【正文】 )。 在酸性條件下， SiO2面上帶負(fù)電， 形成負(fù)雙電層；Al2O3面上帶正電 ，形成正雙電層 (圖 b)。 ?（ 3） 同晶臵換（同晶替代）作用 ? 黏土礦物晶格中的陽(yáng)離子常被低價(jià)陽(yáng)離子臵換，主要是 八面體中的 Al3+被 Fe2+、Mg2+、 Ca2+臵換，四面體中的 Si4+被 Al3+或其它陽(yáng)離子臵換。臵換的結(jié)果是 引起電荷不平衡，在顆粒表面產(chǎn)生過(guò)剩的未飽和的負(fù)電荷。 ? 不同礦物的電荷數(shù)不同，伊利石每單位晶胞中約有 ~，但大部分被層間的非交換性的 K+平衡；蒙脫石每單位晶胞中約有 ；高嶺石基本上不存在同晶臵換現(xiàn)象。 ?（ 4） 邊緣破鍵電荷不平衡 ?理想晶體內(nèi)正負(fù)電荷相平衡。但在黏粒的邊緣處結(jié)晶格架的連續(xù)性受到破壞，鍵破裂，造成電荷不平衡 ，使黏粒表面帶有凈負(fù)電荷。顆粒越細(xì)小，破鍵越多，所以比表面越大，表面能就越大。 總體而言，由于上述原因，天然狀態(tài)下，黏性土帶電，且所帶的負(fù)電荷多于正電荷。因此，一般認(rèn)為土帶負(fù)電荷。 ? 雙電層的概念 ? 當(dāng)膠核與溶液作用時(shí)，能吸附溶液中的離子并使之與其牢固結(jié)合帶電，組成一個(gè)離子層，稱為 電位離子層 ，其中的離子稱為電位離子。由于靜電引力的作用，在帶電的膠核周圍又吸附一層符號(hào)與電位離子相反的離子層，稱為 反離子層 ，其中的離子稱為反離子。這樣，膠核表面吸附了兩層電荷符號(hào)相反的離子層，形成了膠體的 雙電層 。 ?膠體的結(jié)構(gòu)如右圖所示。構(gòu)成膠體粒子的基本物質(zhì)稱為膠粒，膠粒與固定層稱為膠核，膠核與擴(kuò)散層稱為膠團(tuán)。 ?反離子層中的離子實(shí)際上是 水化離子 ，即 離子周圍吸引著極性的水分子 。因此，反離子層又稱為結(jié)合水化膜 。 ?反離子層中接近黏粒的離子由于受黏粒靜電吸引強(qiáng)烈而不能自由運(yùn)動(dòng)，這部分離子構(gòu)成 固定層 ；固定層以外的離子除受靜電引力作用外，還受分子熱運(yùn)動(dòng)的影響，具有自由擴(kuò)散的趨勢(shì)，這部分離子構(gòu)成 擴(kuò)散層 。 ?擴(kuò)散層中的離子可以進(jìn)入水溶液中，水溶液中的離子也可以進(jìn)入擴(kuò)散層，達(dá)到相互平衡。 ?擴(kuò)散層的厚度對(duì)黏性土的工程性質(zhì)有直接的影響 。 ?當(dāng)水膜厚度增大時(shí)，顆粒間距也增大，顆粒間的連接強(qiáng)度減小，顆粒相對(duì)活動(dòng)性強(qiáng)，土可具有塑性，土的體積會(huì)膨脹，黏性土的抗變形能力小，強(qiáng)度低； ?當(dāng)水膜厚度減小時(shí)，粒間距減小，顆粒連接增強(qiáng)，土可呈固態(tài)，土的抗變形能力增強(qiáng)，強(qiáng)度增高。 ? 影響?zhàn)ちU(kuò)散層厚度的因素 ?擴(kuò)散層的厚度決定黏性土很多重要的特性如集聚穩(wěn)定性、膨脹性、收縮性、塑性、壓縮性等。 ?擴(kuò)散那層厚度與顆粒的礦物成分、顆粒形狀和大小的影響，還與介質(zhì)的化學(xué)成分、濃度及 PH值等有關(guān)。 ? 1）礦物成分及其分散程度 ? 不同礦物成分，同晶臵換程度不同，帶電的數(shù)量不同。