，则比表面积：,比表面积：单位体积，所有固体颗粒的总表面积。,2.1粘粒的胶体特性,土粒的比表面积还与土粒形状有关，片状矿物或板状矿物比表面积大，球状矿物小。片状颗粒的厚度与球形颗粒相等时，表面积增加了24%；片状颗粒的厚度为球形颗粒半径的1/10时，表面积增加539%。蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物都呈鳞片状，有的呈针状。,蒙脱石伊利石高岭石,1.土粒比表面积和表面能,2.1粘粒的胶体特性,表面能：细小颗粒表面由于力场的不饱和具有吸引外部极性分子和离子的能力。粘土颗粒细小，又多成片状或杆状，具有较大的比表面积和表面能，吸附能力强。比粉粒、砂粒具有更大的活动性。,1.土粒比表面积和表面能,2.1粘粒的胶体特性,土中的粘粒组(小于0.005mm)包括粘土矿物、游离氧化物及少量的石英、长石、云母等原生残余矿物的细小颗粒，以及有机质等物质。由于其颗粒细小，接近于胶体的颗粒，表现出一系列胶体的特性，如具有吸附能力。土中小于1000nm（0.001mm）的颗粒都具有胶体性质。而胶体一般指颗粒为1-100nm（10-910-7m）的颗粒。比表面积大，表面能也大，吸附作用也强，粘粒表面的离子也可能被溶液中的离子替换，发生离子交换作用，引起土体的一系列工程地质性质的变化。,2.粘粒的胶体特性,2.2粘粒双电层的形成,粘土矿物的带电性质：实验表明，片状粘土颗粒表面常带有负电荷。为什么片状粘土颗粒带有不平衡负电荷：离解作用:阳离子扩散于水中吸附作用：吸附相似离子同晶置换：高价被低价置换边缘断裂：造成电荷不平衡,-,-,+,+,+,+,粘土颗粒,水分子,阳离子,玻璃筒,玻璃皿,水位升高,粘土粒,粘土,+,-,(列依斯,1809),1.粘土的电泳和电渗现象,2.2粘粒双电层的形成,2.粘粒表面电荷的形成,（1）选择吸附带电粘粒选择吸附与本身结晶格架相同或相似的离子带电。举例：如方解石CaCO3放入CaCl2溶液中溶液中的Ca2+离子被方解石表面吸附，颗粒表明带正电,2.2粘粒双电层的形成,2.粘粒表面电荷的形成,（1）选择吸附带电举例：如方解石CaCO3放入NaCO3溶液中溶液中的CO32-离子被方解石表面吸附，颗粒表明带负电,2.2粘粒双电层的形成,2.粘粒表面电荷的形成,（1）选择性吸附举例：如方解石CaCO3放入蒸馏水中溶液中的Ca2+离子被方解石表面吸附，颗粒表明带正电,被吸附的离子称为决定电位离子，未被吸附的为反离子。,2.2粘粒双电层的形成,2.粘粒表面电荷的形成,（2）表面分子电离粘粒本身由可电离的分子组成，与水作用后生成离子发生基，离子发生基电离，粘粒选择吸附与本身性质相同或相似的离子而带电。举例：次生二氧化硅（SiO2）与水,2.2粘粒双电层的形成,2.粘粒表面电荷的形成,（2）表面分子电离游离氧化物两性化合物与水作用后生成离子发生基，离子发生基在酸碱不同的条件下电离生成不同的离子，使粘粒可带正电、负电、不带电。举例：Al2O3在溶液PH值小于、大于、等于其等电PH值时的带电情况。,酸性：碱性：,正电,负电,矿物的等电PH值：使固体颗粒呈中性不带电时介质溶液的PH值，不同矿物有各自的等电PH值，用PHie表示。如：PHie=8.1PHie=7.1次生PHie1蒙脱石：PHie2高岭石：PHie=5伊利石：PHie5溶液的PH值与矿物等电PH值之差越大，矿物带电越多。,2.2粘粒双电层的形成,2.粘粒表面电荷的形成,注意理解：等电PH值是矿物本身的一种属性，但只有通过介质的pH值才能表现出来。,粘土矿物的粘粒由硅氧四面体和铝氧八面体组成，四面体中的可被、置换，八面体中的被、置换，产生过剩负电荷，在晶层表面形成永久负电荷。,2.2粘粒双电层的形成,同晶替代（同晶置换）,。,同晶置换产生负电荷的数量取决于晶格中同晶替代的多少，而不受介质PH值的影响。,同晶替代是由粘土矿物构成的粘粒通常带负电荷的原因之一。