黏土的带电性及双电层理论研究

摘 要：通过介绍黏土的带电性，阐述了黏土带电性分散在水中的黏土粒子可以在电流的影响下向阳极移动的理论以及概括了黏土的带电机理，并对双电层理论的成因进行说明。

关键词：黏土；带电机理；导电特性

黏土带电性分散在水中的黏土粒子可以在电流的影响下向阳极移动。说明黏土粒子是带负电的。黏土的带电原因有两点。第一，黏土层面上的负电荷黏土晶格内离子的同晶置换造成电价不平衡使之板面上带负电。第二，黏土边棱上的正电荷在酸性条件下，由于从介质中接受质子而使边面带正电荷。

1 .黏土带电机理

黏性土粒子不溶于水，只能以悬浮液的形式存在于水中。黏土粒子在水溶液中带有不同的电性。其次，在黏土的结构中，硅氧四面体层中的Si4+可能被Al3+取代，铝氧八体层中的Al3+可能被Mg2+、Fe2+等二价离子取代。这种同晶取代同样会使黏土粒子带负电荷，为保持电中性，在其表面吸附了K+、Na+、Ca2+、Mg2+等阳离子。

黏土颗粒的水化、膨胀、分散、絮凝和收缩等性质都受到所带电荷的影响。黏土颗粒表面吸附各种处理剂的牢固程度及其数量，也与黏土颗粒所带电荷的数量及密度相关[1]。黏土与高吸水保水树脂的相互作用及复合材料形成也受到所带电荷的影响

2.软黏土导电机制

软黏土导电主要涉及三种不同的途径：通过串联起来的固相和液相（细细孔中的水）即交互层导电（途径1）；通过孔隙水液相（较大孔隙中的水）导电（途径2：固—液界面交换性离子导电（需要固相表面直接接触），即与双电层有关（途径3）图1所示。

根据M. Fukue 等[2]的理论，伴随含水量的增大，黏土含有的水和土颗粒的結合形式会发生新的改变，主要经历图2所示的3个不同结构相态。当含水量相对较低时，水只填充在土体颗粒之间的孔隙中，土颗粒周围的水膜较薄（见图2（a））；伴随含水量的提升，土体的饱和度也会随着升高，孔隙中的水相连，土颗粒周围的双电层厚度也有较大增加（见图2（b））；含水量再高时，土体的孔隙率较大土颗粒分散，土颗粒间直接接触的概率减少（见图2（c）） [3]。

根据上述的黏土导电机制，并结合图3，可以得出这样的结论：当含水量比较低时，黏土主要靠途径1导电，因此电导率较小。随着含水量的增大，毛细孔隙中填充的水增加，土颗粒周围的水膜厚度也增厚，即途径1的数目增多，途径3也渐渐发挥作用，土体的电导率大大增加。当土体接近饱和或达到饱和临界状态后，途径2逐渐发挥作用，此时途径1可以忽略。当土体的含水率超过一定限度后，土颗粒开始悬浮在土体中，直接接触的土颗粒很少，途径3作用很小，土体主要靠液相即途径2导电。含水量的继续增加自然会导致孔隙水电解质浓度的减少，进而导致土体电导率的降低。注意到这2个临界含水量在数值上和黏土的液、塑限的值相近，因为双电层厚度发生变化的含水量范围主要是在土体的可塑状态。

3.双电层的成因结构

黏土颗粒表面在碱性环境时带有负电荷，因为黏土颗粒要保持带电中性，在静电引力的作用下，黏土颗粒会吸附水溶液中的水化阳离子到黏粒表面附近，因此，在黏土颗粒表面形成了一层负电荷与带正电荷的水化阳离子相对应的电层[79]。同时，由于分子的浓度差异和热运动，水化阳离子会不停做扩散运动以致于脱离黏粒，这样由黏土颗粒对水化阳离子的吸附作用以及水化阳离子的扩散运动在黏粒表面形成扩散状态的水化阳离子层，称为黏土的双电层。根据黏土颗粒对水化阳离子的约束程度，可以将扩散层本质性的分为两部分：吸附层与扩散层，如图3所示。

（1）吸附层

吸附层为紧靠在黏粒表面的一层水化阳离子薄膜，其厚度大约只有几纳米，吸附层中的水化阳离子受到的静电引力较大，难以和黏土颗粒分离，其性质近似于固体。

（2）扩散层

扩散层是从吸附层外到溶液浓度均匀处为止的一个由大量水化阳离子和阴离子组成的离子层，扩散层的厚度较厚，一般可达到几百纳米。此层中的水化阳离子离黏粒表面较远，所收到的静电引力较小，可以作热运动，并从吸附层开始向外围浓度低的地方做扩散运动，所以，扩散层中水化阳离子分布不均匀，愈靠近吸附层，水化阳离子愈大。

（3）滑动面

滑动面是吸附层与扩散层之间的一个特定面。由于吸附层中的水化阳离子和黏粒一同运动，而扩散层中的水化阳离子的运动具有滞后性，因此在两层之间会出现出一种滑动面。

（4）热力电位

细小黏粒吸附决定电位离子层后所具有的电位与自由溶液电位的差值，称为热力电位。黏粒所带的负电荷大小决定了热力电位的高低，因此，热力电位愈高，则黏粒表面所带的负电荷愈多，其吸引水化阳离子的数量越多。热力电位的正负与高低，会决定电位离子层的电性正负和高低，取决于土粒的分散程度和矿物特性、介质的构成和浓度。它是决定双电层的基础。

（5）电动电位ζ

电动电位则是滑动面与水溶液离子浓度均匀处之间的电位差，其大小取决于黏土颗粒表面所带的负电荷与吸附层内阳离子所带正电量的差值。电动电位愈高，表示在扩散层中被吸附的阳离子愈多，扩散层愈厚。

电动电位的大小受阳离子的种类和浓度的影响。阳离子的浓度和种类则决定了其化合价的高低以及其水化能力，阳离子的化合价愈高，扩散层中的阳离子数目愈少，扩散层和黏粒表面的水化膜就愈薄，因此黏土颗粒越易于聚集；阳离子的水化能力愈强，黏粒表面的水化膜愈厚，黏土颗粒越不易聚集。

参考文献

[1] Esrig M. Pore pressure Consolidation and electrokinetics[J]. Journal of the SMFD，ASCE，1968，94（SM4）：899-921.

[2] 庄艳峰，王钊. 电渗固结中的界面电阻问题[J]. 岩土力学，2004，25（1）：117-120.

[3] 王协群，邹维列. 电渗排水法加固湖相软粘土的试验研究[J]. 武汉理工大学学报，2007，29（2）：95-99.

作者简介：

修彦吉（1987—），男，汉族，吉林省松原市人，职务：沈阳核工业建设工程总公司助理工程师，职称：助理级工程师，学历：硕士研究生。