[科普中国]-胀性粘土

粘土的体积

粘土的体积随流经地层流体的矿化度的改变而变化。有几位作者研究了砂岩中的粘土膨胀，结果表明，离子交换、离子移动，或临界盐浓度引起粘土分散（Azari和Leimkuhler，1990b；Jones，1969；Khilar和Fogler，1983；Mungan，1986；Sharma等，1985；Priisholm等，1987）。地层中粘土引起渗透率的变化取决于粘土矿物的数量、位置和类型。地层中粘土的总含量对渗透率的潜在变化是一个令人误解的迹象。与流动流体相关的粘土的排列、粘土接触时刻的化学状态和位置是引起渗透率变化的主要原因。不经过测试就预测粘土对水流动的响应是几乎不可能的。

最常见的膨胀粘土是蒙脱石和蒙脱石混合物。蒙脱石通过吸收水而膨胀，它能使其体积增加到600%，严重降低渗透率。如果蒙脱石粘土只占据极少量的孔隙喉道和通道，它将不会是一个严重问题；然而，如果它占据较大孔隙，特别是孔喉，那么如果它膨胀，它就能产生一个几乎不渗透的遮挡层以阻塞流体流动。

如果来源于钻井、完井或修井液中的粘土或其他固体，当颗粒小于孔喉张开度，那么它们就会浸人地层。通过浸入带的流动速度的任何增加，将会促使颗粒以高浓度进入岩石骨架里。2

粘土与水的相互作用粘土与水的相互作用可分为两个阶段：第一阶段为层间膨胀，如蒙脱石粘土在吸水过程中，可得到多少有些稳定的相当于层间有1层、2层、3层到4层水分子的水化粘土的结构。当吸附4层水分子时，层间膨胀可使粘土的体积增加1倍。层间膨胀的解释如下：一种认为是由于层间交换性阳离子的水合作用引起的，因为大的水合能可克服单位层间的吸引力。无同晶置换因而也无层间电荷的原型矿物如叶腊石等，由于没有层间阳离子，故没有阳离子的水合能可利用,所以没有层间膨胀。另一种认为由于侵入的水分子与晶格表面的氧原子建立氢键而吸附的，原因是某些水分子的几何排列可能有利于这种氢键合。在原型矿物中没有层间膨胀的是由于其表面水合能太小，不足以克服单位层间的分子引力。因为在原型矿物中,单位层之间的距离小，其吸引力比蒙脱石为强之故。实际上，层间膨胀的机理是颇为复杂的，除了分子引力与水合能外,在带电层与层间阳离子之间的静电能在解释决定单位层分离的力的平衡中也要考虑。因此，在某些粘土与某种交换性阳离子中，离子水合能在层间膨胀中起主要作用，而在另一些粘土与另一些阳离子间，表面水合能可能更重要。第二阶段为渗透膨胀，这时单个颗粒面之间的双电层斥力起作用，这种斥力迫使它们吸收水分而推开。在这一膨胀阶段，伴随有较大的体积变化，但是如果形成颗粒的边-面缔合，将导致凝胶的形成,常使粘土膨胀有一限度。

土壤经过干缩湿胀的作用，体积发生变化，影响土壤结构的形成、破碎和孔隙度，有时也影响植物根系的生长。同时，土壤吸水膨胀后，显著降低土壤中自由水的移动，对植物生长有一定影响。膨胀是土壤胶体属性之一。各种土壤粘粒矿物的膨胀度不同，由土壤中粘粒矿物的组成可以推论土壤吸水膨胀性能；反之，由土壤胶体吸水膨胀性能亦可推论土壤胶体的本性。1

浸水软化1.膨胀性粘土浸水膨胀是因为作用在土骨架上的有效应力减小了的缘故，膨胀压力是介质吸力的间接度量。

2.不固结不排水剪和固结排水剪的强度包线存在着一个交点，交点压力随土样初始含水量增大而减小，这一交点压力也代表膨胀性粘土的膨胀压力。

3.膨胀性粘土浸水软化主要表现在凝聚力的降低上，内摩擦角只减小1°~3°，并且初始含水量越大的土强度衰减越小，这一强度损失可以用交点压力或实测膨胀压力与固结排水剪摩擦系数的乘积来估算。3

粘土改良1.用石灰、水泥、粉煤灰等材料改良膨胀性粘土能减小或消除膨胀土的胀缩性。但现场操作不可能像室内把 土体拌合得非常均匀 ，因此 ，可把掺灰比提 高 2 ～3 个百分点，掺灰量有一个最佳的配比，根据室内试验资料分析这个值 在7%左右。

2.掺灰、水泥、粉煤灰等材料改良的膨胀性粘土颗粒较任意地定向排列，形成了凝聚结构，增加了土的透水性使土体更具团粒化 ，加大了孔隙压力的消散速度。使填筑路堤的沉降最大部分在施工期内完成。

3.改良后的土体强度随时问增长而增大，浸水后灰土体的强度有所损失，但衰减幅度很小，作为一般工程富足有余。4