【文章內(nèi)容簡介】 系 ? 不同粒徑具有不同的礦物成分。物理強(qiáng)度大、物理 — 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性差的原生礦物多集中于粗的粒組中，物理強(qiáng)度小，物理 — 化學(xué)穩(wěn)定性高的原生礦物多存在于細(xì)粒組中： ?石英、長石、云母是組成砂土的主要礦物成分。石英的物理強(qiáng)度大，物理 — 化學(xué)穩(wěn)定性高，可存在于各粒組中。 ?長石則主要存在于中粗砂組中。云母的物理強(qiáng)度低，一般只存在粉細(xì)砂中。 ?粉粒組都是由抗風(fēng)化能力強(qiáng)、物理 —化學(xué)穩(wěn)定高的原生礦物石英組成。次生礦物高嶺石可出現(xiàn)于粉粒組中。干旱地區(qū)，難溶的碳酸鹽礦物也是粉粒組的主要礦物。 ?黏粒組幾乎全部由次生礦物及有機(jī)質(zhì)組成。 ?2mm以上的粒組多為母巖碎屑（巖屑），顆粒具多礦物結(jié)構(gòu)，同時可含有長石、石英等單礦物。 黏土礦物的晶體結(jié)構(gòu)及其基本特征 ?黏土礦物的定義： ?是一類具有片狀或鏈狀結(jié)晶格架結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽礦物，是原生礦物長石、云母等硅酸鹽礦物經(jīng)過化學(xué)風(fēng)化作用形成的新的次生礦物。 ?黏土礦物的種類： ?高嶺石 ?伊利石 ?蒙脫石 ?綠泥石 ?蛭石，等 最常見 ? 黏土礦物的特點(diǎn) ： ?具有高分散性 、 高親水性 、 強(qiáng)吸附性和離子臵換性能 。 黏土礦物顆粒極細(xì)小 ， 一般都小于2?m， 呈扁平形狀 ， 比表面很大 ， 與水作用具有很強(qiáng)的物理 — 化學(xué)活性 ， 當(dāng)土中含少量黏土礦物時 ， 就能改變土的許多重要性質(zhì) ， 如親水性 、 滲透性 、 塑性 、 膨脹性及強(qiáng)度等 。 黏土礦物的這種活性 ， 不僅在于其有很大的比表面 ，而主要還在于其晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 。 ? 黏土礦物的研究意義 ： ?黏土礦物是構(gòu)成黏粒的主要礦物成分 ， 含黏土礦物的土的工程性質(zhì)很大程度上取決于黏土礦物 ， 以黏土礦物為主構(gòu)成的土的工程性質(zhì)復(fù)雜多變 。 因此 ， 在工程實踐中 ， 歷來重視黏土礦物的研究 。 ? 1） 黏土礦物的基本結(jié)構(gòu)類型 ? （ 1）黏土礦物晶胞的組成單元 ? 硅 — 氧四面體片 ?鋁（鎂） 氧（氫氧）八面體片 ? （ 2）四面體片和八面體片的排列方式 ? 配位相連形成結(jié)構(gòu)單元層，即單位晶胞。按其排列方式，結(jié)構(gòu)單元體層可分為： ? 雙層型（ 1:1） —— 由一層四面體片和一層八面體片組成，如高嶺石； ? 三層型（ 2:1） —— 由兩層四面體片夾一層八面體片組成，如蒙脫石、伊利石、蛭石等； ? 混合型（ 2:1:1） —— 三層型與氫氧鎂八面體片相間排列組成，如綠泥石。 ? 2）主要黏土礦物的結(jié)晶化學(xué)結(jié)構(gòu)特征及其性質(zhì) ? （ 1）高嶺石 ? 高嶺石具有典型的 1:1雙層層狀結(jié)構(gòu) 。 ? 高嶺石相鄰晶胞以氧原子與氫原子氫鍵相連接。因此，高嶺石晶胞間的連接力較強(qiáng)，晶胞間活動性較弱，在與水相互作用時， 水分子不能進(jìn)入晶胞間，晶體不能產(chǎn)生層間膨脹，親水性小 。 ? 高齡石單位晶胞的厚度為 （ ）。 高齡石與水作用所表現(xiàn)的物理 —化學(xué)活性弱。但由于顆粒細(xì)小，分散程度高，帶少量的電荷，可吸附極性水分子形成水化膜，具有一定可塑性?？傮w上，含高嶺石的黏性土的工程性質(zhì)不易因外界條件的變化而變化。 ? （ 2）蒙脫石 ? 蒙脫石為 2:1三層型層狀結(jié)構(gòu)。 ? 晶胞間的連接弱，晶胞間具有異常大的活動性，水分子及其他極性分子可進(jìn)入晶胞之間，使晶體發(fā)生膨脹。