2.5 细粒土颗粒（黏土矿物颗粒）

黏土矿物是土体矿物成分次生矿物中数量最多的一种，是影响黏性土物理力学性质的重要因素。本节进行进一步讨论。

2.5.1 黏土矿物的晶体结构

黏土矿物的种类繁多，常以复合铝-硅酸盐晶体的形式存在。铝-硅酸盐晶体呈片状，其最小单元是由硅片和铝片构成的晶胞。

硅片的基本单元是硅-氧四面体，由一个居中的硅离子和4个在角点的氧离子构成，如图2.10（a）所示。6个硅-氧四面体组成一个硅-氧四面体层，即硅片，硅片底面的氧离子被相邻两个硅离子共有，如图2.10（b）所示。硅片常简化为一个梯形符号，如图2.10（c）所示。

铝片的基本单元是铝-氢氧八面体，由一个居中的铝离子和6个氢氧根离子构成，如图2.11（a）所示。4个铝-氢氧八面体组成一个铝-氢氧八面体层，即铝片，如图2.11（b）所示。铝片常简化为一个矩形符号，如图2.11（c）所示。

图2.10 硅片的基本单元及结构

图2.11 铝片的基本单元及结构

各类黏土矿物的结构都是由硅片和铝片两种基本结构按不同的组合形式构成的。相同结构的不同黏土矿物，其内部硅-氧四面体中心的硅离子或铝-氢氧八面体中心的铝离子被铁、锰等性质相近的离子置换了。置换后矿物的结构形式不发生变化而物理化学性质发生了变化，形成了新的矿物，此类现象称为同相置换或同相代替。

2.5.2 黏土矿物的分类及特征

黏土矿物根据硅片和铝片组叠形式的不同，可以分为高岭石、伊利石和蒙脱石3种类型。

高岭石是由两层结构的晶胞构成的，晶胞由一层铝片和一层硅片通过氢氧根离子和氧离子相互连接形成，具体的晶体结构如图2.12（a）所示。氢氧根离子和氧离子之间的连接为氢键连接，连接力很强，晶格不能自由活动，水分子不能轻易进入晶胞间，是一种亲水性较弱，遇水较为稳定的黏土矿物。由于晶层之间的连接力较强，能组叠很多的晶层，典型的高岭石晶体由70～100层晶胞组成，属于三斜及单斜晶系。所以由高岭石矿物形成的黏粒较为粗大，甚至可形成粉粒。典型高岭石黏粒的粒径为0.3～3μm，厚度为0.03～0.3μm。与其他类型的黏土矿物相比，高岭石的典型特征是颗粒较粗、遇水较稳定、不易吸水膨胀及失水收缩、亲水性差。伊利石是云母类水化黏土矿物的统称，其与蒙脱石类似，也是由上下两层硅片夹着中间一层铝片的3层晶胞形成的，但其晶层之间由钾离子连接，具体的晶体结构如图2.12（c）所示。其粒间的钾离子连接弱于高岭石，大于蒙脱石。典型的伊利石矿物晶体由十几层到几十层晶胞组成。伊利石的性质和特征介于高岭石和蒙脱石之间。

图2.12 黏土矿物的晶格构造

蒙脱石是由3层结构的晶胞构成的，晶胞由上、下两层硅片夹着中间一层铝片通过氧离子和氧离子的连接形成，具体的晶体结构如图2.12（b）所示。氧离子和氧离子之间的连接作用很弱，水很容易进入晶层之间。由蒙脱石构成的单个黏土片一般仅由几层到十几层晶胞组叠而成。典型的蒙脱石黏粒的粒径为0.1～1μm，厚度为0.001～0.01μm。与其他类型的黏土矿物相比，蒙脱石的典型特征是颗粒较细小、遇水不稳定、易发生吸水膨胀及失水收缩、亲水性好。

3种矿物的主要性质及特征列于表2.5中。

土中的黏土矿物除了高岭石、伊利石和蒙脱石这三类主要成分外，还含有少量的绿泥石和水铝英石等。各类黏土矿物的含量及比例会对土的工程性质产生重要的影响。

黏土片由晶层结合形成，晶层内部以原子键结合。晶层之间的连接随黏土矿物成分的变化而变化。高岭石晶层间以氢键和范德华键连接；伊利石晶层间以不水化的钾离子键和范德华键连接；蒙脱石和蛭石层间主要以水化阳离子形成的静电-离子键和分子键相连接。混合矿物层间的连接形式更为复杂，具体要根据晶层的成分确定。

