土力学粘性土的物理化学性质.pptx
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1、粘性土特有的性质及成因粘性土特有的性质及成因u 粘性土随着含水量的不同会呈现不同的物理状态。粘性土随着含水量的不同会呈现不同的物理状态。u 这种性质主要取决于这种性质主要取决于粘粒粒组的含量粘粒粒组的含量与与粘粒的矿物成分。粘粒的矿物成分。第1页/共61页比表面积比表面积u 所谓比表面积就是单位体积内颗粒表面积的总和。所谓比表面积就是单位体积内颗粒表面积的总和。u 颗粒越细,比表面积越大,表面能越大。颗粒越细,比表面积越大,表面能越大。u 粘土矿物的粒径小于粘土矿物的粒径小于0.005mm,具有很大的比表面积。,具有很大的比表面积。第2页/共61页粘性土物理化学特性的本质粘性土物理化学特性的本
2、质u粘粘土土矿矿物物可可分分为为蒙蒙脱脱石石、伊伊利利石石和和高高岭岭石石三三种种类型。它们各自具有不同的结晶结构特征。类型。它们各自具有不同的结晶结构特征。u结结晶晶结结构构特特征征:即即组组成成矿矿物物的的原原子子和和分分子子的的排排列列以及它们之间的以及它们之间的联结力联结力。u粘粘性性土土的的各各种种工工程程性性质质(可可塑塑性性、压压缩缩性性、强强度度等等)主主要要受受组组成成粘粘性性土土的的粘粘土土矿矿物物的的结结晶晶结结构构特特征征以以及及矿矿物物颗颗粒粒与与周周围围介介质质的的相相互互作作用用所所制约。制约。键键 力力第3页/共61页第一节第一节 键力的基本键力的基本概念概念第
3、4页/共61页u 所所谓谓键键力力是是指指组组成成粘粘土土矿矿物物的的原原子子与与原原子子之之间间或或分分子子与与分分子子之之间间的的一一种种联联结结力。力。u 键力的类型:键力的类型:化学键化学键 分子键分子键 氢键氢键第5页/共61页化学键化学键u 原子与原子之间的联结称为原子与原子之间的联结称为化学键化学键,也称为,也称为主键主键或或高能键高能键。u 根据联结的形式又可分为根据联结的形式又可分为离子键离子键、共价键共价键和和金属键金属键三种。三种。第6页/共61页离子键离子键u 离子键是一种化学联结。离子键是一种化学联结。u 不不同同元元素素的的原原子子通通过过化化学学反反应应,一一种种
4、元元素素的的原原子子失失去去其其最最外外电电子子层层中中的的一一个个或或多多个个电电子子成成为为阳阳离离子子,而而另另一一种种元元素素的的原原子子获获得得一一个个或或多多个个电电子子成成为为阴阴离子。离子。u 阳离子与阴离子之间的静电引力所形成的键力即为离子键。阳离子与阴离子之间的静电引力所形成的键力即为离子键。u 离子键是无方向性的。离子键是无方向性的。第7页/共61页共价键共价键u 共价键是同一种元素的两个原子以共有的外层电子联结而成同种元素的分子。共价键是同一种元素的两个原子以共有的外层电子联结而成同种元素的分子。u 共价键是有方向性的,方向角称为共价键是有方向性的,方向角称为键角键角。
5、第8页/共61页金属键金属键u 金属元素中的自由电子将金属原子或离子联结而成金属晶格,这种联结力即为金属元素中的自由电子将金属原子或离子联结而成金属晶格,这种联结力即为金属键金属键。第9页/共61页总总 结结u不同元素的原子通过化学反应构成一种新的物质分子,异性原子之间的联结力称为不同元素的原子通过化学反应构成一种新的物质分子,异性原子之间的联结力称为离子键离子键。u两个同性原子形成同一元素分子的联结力称为两个同性原子形成同一元素分子的联结力称为共价键共价键。u通过自由电子将原子或离子联结成金属晶格的联结力为通过自由电子将原子或离子联结成金属晶格的联结力为金属键金属键。第10页/共61页u 离