蒙脫石的同晶臵換程度較高，永久電荷數(shù)量較大；高嶺石的同晶臵換基本不存在，永久電荷數(shù)量極少；伊利石的同晶臵換最多，但由于 K+的中和，剩余的永久電荷較少。 ? 分散程度越高，比表面積越大，吸附能力越強(qiáng)。 ? 因此，蒙脫石比高嶺石和伊利石具有更高的動(dòng)電電位和更強(qiáng)的水化能力（吸附水分子）。 ? 2）溶液的化學(xué)成分及其濃度 ? 擴(kuò)散層厚度主要取決于介質(zhì)溶液中離子的類型、濃度及其離子價(jià)。 ? 溶液中可被選擇性吸附的離子濃度越大，擴(kuò)散層越厚。 ? 溶液中反離子的濃度越大，使擴(kuò)散層厚度壓縮，更多的陽(yáng)離子進(jìn)入固定層。 ? 反離子的價(jià)數(shù)越高，離子與電位離子之間的靜電引力越強(qiáng)，從而使擴(kuò)散層厚度變薄。 ? 3）溶液的 PH值 ? 溶液 PH值能改變黏土顆粒的電荷數(shù)量，從而影響擴(kuò)散層的厚度。擴(kuò)散層的厚度隨 PH值的升高而增大。 ? 在干旱、半干旱地區(qū)，空隙溶液多呈堿性，而土中的黏粒多為蒙脫石、伊利石及易溶鹽，可形成較厚的擴(kuò)散層，且擴(kuò)散層中常含 Na+，也可使擴(kuò)散層厚度增大。因此，這些地區(qū)的土遇水后易分散崩解，土的工程特性較差。 ? 在濕熱地區(qū)，土中黏粒主要為高嶺石和游離氧化物，土溶液常呈酸性，因而有的顆粒表面帶正電荷，有的顆粒帶負(fù)電荷，使粒間連接增強(qiáng)；同時(shí)在帶負(fù)電荷顆粒表面的擴(kuò)散層中含有 H+、 Al3+等離子，而帶正電荷顆粒表面的擴(kuò)散層中含有 OH離子，它們都可使擴(kuò)散層厚度變薄，土粒連接較牢固。因此，在濕熱地區(qū)土的工程性質(zhì)相對(duì)較好。 ? 黏性土的膠體化學(xué)特性及其工程意義 ? 黏性土的膠體化學(xué)特性主要有： ? 水化膜 ? 離子交換 ? 電場(chǎng)作用下的電動(dòng)現(xiàn)象 ? 凝聚與分散 ? 觸變與陳化 ? 黏性土的膠體化學(xué)特性使黏性土具有其它土所沒(méi)有的復(fù)雜多變的工程性質(zhì)。在實(shí)踐中，黏性土膠體特性不僅是分析、預(yù)測(cè)及改善土的工程性質(zhì)的理論基礎(chǔ)，而且常利用膠體特性解決一些實(shí)際工程問(wèn)題。 ? 1）顆粒表面水化膜 ? 黏性土與其他土不同，含有相當(dāng)數(shù)量的結(jié)合水，在顆粒周圍形成一層結(jié)合水化膜。 ? 水化膜中的水分子與自由水不同，具有一定的粘滯性，越靠近顆粒表面，水分子排列越緊密，粘滯性越大，彈性與抗壓強(qiáng)度也越大；遠(yuǎn)離顆粒的水分子越相分離，粘滯性與強(qiáng)度越弱。 ? 水化膜的厚度主要取決于結(jié)合水的多少。弱結(jié)合水越多，水化膜厚度越厚，粘滯性和強(qiáng)度越低，顆粒間越易活動(dòng)。因此，黏性土的強(qiáng)度與變形，取決于土中水化膜的厚薄。 ? 擴(kuò)散層中結(jié)合水具有活動(dòng)性造成黏性土的可塑性，水化膜厚度的增減引起黏性土的膨脹性和收縮性。 ? 相鄰黏粒的水化膜可以部分重合，形成公共水化膜，是黏粒相互連接的一種方式，其連接強(qiáng)度取決于水化膜的厚度（與土的含水率有關(guān)） 。 ? 2）離子交換 ? （ 1）離子交換的概念 ? 