DOC《第1章 土的物理性质及工程分类》

Ba2+>

Ca2+>

Mg2+>

K+>

Li+>

Na+ 利用离子交换可以改善土的工程性质.如用三价及二价离子(如Fe3+、Al3+、Ca2+、Mg2+)处理粘土,使它的双电层变薄,从而增加土的水稳性,减少膨胀性,提高土的强度,如将石灰掺入土中,Ca2+置换了Na+,土的性质即可改善.有时也可用一价离子的盐溶液处理粘土,使扩散层增厚,而大大降低土的透水性等. (4)粘土颗粒间的相互作用力 土水悬浮液中当两粘土颗粒由于布朗运动而相互趋近时,在土粒间既有吸引力也有排斥力. 1)粒间吸引力 土粒间吸引力主要来源于分子间的范德华力.对于一个原子对之间的范德华吸引力一般是不大的,而且随着原子对距离的增加而迅速衰减.原子对之间的范德华吸引力与原子间距离的7次方成反比,土粒间的吸引力,应等于一个土粒中各个原子与另一土粒中各个原子间所有吸引力的总和VA, 吸引能VA大致与土粒表面的间距的2次方成反比(如图1-8),土粒间许多原子间吸引力的总和,不仅能产生较大的吸引力,可见也使随距离增加的衰减慢些. 2)土粒间的排斥力 可以按土粒间中央处结合水的离子浓度与离土粒表面很远处正常水溶液的离子浓度之差计算而得.由于粒间中央处离子浓度高于水溶液正常离子浓度,出现渗透压力,即水分子向粒间渗透,使土粒互相排斥.这种排斥力的存在,使得要把分离很远的土粒互相趋近到指定的间距,需要作一定的功,这个功即排斥能(或排斥电势)VR.作VR随离土粒表面距离d的变化曲线,可得 排斥势能曲线 .VR大致随着d的增加而呈指数下降(如图1-8).当电解质浓度由低变高时,由于双电层扩散层厚度被压缩,排斥作用的范围也大大缩减. 排斥力和吸引力是同时并存的,吸引能VA为负号,排斥能VR为正号,把土粒间的VA和VR相加,即可绘制粒间相互作用的净势能曲线如图1-9所示.图中水溶液浓度不同时,亦影响粒间相互作用的净势能曲线.图1-9a、图1-9b为低和中等电解质浓度时,在极短间距时排斥能占优势,而在短距离时吸引能占优势,在距离较大时,排斥能占优势;

图1-9c为高浓度时,在极短距离时,排斥能占优势,在短距离时吸引能占优势,但在距离较大时,并不出现排斥能. 在水溶液电解质浓度高时,除极短距离出现排斥能外,在其他距离内都不出现排斥能,则土粒在悬浮液中以很快的速度发生凝聚(或胶凝). 排斥能的大小,主要受双电层扩散层的厚度支配,也即主要受水溶液中与土粒表面电荷符号相反的反离子的离子价和浓度支配.而双电层扩散层中的反离子是可交换的离子.离子交换会改变双电层扩散层的厚度,从而改变土粒间的相互作用力.土粒间的排列及联结,对土的工程性质有极大影响.而物理化学环境的变化,会引起土粒间相互作用发生变化,从而使土的工程性质发生变化,实际工程中应注意这些变化. 1.2.2土中水和气(液相和气相) 1.土中水 在自然条件下,土中总是含水的.土中水可以处于液态、固态或气态.土中细粒愈多,即土的分散度愈大,水对土的性质的影响也愈大.研究土中水,必须考虑到水的存在状态及其与土粒的相互作用.存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类. (1)结合水 结合水是指受电分子吸引力吸附在土粒表面的土中水.这种电分子吸引力高达几千到几万个大气压,使水分子和土粒表面牢固地粘结在一起.由于土粒(矿物颗粒)表面一般带有负电荷,围绕土粒形成电场,在土粒电场范围内的水分子和水溶液中的阳离子(如Ka+、Ca2+、Al3+)一起吸附在土粒表面.因为水分子是极性分子(氢原子端显正电荷,氧原子端显负电荷),它被土粒表面电荷或水溶液中离子电荷的吸引而定向排列(见图1-10). 图1-10 结合水定向排列示意图 1)强结合水 强结合水紧靠土粒表面,其性质接近于固体,密度约为1.2~2.4g/cm3,冰点为-78℃,不能传递静水压力,具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度.粘土只含强结合水时,呈固体状态,磨碎后成粉末状态;