蒙脫使的晶胞間距取決于晶胞間水分子的含量，晶胞間距可由 14A甚至更大。蒙脫石晶體可分裂形成更小的顆粒。蒙脫石的顆粒極細(xì)小，一般為 ~?m，具有巨大的比表面積，親水性大。 ? 同晶臵換是蒙脫石晶體結(jié)構(gòu)的另一個特點(diǎn)。 每單位晶胞中約有 電荷。 蒙脫石與水作用時表現(xiàn)出強(qiáng)烈的物理 — 化學(xué)活性，并對外部條件非常敏感。因此，含蒙脫石的土具有含水量大、壓縮性高、強(qiáng)度低、吸水膨脹、失水收縮及高塑性等的特點(diǎn)，其性質(zhì)易隨外界條件的變化而變化。 ? （ 3）伊利石 (水云母 ) ? 伊利石的晶體結(jié)構(gòu)屬于 2:1三層層狀結(jié)構(gòu)。 ? 四面體中 Si4+約有 1/6被 Al3+臵換，使單位晶胞中約有 ~剩余負(fù)電荷，而且其大部分被層間的非交換性的 K+平衡。 K可起到連接相鄰晶胞的作用。因此，水分子等極性分子不能進(jìn)入晶胞間，晶胞間的膨脹性很弱。 K 物理 — 化學(xué)性能界于蒙脫石與高嶺石之間。 ? （ 4）三種黏土礦物工程性質(zhì)的比較 ? 高嶺石相鄰晶胞之間具有較強(qiáng)的氫鍵連接 ， 結(jié)合牢固 ， 水分子不能自由進(jìn)入晶體內(nèi)部 ， 因而可形成較粗的黏粒 ， 比表面積小 ， 親水性弱 ， 壓縮性較低 ， 抗剪強(qiáng)度較大 。 ? 蒙脫石相鄰晶胞間距較大 ， 連接較弱 ，水分子易進(jìn)入晶體內(nèi)部 ， 故可形成較細(xì)小的顆粒 ， 比表面積較大 ， 親水性較強(qiáng) ，膨脹性顯著 ， 壓縮性高 ， 抗剪強(qiáng)度低 。 ? 伊利石的工程性質(zhì)則界于兩者之間 。 ? （ 5）黏土礦物對土的工程性質(zhì)的影響 ? 根據(jù) Guilloux， A（ 1978） 等的資料 ， 當(dāng)細(xì)砂中夾有黏土礦物時 ， 將影響到砂土的承載力 。夾雜的黏土礦物的成分不同 ， 其承載力也不同： ? 若夾雜的是活動性弱或無的礦物如高嶺石 、 硅土等 ， 則對砂土的承載力影響不大 ， 只有當(dāng)細(xì)粒（ 粒徑小于 4?m的顆粒 ） 含量達(dá)到 12%時 ， 才使其承載力較純砂土產(chǎn)生明顯變化 。 ? 若夾雜有中等活動性的伊利石 ， 只要細(xì)粒含量達(dá)到 8%就可使承載力較純砂土有顯著的差別 。 ? 若夾雜的是蒙脫石 ， 則當(dāng)細(xì)粒含量達(dá)到 4%就可使承載力較純砂土顯著下降 。 ? 3）黏土礦物的鑒定方法 ? 黏土顆粒細(xì)小、種類多、成分復(fù)雜，用偏光顯微鏡等方法難以鑒別其礦物成分。通常采用： ? X射線衍射分析法 ? 電子顯微鏡照相 ? 差熱分析法 ? 脫水曲線法 ? 染色法 ? 紅外光譜法 等。 ? 一般配合使用，互相對比參考，以取得較好的效果，即應(yīng)采用綜合分析方法。 高嶺石（六角形，邊緣清晰）與伊利石 蒙脫石 伊利石 2 土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu) 土的基本特性 土的粒度成分 土的礦物成分 土的化學(xué)成分 土中的水和氣 土與水的相互作用 ? 土的化學(xué)成分主要是指土種固體相、液體相的化學(xué)元素、化合物種類及其含量。 ? 土中的化學(xué)元素都是以化合物的形式存在于土中。 ? 對土的固相的化學(xué)成分，主要研究不可溶性次生礦物和可溶鹽的化學(xué)成分。研究化學(xué)成分可以鑒別礦物種類，并進(jìn)一步研究黏粒與溶液的相互作用的特征，從而揭示土尤其是黏性土工程性質(zhì)的本質(zhì)。 ? 固體相化學(xué)成分采用 “ 全量化學(xué)分析法 ”測定 ：提取小于 2?m的黏粒，測定硅、鋁、鐵、鈣、鎂、鉀、鈉等組成黏土礦物的主要元素。其成果為各元素的氧化物的含量，計算出 硅鋁率 (SiO2/R2O3)，判斷礦物種類。不同黏土礦物的硅鋁率是不同的： ?高嶺石為 2 ?伊利石為 3 ?蒙脫石 4 ? 液相化學(xué)成分采用提取液方法測定。 