2.7 土-水-化学相互作用

土中的水实际上并不是纯水，而是由各种以离子或化合物形式存在于水中的电解质形成的电解质系统（常称为溶液），溶于水中的各种电解质会与水、黏土颗粒产生相互作用，构成了土-水-化学系统。此系统各部分之间的相互作用会对黏性土的性质产生显著的影响。对于黏性土来说，矿物组成主要为次生矿物中的黏土矿物。由于黏土矿物的种类不同，其晶格构造也不同。因此，黏土颗粒与孔隙水和孔隙水中介质的相互作用机制取决于黏土矿物的成分。同时，土孔隙水的绝对含量、水的结构及介质的物理成分和化学成分都是影响黏粒与水和电解质相互作用的重要因素。黏土颗粒与水和电解质的相互作用也与黏土颗粒表面的可接触面积有关，工程常用比表面积来描述颗粒可与电解质系统接触的能力。虽然目前土-水-化学系统的相互作用机制还没有被彻底研究清楚，但对其典型的特征已有一定的了解。

因此，黏性土颗粒较细小，比表面积大，表面能大，且矿物成分多为黏土矿物，与土孔隙中的溶液发生相互作用后，会发生一系列的物理化学现象，如黏粒表面的双电层、离子交换、黏粒的沉聚和稳定、黏性的触变和陈化等。这种由土-水-化学系统相互作用引发的物理化学现象会对黏性土的工程性质产生重要且显著的影响，值得重点研究。

由于无黏性土颗粒（砂粒、砾石）的尺寸很大，比表面积小，表面能小，且矿物成分多为原生矿物，颗粒与土孔隙中电解质系统的相互作用对土的物理力学性质很小，本节不讨论粗颗粒与孔隙水和孔隙水中物质的相互作用。

2.7.1 黏粒的比表面积及胶体特征

1.黏粒的比表面积

由土矿物成分与土粒组之间的关系可知，黏土颗粒较细小，矿物成分大多为次生矿物，多呈片状和针状。为了描述黏土颗粒与孔隙电解质系统接触的能力，引入了比表面积指标。比表面积定义为单位质量土颗粒所拥有的表面积，用A_s表示为

式中 ∑A——所有土颗粒的表面积之和；

m——土颗粒的总质量。

黏粒较细小，且多呈扁平状，比表面积值较大。一般来说，颗粒越细小，越扁平，比表面积就越大。例如，对于颗粒直径为0.1mm的圆球，其比表面积值接近0.03m²/g，而同体积高岭石的比表面积为10～20m²/g，伊利石为80～100m²/g，蒙脱石则可达到800m²/g。

土粒比表面积大小直接取决于颗粒的粒径、形状，间接取决于颗粒的矿物成分。比表面积可以直接反映黏粒与电解质系统相互作用的强烈程度，是描述黏性土特征的重要指标。

2.黏粒的胶体性质

土中黏粒组都较细小，接近于胶体颗粒的大小，表现出一系列胶体的特性，如黏粒的吸附能力。在黏粒物质内部，每个粒子都被周围的粒子包围，各个方向的吸引力是平衡的，但在表面层上粒子向内的吸引力没有平衡，使黏粒物质表面具有自由引力场。在这种力场的作用下，黏粒周围的其他物质就被吸引到黏粒表面，这种现象即为吸附作用。可认为黏粒吸附周围物质的能力源于黏粒表层粒子和固体内部粒子所处情况的不同。黏粒的表面由于具有不平衡电荷或游离价的原子或离子，形成了不对称静电引力场，可将外界极性分子和离子吸附到表面，这种吸附能力称为表面能。一般而言，比表面积越大，表面能就越大，吸附能力就越强。黏粒表面的离子也可与溶于水中的离子发生交换作用，引起土的物理力学性质的变化。