,2.粘粒表面电荷的形成,3.粘粒的双电层特征,（1）决定电位离子层粘粒通过选择性吸附、表面分子电离、同晶置换使部分离子牢固吸附在其表面而带电，这部分离子称决定电位离子；带电粘粒与水作用、与溶液作用（2）反离子层：粘粒带电后，吸引与本身符号相反的离子，这种离子称反离子。,2.2粘粒双电层的形成,因为粘土矿物颗粒表面一般带负电荷，围绕土粒形成负电场，土粒周围水溶液中的阳离子（Na+，Ca2+等）和极性水分子在静电引力和分子引力的共同作用下，被吸附在土粒表面。在靠近土粒表面处，静电引力最强，这些阳离子和水分子被牢固地吸附在颗粒表面，形成“固定层”，在固定层外围，静电引力比较小，阳离子和水分子的活动性比在固定层中大些，直至自由水溶液之间的部分称为“扩散层”。“固定层”和“扩散层”共同组成了反离子层（吸附层）,它构成了土粒表面双电层结构的外层，而土颗粒表面的结构负电荷构成双电层结构的内层。,3.粘粒的双电层特征,2.2粘粒双电层的形成,粘土矿物颗粒表面的双电层结构,粘土矿物颗粒表面的双电层结构是由土颗粒表面的负电荷与吸附层中的阳离子所构成的整体。,3.粘粒的双电层特征,思考题：双电层与结合水的关系？,2.2粘粒双电层的形成,在反离子层中的离子实质上是水化离子。粘粒周围的水化膜包含着起主导作用的离子和作为主体的水分子。从起主导作用的离子着眼，称这层为反离子层；如果从作为主体的水分子着眼，则称结合水层。,3.粘粒的双电层特征,2.2粘粒双电层的形成,2.2粘粒双电层的形成,3.粘粒的双电层特征,热力电位矿物颗粒表面所带负电荷具有的电位与介质电位之差。即粘粒表面及其周围正负离子间总的电位差。电动电位固定层外缘所剩余的电位。,3.粘粒的双电层特征,2.2粘粒双电层的形成,电动电位由扩散层离子平衡，故扩散层的厚度与电动电位的高低密切相关（成正比）；电位增高则扩散层增厚，反之亦然。动电电位=0，则扩散层消失。,胶团：胶体颗粒与外围的双电层统称为胶团。,3.粘粒的双电层特征,2.2粘粒双电层的形成,矿物成分和分散程度的影响不同矿物颗粒大小、形状不同，颗粒小的片状矿物比表面积大，与水作用后带电多，热力学电位高，导致电动电位高，扩散层厚；不同矿物晶格亲水性不同，同晶置换作用程度不同，带永久电荷数量不同，同晶替代强的产生负电多，扩散层厚。矿物成分决定颗粒带电性质，带电多少。,2.2粘粒双电层的形成,5.影响粘粒扩散层厚度的因素,溶液的PH值溶液PH值决定粘粒双电层的电位（电荷）性质，从而影响扩散层厚度。例如：次生，溶液PH值越大，表面分子带电越多，电动电位越高，扩散层越厚。游离氧化物、粘土矿物，PH值决定带电性质及数量：,PH矿物PHie，碱性环境，生成酸性体，带负电；PH矿物PHie，酸性环境，生成碱性体，带正电；PH与矿物PHie之差越大，带电越多，扩散层越厚。,2.2粘粒双电层的形成,5.影响粘粒扩散层厚度的因素,溶液的化学成分（离子成分）对选择吸附带电的矿物，可被选择吸附的离子越多，带电越多，大，大，扩散层厚。当一定时：溶液中的离子,2.2粘粒双电层的形成,5.影响粘粒扩散层厚度的因素,溶液浓度的影响（离子浓度）溶液中反号离子浓度增大，对扩散层中反离子起排斥作用，使部分反离子进入固定层，变小，扩散层变薄。,2.2粘粒双电层的形成,5.影响粘粒扩散层厚度的因素,双电层形成以后，当介质中的离子成分和浓度发生变化时，自由介质和反离子层中阳离子的原有平衡状态遭到破坏，必然引起反离子层中阳离子成分相应的改变。自由介质中的一些阳离子进入反离子层，反离子层中的一些阳离子进入自由介质，以达到新的平衡。自由介质和反离子层中同性离子的相互交换，称为离子交换。即土粒与水相互作用后表面吸附的离子可以与水溶液中的同号离子相互交换。,2.3离子交换,1.土中的离子交换,离子交换的结果引起扩散层厚度发生变化，改变土的性质。用溶液中高价离子置换土粒表面低价离子，使扩散层变薄。