[科普中國(guó)]-膨脹性粘土

粘土與水的相互作用

粘土與水的相互作用可分為兩個(gè)階段:第一階段為層間膨脹，如蒙脫石粘土在吸水過(guò)程中,可得到多少有些穩(wěn)定的相當(dāng)于層間有1層、2層、3層到4層水分子的水化粘土的結(jié)構(gòu)。當(dāng)吸附4層水分子時(shí),層間膨脹可使粘土的體積增加1倍。層間膨脹的解釋如下：一種認(rèn)為是由于層間交換性陽(yáng)離子的水合作用引起的，因?yàn)榇蟮乃夏芸煽朔挝粚娱g的吸引力。無(wú)同晶置換因而也無(wú)層間電荷的原型礦物如葉臘石等，由于沒(méi)有層間陽(yáng)離子，故沒(méi)有陽(yáng)離子的水合能可利用,所以沒(méi)有層間膨脹。另一種認(rèn)為由于侵入的水分子與晶格表面的氧原子建立氫鍵而吸附的，原因是某些水分子的幾何排列可能有利于這種氫鍵合。在原型礦物中沒(méi)有層間膨脹的是由于其表面水合能太小，不足以克服單位層間的分子引力。因?yàn)樵谠偷V物中,單位層之間的距離小，其吸引力比蒙脫石為強(qiáng)之故。實(shí)際上，層間膨脹的機(jī)理是頗為復(fù)雜的，除了分子引力與水合能外,在帶電層與層間陽(yáng)離子之間的靜電能在解釋決定單位層分離的力的平衡中也要考慮。因此，在某些粘土與某種交換性陽(yáng)離子中，離子水合能在層間膨脹中起主要作用，而在另一些粘土與另一些陽(yáng)離子間,表面水合能可能更重要。第二階段為滲透膨脹,這時(shí)單個(gè)顆粒面之間的雙電層斥力起作用,這種斥力迫使它們吸收水分而推開(kāi)。在這一膨脹階段，伴隨有較大的體積變化，但是如果形成顆粒的邊-面締合，將導(dǎo)致凝膠的形成,常使粘土膨脹有一限度。

土壤經(jīng)過(guò)干縮濕脹的作用，體積發(fā)生變化，影響土壤結(jié)構(gòu)的形成、破碎和孔隙度，有時(shí)也影響植物根系的生長(zhǎng)。同時(shí)，土壤吸水膨脹后，顯著降低土壤中自由水的移動(dòng)，對(duì)植物生長(zhǎng)有一定影響。膨脹是土壤膠體屬性之一。各種土壤粘粒礦物的膨脹度不同，由土壤中粘粒礦物的組成可以推論土壤吸水膨脹性能;反之,由土壤膠體吸水膨脹性能亦可推論土壤膠體的本性。1

膠體膨脹膠體膨脹可從以下幾方面測(cè)定其有關(guān)數(shù)據(jù)：

①膨脹后體積的變化；

②膨脹壓；

③膨脹后在液體中沉降的體積；

④膨脹時(shí)所結(jié)合的液量。1

浸水軟化膨脹性粘土浸水膨脹是因?yàn)樽饔迷谕凉羌苌系挠行?yīng)力減小了的緣故，膨脹壓力是介質(zhì)吸力的間接度量。

不固結(jié)不排水剪和固結(jié)排水剪的強(qiáng)度包線存在著一個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)壓力隨土樣初始含水量增大而減小，這一交點(diǎn)壓力也代表膨脹性粘土的膨脹壓力。

膨脹性粘土浸水軟化主要表現(xiàn)在凝聚力的降低上，內(nèi)摩擦角只減小1°~3°，并且初始含水量越大的土強(qiáng)度衰減越小，這一強(qiáng)度損失可以用交點(diǎn)壓力或?qū)崪y(cè)膨脹壓力與固結(jié)排水剪摩擦系數(shù)的乘積來(lái)估算。2

改性1.用石灰、水泥、粉煤灰等材料改良膨脹性粘土能減小或消除膨脹土的脹縮性。但現(xiàn)場(chǎng)操作不可能像室內(nèi)把 土體拌合得非常均勻 ，因此 ，可把摻灰比提 高 2 ～3 個(gè)百分點(diǎn)，摻灰量有一個(gè)最佳的配比，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)資料分析這個(gè)值 在7%左右。

2.摻灰、水泥、粉煤灰等材料改良的膨脹性粘土顆粒較任意地定向排列，形成了凝聚結(jié)構(gòu)，增加了土的透水性使土體更具團(tuán)粒化 ，加大了孔隙壓力的消散速度。使填筑路堤的沉降最大部分在施工期內(nèi)完成。

3.改良后的土體強(qiáng)度隨時(shí)問(wèn)增長(zhǎng)而增大，浸水后灰土體的強(qiáng)度有所損失，但衰減幅度很小，作為一般工程富足有余。3