6、子键、共价键和金属键都属于离子键、共价键和金属键都属于主键主键。u 主键的影响范围最小,约为主键的影响范围最小,约为0.10.2m,而其联结能最大,相当于,而其联结能最大,相当于8.484J/kmol。总总 结结第11页/共61页分子键分子键u分子键又称分子键又称范德华(范德华(Van Der Waals)键)键或或次键次键、低能键低能键。u所谓分子键就是指分子与分子之间的联结力。所谓分子键就是指分子与分子之间的联结力。u分子间键力的影响范围比离子键力大得多,约为分子间键力的影响范围比离子键力大得多,约为0.310m,但其键能则比离子键能小得多,约为,但其键能则比离子键能小得多,约为2.121
7、J/kmol。第12页/共61页分子键的形成与影响因素分子键的形成与影响因素u由由于于分分子子的的正正电电荷荷与与负负电电荷荷的的分分布布不不对对称称形形成成极极性性分分子子,在在极极性性分分子子间间相相反反电电荷荷的的偶偶极极端端相相互互接接近近时时相相互互吸吸引引就就产生分子键。产生分子键。u分分子子键键的的产产生生是是与与分分子子的的定定向向作作用用、诱诱导导作作用用和和分散作用分散作用有关。有关。u分分子子键键的的能能量量大大小小与与温温度度有有关关,当当温温度度升升高高时时,其其能量就减小。能量就减小。第13页/共61页氢氢 键键u氢键是介于主键和次键之间的一种键力。氢键是介于主键和
8、次键之间的一种键力。u氢氢原原子子失失去去一一个个电电子子成成为为一一个个裸裸露露的的原原子子核核,当当它它与与带带负负电电荷荷的的原原子子相相互互吸吸引引时时,即构成特殊的氢键。即构成特殊的氢键。u由于氢离子尺寸小,只允许与两个相邻原子靠拢,故氢键只能连接两个原子。由于氢离子尺寸小,只允许与两个相邻原子靠拢,故氢键只能连接两个原子。u氢键的影响范围很小,约为氢键的影响范围很小,约为 0.2 0.3m,键能达,键能达2142J/kmol。第14页/共61页键力与强度键力与强度u土粒本身的强度是由土粒本身的强度是由主键主键形成的;形成的;u土粒与土粒之间、土粒与水分子之间的吸引力由土粒与土粒之间
9、、土粒与水分子之间的吸引力由次键次键和和氢键氢键形成;形成;u土粒之间的联结力远小于土粒本身的强度,土体的强度主要取决于土粒之间的联结力远小于土粒本身的强度,土体的强度主要取决于土粒之间的联结土粒之间的联结。第15页/共61页第二节第二节 粘土矿物颗粒的结晶结构粘土矿物颗粒的结晶结构第16页/共61页粘土矿物结晶结构组成粘土矿物结晶结构组成粘土矿物结晶结构的基本结构单元:粘土矿物结晶结构的基本结构单元:u硅氧四面体硅氧四面体u氢氧化铝八面体(三水铝石八面体)氢氧化铝八面体(三水铝石八面体)第17页/共61页硅氧四面体晶体单元硅氧四面体晶体单元u四四个个氧氧离离子子构构成成一一个个等等边边的的四
10、四面面体体,四四面面体体四四个个面面均均为为等等边边三三角角形形,在在四四面面体体的的中中心心位位置置有有一一个个硅硅离离子子。(硅硅-氧氧四四面体面体)u六六个个硅硅-氧氧四四面面体体组组成成一一个个硅硅片片,每每个个四四面面体体底底面面上上有有一一个氧离子与相邻四面体共用。个氧离子与相邻四面体共用。第18页/共61页氢氧化铝八面体结晶单元氢氧化铝八面体结晶单元u由由6个个氧氧或或氢氢氧氧离离子子以以相相等等的的距距离离排排列列,铝铝原原子子居居中中。(铝铝氢氧八面体氢氧八面体)u4个个铝铝氢氢氧氧八八面面体体组组成成一一个个铝铝片片,每每个个氢氢氧氧离离子子都都被被相相邻邻两个铝离子所共有
11、。两个铝离子所共有。第19页/共61页粘土矿物的结晶结构粘土矿物的结晶结构 粘土矿物根据四面体片(硅片)与八面体片(铝片)的不同组合堆叠形式,形成了三种主要的粘土矿物:粘土矿物根据四面体片(硅片)与八面体片(铝片)的不同组合堆叠形式,形成了三种主要的粘土矿物:u高岭石高岭石u蒙脱石蒙脱石u伊利石伊利石第20页/共61页高岭石高岭石u由一个四面体片与一个八面体片重复堆叠而成。由一个四面体片与一个八面体片重复堆叠而成。u称为称为1:1型结构单位层,也称为二层结构型。型结构单位层,也称为二层结构型。第21页/共61页蒙脱石蒙脱石u由由两两个个四四面面体体晶晶片片中中间间夹夹一一个个八八面面体体晶晶片