2.7.2 黏土的双电层

如前所述，黏土矿物颗粒表面可因吸附离子而带电，这部分被吸附的离子紧密、牢固地贴近黏土颗粒表面，可称为决定电位离子。带电的黏粒与孔隙水溶液发生接触和作用时，在静电引力的作用下，溶液中带相反电荷的离子被吸引到颗粒周围，称为反离子，反离子形成了反离子层，反离子层中的离子实际上是水化离子。同时，溶液中的极性水分子由于静电引力作用也会发生定向排列。黏粒周围的水化膜主要包含作为主体的极性水分子和起主导作用的离子。针对起主导作用的离子，可将此层称为反离子层；针对占主要成分的极性水分子，可将此层称为结合水层。

溶液中的反离子主要受到两种力的作用：一是黏粒表面的吸引力作用，使其向黏粒表面运动；二是离子本身的扩散作用，使其具有离开黏粒表面，向溶液中扩散的趋势。在这两种力的综合作用下，反离子的浓度随着与黏粒表面距离的增大而减小，最后与自由水浓度相同。由黏粒表面到自由水区域，将被黏粒表面紧密吸附的反离子形成的带电层称为固定层，固定层可随颗粒的运动而运动。在固定层外围，电位随着与黏粒表面距离的增大而降低，反离子受到的静电引力小于固定层中的反离子，同时受到扩散作用的影响，形成了扩散层。扩散层的厚度即为固定层外边缘到扩散层末端的距离。黏粒表面的固定层和扩散层如图2.19所示。黏性土颗粒的双电层结构即为黏土颗粒表面负电荷层（内层）和反离子层（外层）的合称。可将黏粒与表面吸附层的决定电位离子层统称为胶核，胶核与固定层合称为胶粒，胶粒与扩散层组合成胶团。胶团的电化学性质呈中性。

黏土矿物颗粒表面的带电情况如图2.20所示，带负电荷的晶层平面并不是黏土矿物的唯一表面，还有断裂的边缘表面，断裂的边缘表面带有正电荷，可形成带正电荷的双电层。这一点需要注意。

图2.19 固定层和扩散层示意图

图2.20 矿物表面的带电情况

1—极性分子；2—正电阳离子

双电层中扩散层的厚度对黏土的工程性质有显著的影响。扩散层厚度大，土的塑性高，颗粒之间相对距离也较大，土的膨胀性和收缩性大，压缩性大，强度较低。扩散层的厚度首先取决于内层热力电位，热力电位与土粒的矿物成分、分散度或比表面积等因素有关。当内层热力电位一定时，扩散层的厚度则随孔隙水溶液中水化离子性质、浓度和离子交换能力等因素的变化而变化。变化机制如下：

（1）阳离子的原子价高，扩散层厚度变小。

（2）阳离子的浓度大，扩散层的厚度变小。

（3）阳离子直径大，扩散层的厚度变大。

（4）阳离子交换能力越大，形成的扩散层厚度越小。阳离子的交换能力取决于离子价位和半径，一般高价离子交换能力大于低价离子；同价离子中，半径小的交换能力小于半径大的。

在实际工程中，可通过改变孔隙水溶液化学成分的方法改变扩散层的厚度，以改良黏性土的工程性质。

2.7.3 黏土的触变和陈化

在聚结后产生的饱和松黏土受到振动、搅拌、电流和超声波等外力作用影响时，土体的结构会发生破坏，产生类似于液化的现象，变成溶胶或悬液。当这些外力作用停止后，黏土又重新聚结，恢复结构，可将这种一触即变的现象称为黏土的“触变”。产生触变时要求黏土的扩散层较厚，孔隙体积较大，具体条件为：土中粒径小于0.01mm的颗粒含量较大；土颗粒的形状为片状或长条状；矿物成分为亲水性矿物；孔隙水溶液原子价低、浓度低、离子交换能力小；结构一般为网状结构。

具有触变性的土经过一定时间后失去液化的能力，即失去原有触变性，这种现象称为“陈化”。黏土的陈化现象还包括：①黏粒从无定形流动状态转变为结晶状态；②黏土从高分散性转变为低分散性，即由细粒变为粗粒，亲水性降低；③黏土脱水体积变小，密实度增大。