粘土的物理化学性质-坝基防渗与灌浆技术

粘土中的元素成分与大多数岩石和其它土类基本相同，都是O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Ti等，只是由这些元素构成的矿物不同而已。颗粒较粗的非粘土矿物，是岩石经受物理风化作用后被粉碎而成的原生矿物，即岩浆在冷凝过程中形成的原生矿物，如石英、长石、云母等。颗粒较细的粘土矿物是次生矿物，是由原生矿物经由化学风化作用后形成的新矿物。

粘土的主要矿物成分是粘土矿物，粘土矿物的基本结构是微晶的、分层的，是偏平的薄片。一般所说的粘土，都是由粘土矿物和非粘土矿物微粒的集合体，其物理化学性质主要取决于粘土矿物的性质和含量。

粘土矿物的种类很多，主要有高岭石、蒙脱石和伊利石三种，其次是水铝英石，蛭石和绿坡缕石等，下面简单介绍前三种。

高岭石［Al4Si4O10（OH）8］：是酸性条件下形成的粘土矿物，它具有不活动的双层晶格构造，呈六角形鳞片状。是比较稳定的粘土矿物，吸水性弱，浸水时膨胀不大，表面吸附能力亦较低。

蒙脱石［Al4Si8O20·nH2O］：是在碱性条件下形成的粘土矿物，呈三层晶格构造，具有很大的活动性，鳞片状，无一定轮廓。具有很强的吸水性和可塑性，吸水时强烈膨胀。

伊利石［（OH）4K2Al4（Al2Si6）O20］：也是三层晶体构造，除了某些硅为铝所取代和钾离子存在于晶体单元层之间外，在许多方面都是蒙脱石的一种特殊形式。它的性质介于高岭石与蒙脱石之间，较接近于后者。

通常是，高岭石的颗粒较粗，蒙脱石较细，伊利石介于二者之间。

在大多数粘土中，往往是有数种粘土矿物同时存在。要判别每种矿物及其含量多少，通常采用电子显微镜分析、x衍射与差热分析、染色反应和化学分析等。常用的是化学分析。

粘土吸附水的能力与粘土所含粘土矿物的类型密切相关。在所有粘土矿物中，蒙脱石的基本晶体结构单元尺寸最小，而它的吸水能力却最强。可以说，粘土的颗粒越细，比表面积越大，所吸附的水量就越多。

用来表征粘土吸水能力大小的，是土的三项含水量指标，即：土的塑限Wp、液限Wc和塑性指数Ip。(www.xing528.com)

塑限（Wp）：是土随含水量的增加，由半固体状态转变成可塑性状态的分界含水量。用搓条法测定时，将塑性状态的重塑土在玻璃板上用手拿单方向地、缓慢地搓成土条，让水蒸发，若搓到直径为3mm左右时土条正好断裂成若干段，此时土条的含水量即为塑限。

在比较常见的粘土矿物中，塑限按下列顺序而降低。绿坡缕石→蒙脱石→伊利石→高岭石。

液限（Wc）：为土由可塑性状态转变成流动状态的分界含水量。用平衡锥式液限仪测定时，使平衡锥在自重作用下沉入土膏，沉入深度恰为10mm时的土膏含水量即为液限。一般液限按以下顺序降低；蒙脱石→绿坡缕石→伊利石→高岭石。蒙脱石粘土的液限最高可达710%，显示了蒙脱石的极高的吸附水能力，同时也说明在一些粘土中加入少量的蒙脱石粘土（常称膨润土）能显著地提高其吸水性和塑性的原因。

塑性指数（Ip）：是液限与塑限之差，即Ip=Wc-Wp。它表示粘土保持塑性状态时含水量的整个范围。Ip值大，表明土的可塑性好，而可塑性好是粘土区别于其它土类的重要特征。因此，塑性指数是粘土的一重要指标。Ip值越大，表示土中亲水性的粘土矿物含量越多，土的颗粒越细，可分散程度越高。由此可见，塑性指数能综合地反应土中的矿物成分和粒度成分。

胀缩性是粘土的另一个重要性质。在外荷载作用下，土体将被压实，同时伴有孔隙水的被排除（即土的固结过程），土体所占的三度空间体积亦将缩小。当外荷载解除时，则粘土将力求从自由水中吸水使吸附水膜回复到与应力条件相适应的厚度，引起体积膨胀。粘土的膨胀程度取决于粘土矿物的成分含量和包含离子的成分与浓度。高岭石的饱和吸水率为其干土重的90%左右；钙蒙脱石约为300%；钠蒙脱石最高，约为700%左右。蒙脱石的外比表面积为50～120m2/g；而晶格之间的内比表面积为700～840m2/g。当极性水分子进入晶格之间时，蒙脱石的体积就会极大地膨胀起来。粘土的膨胀性通常用膨胀率Fex表示：

式中　V0——试验前的土样体积；

　　　V——膨胀稳定后土样体积。

蒙脱石的自由膨胀率比其它粘土都高，在40%以上。一般膨胀性大的，收缩性也大。