12、片堆堆叠叠而而成。成。u称为称为2:1型结构单位层,亦称为三层结构型。型结构单位层,亦称为三层结构型。蒙蒙 脱脱 石石第22页/共61页伊利石伊利石u伊伊利利石石的的晶晶格格构构造造与与蒙蒙脱脱石石相相似似,同同属属2:1型型结结构构单单位位层层,但但在在四四面面体体片片之之间间六六角角形形网网格格眼眼中中央央嵌有一个钾离子。嵌有一个钾离子。第23页/共61页三种粘土矿物物理性质的比较三种粘土矿物物理性质的比较粒径粒径比表面积比表面积胀胀 缩缩 性性强度强度压压 缩缩 性性大大10-20m2/g小小大大小小中中80-100m2/g中中中中中中小小800m2/g大大小小大大高岭石高岭石伊利石伊利
13、石蒙脱石蒙脱石9克克蒙蒙脱脱土土的的总总表表面面积积大大约约与与一一个足球场一样大个足球场一样大第24页/共61页分分 析析u 四四面面体体片片和和八八面面体体片片之之间间都都是是共共用用一一个个原原子子,所所以以四四面面体体片片与与八八面面体体片片间间的的键键力力为为主主键联结,但结构单位层间的联结则比较薄弱。键联结,但结构单位层间的联结则比较薄弱。u当具有不同晶体结构的粘土矿物与周围介质接触时,就会显示出不同的工程性质。当具有不同晶体结构的粘土矿物与周围介质接触时,就会显示出不同的工程性质。第25页/共61页高岭石的物理性质高岭石的物理性质u高高岭岭石石类类粘粘土土矿矿物物中中,结结构构单
14、单位位层层之之间间为为氧氧与与氢氢氧氧或或氢氢氧氧与与氢氢氧氧离离子子相相联联结结,单单位位层层与与单单位位层层之之间间除除范范德德华华键键外外,还还有有氢氢键键,能能提提供较强的联结力。供较强的联结力。u高高岭岭石石在在水水中中,结结构构单单位位层层之之间间不不会会分分散散,晶晶格格活活动动性性小小,浸浸水水后后结结构构单单位位层层间间的的距距离离变变化化很很小小,所所以以高高岭岭石石的的膨膨胀胀性性和和压压缩缩性性都都很小很小。第26页/共61页蒙脱石的物理性质蒙脱石的物理性质u蒙蒙脱脱石石类类粘粘土土矿矿物物中中,结结构构单单位位层层之之间间为为氧氧与与氧氧联联结结,其其键键力力很弱,易
15、为具有氢键的强极化水分子楔入所分开。很弱,易为具有氢键的强极化水分子楔入所分开。u组组成成蒙蒙脱脱石石类类粘粘土土矿矿物物的的八八面面体体结结构构单单元元中中会会产产生生水水化化阳阳离离子子,水化阳离子进入结构单位层之间使层间距离增大。水化阳离子进入结构单位层之间使层间距离增大。u蒙脱石的晶格活动性极大,膨胀性与压缩性都比高岭石大得多。蒙脱石的晶格活动性极大,膨胀性与压缩性都比高岭石大得多。第27页/共61页伊利石的的物理性质伊利石的的物理性质u伊伊利利石石矿矿物物在在单单位位层层面面之之间间嵌嵌有有带带正正电电荷荷的的钾钾离离子子,单单位位层层之之间间的的联联结结强强度度介介于于高高岭岭石石
16、和和蒙蒙脱脱石石之之间间,其其膨膨胀胀性性及及压压缩缩性性也也介于高岭石和蒙脱石之间。介于高岭石和蒙脱石之间。第28页/共61页第三节第三节 粘土颗粒的胶体化学性质粘土颗粒的胶体化学性质第29页/共61页u粘粘土土颗颗粒粒的的粒粒径径非非常常微微小小(小小于于0.005mm),在在介介质质中中具具有有明明显显的的胶胶体体化化学特性(如具有学特性(如具有吸附能力吸附能力),这起源于),这起源于粘土颗粒表面带电性粘土颗粒表面带电性。u粘土颗粒表面带电的成因粘土颗粒表面带电的成因边缘破键造成电荷不平衡边缘破键造成电荷不平衡同晶置换作用同晶置换作用水化解离作用水化解离作用选择性吸附选择性吸附第30页/
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- 土力学 粘性 物理化学 性质
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