黏粒表面擴(kuò)散層中的離子與空隙溶液中的離子發(fā)生交換，被吸附的離子進(jìn)入溶液、而溶液中的離子進(jìn)入擴(kuò)散層，這種現(xiàn)象稱為 離子交換 （下圖）。 對(duì)黏性土來(lái)說(shuō)，多數(shù)為陽(yáng)離子交換 。參與交換的離子稱為 交換離子 。 ? 土的離子交換特性可用離子交換容量來(lái)表示。離子交換容量 是 指在一定的條件下，土中具有交換能力的離子總數(shù)。通常用每 100g干土中具有交換性離子的毫摩爾數(shù)表示。 土的交換容量是一個(gè)可變的量，其大小取決于顆粒大小、形狀、礦物成分以及溶液的性質(zhì)。 ? 離子交換容量測(cè)定：在土中進(jìn)行離子交換測(cè)定時(shí)，必須反復(fù)添加所需溶液，如測(cè)定土的交換容量和交換陽(yáng)離子成分時(shí)，通常采用飽和醋酸銨（ NH4COOH）溶液與 1g的土反復(fù)作用，直至交換后溶液中沒(méi)有 Ca2+為止。 黏土礦物 不同 PH值時(shí)的交換容量 (mmol/100g ) PH= PH 蒙脫石 50 高嶺石 2 5 粒組 (mm) 交換容量 (mmol/100g ) 礦物名稱 含水氧化 鐵、鋁 高嶺石 多水高嶺 石 伊利石 蒙脫石 腐殖質(zhì) 交換容量 (mmol/100g ) 極微 2025 520 4075 100200 硅鋁率 交換容量 (mmol/100g ) 35 ? （ 2）離子交換規(guī)律 ? 高價(jià)離子交換低價(jià)離子； ? 同價(jià)離子中離子半徑大的交換離子半徑小的（ H+除外）； ? 濃度高的離子交換濃度低的離子； ? 離子交換是可逆的，且服從質(zhì)量守衡定律。 ? 在分布最廣的陽(yáng)離子中，交換能力遵循的次序?yàn)椋? Fe3+Al3+H+Ba2+Ca2+Mg2+HN4+K+Na+Li+ ? （ 3）天然土中常見(jiàn)的交換陽(yáng)離子成分 ? 天然土中常見(jiàn)陽(yáng)離子的成分取決于空隙溶液的成分。常見(jiàn)的為 Ca2+、 Mg2+、K+、 Na+、 H+等，以 Ca2+最為常見(jiàn)。 ? 土中交換離子成分常與土的成因類型及沉積環(huán)境有關(guān)： ?在淡水沉積的土中，除含 Ca2+外還可含 H+； ?在由巖漿巖風(fēng)化產(chǎn)物形成的沖積黏土中，交換陽(yáng)離子含有一定量的 Mg2+； ?在現(xiàn)代海相沉積物中，交換陽(yáng)離子 Na+廣泛分布。 ? 在濕熱地區(qū)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期溶濾的土中往往含較多的交換離子 H+。當(dāng)土中含有 H+時(shí)稱為“非飽和土”。我國(guó)南方的酸性土往往是非飽和土，其交換離子總量小于交換容量。 ? 在干旱半干旱地區(qū)，由于土面蒸發(fā)強(qiáng)烈，地下水中的鹽類通過(guò)毛細(xì)作用在表土層中積累，形成鹽堿土，富含 Na+，潮濕時(shí)由于 Na+可使擴(kuò)散層增厚而導(dǎo)致土層泥濘不堪。 ? 含有不同交換離子的土具有不同的物理力學(xué)性質(zhì)。含 Na+黏性土的膨脹性、收縮性、塑性和壓縮性較含 Ca2+黏性土大，而抗剪強(qiáng)度、透水性前者較后者小。如含交換 Na+高的土易發(fā)生管涌，這是因?yàn)樗ぴ龊袷雇亮ｉg連接力減小。通常黏性土中 Na+含量占總交換容量的 15%時(shí)，土將有嚴(yán)重的管涌能力。 ? （ 4）離子交換的工程意義 ? 由于土中離子交換能引起雙電層離子成分的變化，引起擴(kuò)散層厚度的變化，改變土的分散程度和結(jié)構(gòu)特征，從而改變土的工程性質(zhì)。因此， 可以利用離子交換來(lái)改變土的物理力學(xué)性質(zhì)，從而達(dá)到土體改良的目的 。如加固地基強(qiáng)度的電動(dòng)硅化法，就是利用 Al3+去交換土中的 Ca2+、 Na+等離子，使土粒水化膜厚度變薄，增強(qiáng)顆粒之間的連接，從而提高土體強(qiáng)度。 ? 了解離子交換還可 預(yù)測(cè)由于工程建筑影響自然條件改變而引起的土的物理力學(xué)性質(zhì)的改變，從而在工程建筑中提出適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施 。 ? 3）黏性土的電動(dòng)現(xiàn)象 ? 黏性土中的水分子及水化陽(yáng)離子在電場(chǎng)的作用下能穿過(guò)黏性土的空隙向負(fù)極運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱為 電滲 ；而黏粒在電場(chǎng)的作用下能向正電極的運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱為電泳 。電滲和電泳總稱為電動(dòng)現(xiàn)象 。這個(gè)現(xiàn)象早在1809年由莫斯科大學(xué)的列依斯教授經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的。電動(dòng)現(xiàn)象說(shuō)明黏粒是帶負(fù)電的。 通電后，陽(yáng)極水管中水自下而上逐漸混濁，水位下降；陰極水管中水保持清澈，水位上升。 若將電極直接插入黏土塊中，通電后，陽(yáng)極周圍土逐漸變干，陰極周圍土變得更濕。 ? 黏性土的電動(dòng)現(xiàn)象在工程上的應(yīng)用： ? 電滲排水 —— 一些淤泥質(zhì)軟土及黏土類土，由于滲透系數(shù)過(guò)小，無(wú)法用水泵進(jìn)行基坑排水，這時(shí)可沿基坑四周設(shè)臵管井作為集水陰極，用廢鐵管作為陽(yáng)極打入基坑土中，通上直流電，即形成電滲排水。 ? 電滲沉樁 —— 利用正在下沉的樁作為陰極，使流向陰極的水降低樁的摩擦力，以提高施工效率。 ? 縮短黏性土的固結(jié)時(shí)間 —— 通過(guò)電滲排水，還可使水從黏性土中盡快排出，以縮短黏性土的固結(jié)時(shí)間，加快黏性土的強(qiáng)度增長(zhǎng)。 ? 4）凝聚和分散作用 ? 顆粒之間相互結(jié)合稱為 凝聚作用； ? 顆粒之間相互分離稱為 分散作用。 ? 黏粒的凝聚與分散作用都是由于擴(kuò)散層厚度變化造成的。擴(kuò)散層厚度變薄，顆粒相互靠攏，產(chǎn)生凝聚；擴(kuò)散層厚度變厚，顆粒分離，產(chǎn)生膠溶。 ? 凝聚的動(dòng)力主要是分子引力，有時(shí)是靜電引力。靜電引力凝聚主要是電性不同的膠粒在靜電引力作用下的凝聚，如酸性條件下，黏土礦物基面與斷口帶異號(hào)電荷，形成不同性質(zhì)的雙電層，發(fā)生異電作用凝聚，結(jié)果使黏粒邊 — 面結(jié)合。 ? 凝聚在自然條件下可有電解質(zhì)凝聚和干燥凝聚兩種方式 。 電解質(zhì)凝聚 是通過(guò)離子交換使擴(kuò)散層變薄產(chǎn)生