[科普中国]-膨胀性粘土

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

胶体膨胀胶体膨胀可从以下几方面测定其有关数据：

①膨胀后体积的变化；

②膨胀压；

③膨胀后在液体中沉降的体积；

④膨胀时所结合的液量。1

浸水软化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。

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。

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。2

改性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。3