2 土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu) 土的基本特性 土的粒度成分 土的礦物成分 土的化學(xué)成分 土中的水和氣 土與水的相互作用 ? 土中的水 ? 水是土中最為常見的液相。水在中的多少一般用含水量（率）表示， 土中含水量的變化是土的工程性質(zhì)變化的最重要的原因 。土的抗剪強(qiáng)度、壓縮性和滲透性都直接或間接地與土的含水量有關(guān)。因此，水是控制土的工程性質(zhì)的重要因素，也是引起土的性質(zhì)變化的主要因素之一。 ? 土中的水可根據(jù)其儲存部位分為 ? 礦物中的結(jié)合水 ? 結(jié)構(gòu)水 ? 結(jié)晶水 ? 沸石水 ? 空隙中的水 ? 結(jié)合水 ? 毛細(xì)水 ? 重力水 ? 氣態(tài)水 ? 固體冰 ? 其中， 土粒表面的結(jié)合水對土尤其黏性土的工程性質(zhì)影響極大 。 ? 土中的氣體 ? 土中的氣體主要為空氣和水汽，有時還有較多的 CO沼氣、 H2S等。 與土中的液體相比，氣體對土的工程性質(zhì)的影響要小得多 。 ? 主要的影響為： ?密閉氣體影響土的強(qiáng)度和變形 ?過多的水氣在土粒表面凝聚形成結(jié)合水 ?CO沼氣、 H2S等有毒有害氣體的存在影響施工和建筑物的安全使用 ?…………… 2 土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu) 土的基本特性 土的粒度成分 土的礦物成分 土的化學(xué)成分 土中的水和氣 黏性土與水的相互作用 土的結(jié)構(gòu)和土體結(jié)構(gòu) ?黏粒是土中高度分散的顆粒，包括黏土礦物、氧化物、有機(jī)質(zhì)等。由于顆粒細(xì)小，接近于膠體的顆粒，因而表現(xiàn)出一系列膠體的特性。引起的原因是黏粒表面帶電。 ? 黏粒表面帶電的成因 ? 黏粒表面帶電主要的 4種途徑： ? 1） 選擇性吸附 ?黏粒與其他膠粒一樣，表面具有選擇性吸附的性能，它總是選擇性地吸附與它本身結(jié)晶格架中相同或相似的離子，使黏粒表面帶電。 ?例如，將難溶的方解石（ CaCO3 ）顆粒放入含 Na2CO3溶液中，顆粒表面將吸附溶液中的CO32，形成電位離子層，反離子層則為 Na+，方解石顆粒表面帶的是負(fù)電；但若將方解石顆粒放在 CaCl2溶液中，則 Ca2+成為電位離子，Cl為反離子，方解石顆粒表面帶的是正電。 ?2） 水化解離作用 ?黏粒表面與水作用后生成離子發(fā)生基，而后離解，再選擇性地吸附與礦物晶體格架上性質(zhì)相同或相似的離子，使黏粒表面帶電。 ?黏土礦物中含有 Al2O3和 SiO2成分，在與水接觸時，黏土礦物基面、斷口處 Al2O3和 SiO2離解而使黏土礦物帶電，電荷的性質(zhì)與介質(zhì)的 PH值有關(guān)。 ? （ 1） Al2O3（注意兩性體）的離解 Al2O3與 水 作用形成 的離子發(fā)生基為Al(OH)3： Al2O3+3H2O=2Al(OH)3 Al(OH)3是兩性體 ，在不同的 PH值下，離解方式是不同的 : ?PH，為酸式 分解 Al(OH)3—— Al(OH)2O+H+ ?PH，為堿式 分解 Al(OH)3—— Al(OH)2+OH 當(dāng)溶液 PH，黏粒吸附Al(OH)2O而帶負(fù)電； 當(dāng)溶液 PH，黏粒吸附Al(OH)2+而帶正電。 當(dāng) PH=， Al(OH)3不發(fā)生離解，此時的 PH值稱為等電PH值。 不同成分的等電 PH值是不同的， Al2O3為 ， Fe2O3為 。 ?（ 2） SiO2離解 SiO2水解作用 后形成的離子發(fā)生基為 H2SiO3： SiO2+H2O=H2SiO3 H2SiO3在酸性溶液中不易離解，在堿性溶液中按酸式離解 ： H2SiO3—— HSiO3+H+ HSiO3被吸附 ，黏粒帶 負(fù)電。 ? 黏土礦物是由硅氧四面體片和鋁氧八面體片構(gòu)成 ， 其晶面 和 邊 緣 斷 口 由SiO2和 Al2O3組成 ，在堿性條件下 ， 晶面 、 斷口均帶負(fù)電， 形成負(fù)雙電層 （圖 a