交换容量用来衡量土的离子交换能力大小的指标，在一定条件下，一定量的干土中，所有土粒反离子层中具有交换能力的离子总数，以每百克土粒中所含有的毫摩尔数表示。实际工程中，往往以交换容量来说明土粒表面带电的数量。,2.3离子交换,1.土中的离子交换,土的交换容量一般不大于100meq/100g高岭石：315meq/100g伊利石：1040meq/100g蒙脱石：80150meq/100g腐殖质:200400meq/100g标准交换容量工程上规定PH=6.5，浓度为0.05mol/dm3的溶液反复作用于1kg的干土，测得的交换容量。交换容量大说明土带电多。,2.3离子交换,1.土中的离子交换,离子交换的研究意义：1.用来判断土的性质用Na+离子交换容量与总交换容量的比例作为分散土的判别指标。2.用离子交换的方法改良土质（提高强度、防渗材料）工程实践中用三价及二价离子（Mg2+、Ca2+、Fe3+、Al3+）处理粘土，使扩散层中高价阳离子度增加，扩散层变薄，从而增加了土的强度与稳定性，减少了膨胀性。,2.3离子交换,1.土中的离子交换,土粒：矿物成分、粒度成分水溶液：PH值，化学成分（离子成分），浓度1.矿物成分和粒度成分颗粒小的片状矿物比表面积大，越大，越大，交换容量大；2.水溶液溶液PH值与矿物等电PH值之差越大，越大，越大，扩散层厚，交换容量大；高价离子交换能力强，低价离子交换能力弱；同价离子，半径大的交换能力强。,2.3离子交换,2.影响离子交换容量的因素,相邻粘粒在一定条件下形成集合体的作用称聚沉作用或絮凝作用。a.粘粒具有较大的表面能，总有自动聚结使分散性降低的趋势；b.外界因素的影响，往往又使聚沉作用加速。这些因素，如电解质的作用、温度、悬浮液的浓度、带不同电性颗粒的相互作用等，其中最重要的是电解质的作用。粘粒形成集合体的作用有电解质聚沉、相互聚沉、干燥聚沉及冻结聚沉几种类型。,2.4粘粒的聚沉和稳定,1.聚沉作用,电解质聚沉作用发生在同性电荷粘粒之间，通过增加电解质浓度或改变其中反离子成分，可促使颗粘聚沉。理解：当加入电解质，浓度增大，扩散层压缩，电动电位降低，两个颗粒距离接近，当电动电位降到零时，粘粒最易聚沉，可见，电解质浓度的增加，可使扩散层厚度变薄，从而使粘粒聚沉。悬液中带电符号相反的两种粘粒，可直接相互吸引而形成集合体，这种作用称“相互聚沉”。聚沉的程度与两者含量的比例有关，只有当两者的含量相等，相反电荷互相抵消，聚沉才最完全。天然水中加入明矾Al2(OH)3，使水澄清。,2.4粘粒的聚沉和稳定,1.聚沉作用,土在干燥过程中，由于蒸发逐渐失去水分，孔隙溶液的浓度迅速增加，促使土粒的扩散层变薄，产生聚沉现象，称“干燥聚沉”。干燥环境中含有Na+的盐土或碱土，潮湿时，遇水分散，湿泞不堪，称为“假集合体”。在负温的条件下，土孔隙中水溶液开始有一部分发生冻结，这样就使末冻结的溶液中离子浓度迅速增高，使土粒的扩散层变薄，加上冰的压力，促使土粒相互靠近，因而产生聚沉现象。这种现象称“冻结聚沉”。,2.4粘粒的聚沉和稳定,1.聚沉作用,聚沉作用的意义在隧洞施工中，经常用到冻结聚沉原理，来暂时凝固松散颗粒完成工作；对“干燥聚沉”的研究中，可以防范假集合体在工程中的应用，避免事故的发生；人们常常利用“相互聚沉”的原理来净化水质。,2.4粘粒的聚沉和稳定,1.聚沉作用,定义：原来成为集合体的土粒，由于扩散层变厚，或者使带有相反电荷符号的土粒转为带有同号电荷，也能使扩散层增厚，当粒间排斥力大于吸引力时，颗粒重新分离，这种作用称“稳定作用”。集合体稳定的方法：a集合体法：只能破坏部分假集合体（水）；b半分散法：破坏假集合体及部分抗水集合体（弱酸盐）；c全分散法：使所有的集合体破坏分散（强酸）。,2.4粘粒的聚沉和稳定,2.稳定作用,触变：当粘粒发生聚结，如果受到振动、搅拌、超声波、电流等外力作用的影响，则往往会“液化”，变成溶胶或悬液，而当这些外力作用停止后，它们又重新聚结，这种一触即变的现象称“触变