实际条件下，土中很少存在单一的黏土片，而是广泛存在由若干黏土片堆叠在一起形成的“黏土畴”，简称为“畴”（domain）。“畴”的厚度因黏土矿物成分的变化而异。第四纪沉积物中存在大量的混层矿物，大多数“黏土畴”并非是由同一种矿物成分构成的。天然状态下，一般的黏粒都是以“畴”的形式存在的。“畴”由各种大小不同的黏土片堆叠而成，外形呈扁长形，中间厚，边缘薄。“黏土畴”内黏土片之间主要以分子键、氢键和静电-离子键相结合。

2.5.3 黏土矿物表面的带电性

黏土颗粒带电的性质最早由莫斯科大学的列依斯于1809年发现。他将黏土块放置于一个玻璃器皿内，将两个无底的玻璃筒插入黏土块中。向筒中注入相同深度的清水，并将阴阳两极分别放入两个筒内的清水中，然后将直流电源和电极连接。通电后可发现，放阳极的筒中水位下降，水逐渐变浑浊；而放阴极的筒中水位逐渐上升，如图2.13所示。这说明，黏土颗粒本身带有一定的负电荷，在电场作用下向阳极移动，这种现象称为电泳；而极性水分子与水中的阳离子（K⁺、Na⁺）形成水化离子，在电场作用下这类水化离子向阴极移动，这种现象称为电渗。电泳和电渗是同时发生的，统称为电动现象。

研究发现，黏土矿物颗粒一般为扁平状或片状，颗粒表面与水作用后，表面会带有不平衡电荷，一般为负电荷。扁平状颗粒虽然整体带不平衡的负电荷，但在颗粒的断裂边缘，可带有局部正电荷，如图2.14所示。

图2.13 黏土电渗、电泳现象

图2.14 黏土颗粒表面的带电性

造成黏土颗粒带有这种不平衡负电荷的原因主要有以下几个方面。

（1）边缘破键造成电荷不平衡。

理想晶体内部的电荷是平衡的，但在颗粒的外边缘产生断裂后，晶体格架的连续性受到破坏，造成电荷的不平衡。这些破坏键一般使黏土颗粒表面带有负电荷。颗粒越细，破键越多。故比表面积越大，颗粒表面能越大。

（2）选择性吸附作用。

选择性吸附作用指溶于水中的微小黏土矿物颗粒把水介质中一些与自身结晶架构相同或类似的离子选择性地吸附到自己表面的现象。

（3）表面分子离解作用。

表面分子离解作用指黏土矿物颗粒与水作用后离解成更细小的颗粒，再选择性地将矿物结晶构架相同或相似的离子吸附到其表面而带电。

（4）同晶置换。

同晶置换指矿物晶格中高价的阳离子被低价的离子置换，常为硅片中的Si⁴⁺被Al³⁺置换，铝片中的Al³⁺被Mg²⁺置换，导致矿物颗粒产生过剩的负电荷。这种负电荷的数量取决于晶格中同晶置换量的多少，不受介质pH值的影响。这种现象在蒙脱石中最为常见，故其表面负电性最强。

2.5.4 双电层概念

由于黏土颗粒表面带不平衡的负电荷，颗粒四周会形成一个电场。在电场的作用下，水中的阳离子（如Na⁺、Ca²⁺、Al³⁺等）受吸附作用位于颗粒附近。水分子是一种极性分子（两个氢原子与中间的氧原子为非对称分布，偏向两个氢原子一端显示正电荷，偏向氧原子一端显示负电荷），在电场中也会发生定向排列，形成的排列形式如图2.15所示。

图2.15 结合水分子定向排列

土粒周围水溶液中的阳离子，一方面受到土粒所形成电场的静电引力作用，另一方面又受到布朗运动的扩散力作用。在土粒表面处，静电引力最强，水化离子和极性水分子被牢固地吸引在颗粒表面形成固定层。在固定层外围，静电引力较小，水化离子和极性水分子的活动性比在固定层中的大一些，形成了扩散层。扩散层外的静电引力很小，水溶液不再受到土粒表面负电荷的影响，阳离子也达到正常浓度。固定层和扩散层中所含的阳离子与土粒表面负电荷的电位相反，又称为反离子。固定层和扩散层可合称为反离子层。双电层即为黏土颗粒表面负电荷（内层）和反离子层（外层）的合称。有关双电层的详细内容可见2.7.2小节。

2.5.5 黏土矿物的颗粒尺寸与形状

构成黏土的黏土矿物成分不同，黏土颗粒的形状和尺寸也不相同。除了多水高岭石为管状外，大多数黏土矿物颗粒都是片状的。其中，高岭石类黏土颗粒相对较大、较厚，且硬度较大；蒙脱石类黏土颗粒多细小、瘦且薄；伊利石类黏土颗粒介于高岭石和蒙脱石之间，通常呈阶梯状，边缘较薄。硅镁土颗粒由于其双二氧化硅链状结构而表现出条状的特征。