[科普中國]-脹性粘土

粘土的體積

粘土的體積隨流經(jīng)地層流體的礦化度的改變而變化。有幾位作者研究了砂巖中的粘土膨脹，結(jié)果表明，離子交換、離子移動，或臨界鹽濃度引起粘土分散（Azari和Leimkuhler，1990b；Jones，1969；Khilar和Fogler，1983；Mungan，1986；Sharma等，1985；Priisholm等，1987）。地層中粘土引起滲透率的變化取決于粘土礦物的數(shù)量、位置和類型。地層中粘土的總含量對滲透率的潛在變化是一個令人誤解的跡象。與流動流體相關(guān)的粘土的排列、粘土接觸時刻的化學狀態(tài)和位置是引起滲透率變化的主要原因。不經(jīng)過測試就預(yù)測粘土對水流動的響應(yīng)是幾乎不可能的。

最常見的膨脹粘土是蒙脫石和蒙脫石混合物。蒙脫石通過吸收水而膨脹，它能使其體積增加到600%，嚴重降低滲透率。如果蒙脫石粘土只占據(jù)極少量的孔隙喉道和通道，它將不會是一個嚴重問題；然而，如果它占據(jù)較大孔隙，特別是孔喉，那么如果它膨脹，它就能產(chǎn)生一個幾乎不滲透的遮擋層以阻塞流體流動。

如果來源于鉆井、完井或修井液中的粘土或其他固體，當顆粒小于孔喉張開度，那么它們就會浸人地層。通過浸入帶的流動速度的任何增加，將會促使顆粒以高濃度進入巖石骨架里。2

粘土與水的相互作用粘土與水的相互作用可分為兩個階段：第一階段為層間膨脹，如蒙脫石粘土在吸水過程中，可得到多少有些穩(wěn)定的相當于層間有1層、2層、3層到4層水分子的水化粘土的結(jié)構(gòu)。當吸附4層水分子時，層間膨脹可使粘土的體積增加1倍。層間膨脹的解釋如下：一種認為是由于層間交換性陽離子的水合作用引起的，因為大的水合能可克服單位層間的吸引力。無同晶置換因而也無層間電荷的原型礦物如葉臘石等，由于沒有層間陽離子，故沒有陽離子的水合能可利用,所以沒有層間膨脹。另一種認為由于侵入的水分子與晶格表面的氧原子建立氫鍵而吸附的，原因是某些水分子的幾何排列可能有利于這種氫鍵合。在原型礦物中沒有層間膨脹的是由于其表面水合能太小，不足以克服單位層間的分子引力。因為在原型礦物中,單位層之間的距離小，其吸引力比蒙脫石為強之故。實際上，層間膨脹的機理是頗為復(fù)雜的，除了分子引力與水合能外,在帶電層與層間陽離子之間的靜電能在解釋決定單位層分離的力的平衡中也要考慮。因此，在某些粘土與某種交換性陽離子中，離子水合能在層間膨脹中起主要作用，而在另一些粘土與另一些陽離子間，表面水合能可能更重要。第二階段為滲透膨脹，這時單個顆粒面之間的雙電層斥力起作用，這種斥力迫使它們吸收水分而推開。在這一膨脹階段，伴隨有較大的體積變化，但是如果形成顆粒的邊-面締合，將導致凝膠的形成,常使粘土膨脹有一限度。

土壤經(jīng)過干縮濕脹的作用，體積發(fā)生變化，影響土壤結(jié)構(gòu)的形成、破碎和孔隙度，有時也影響植物根系的生長。同時，土壤吸水膨脹后，顯著降低土壤中自由水的移動，對植物生長有一定影響。膨脹是土壤膠體屬性之一。各種土壤粘粒礦物的膨脹度不同，由土壤中粘粒礦物的組成可以推論土壤吸水膨脹性能；反之，由土壤膠體吸水膨脹性能亦可推論土壤膠體的本性。1

浸水軟化1.膨脹性粘土浸水膨脹是因為作用在土骨架上的有效應(yīng)力減小了的緣故，膨脹壓力是介質(zhì)吸力的間接度量。

2.不固結(jié)不排水剪和固結(jié)排水剪的強度包線存在著一個交點，交點壓力隨土樣初始含水量增大而減小，這一交點壓力也代表膨脹性粘土的膨脹壓力。

3.膨脹性粘土浸水軟化主要表現(xiàn)在凝聚力的降低上，內(nèi)摩擦角只減小1°~3°，并且初始含水量越大的土強度衰減越小，這一強度損失可以用交點壓力或?qū)崪y膨脹壓力與固結(jié)排水剪摩擦系數(shù)的乘積來估算。3

粘土改良1.用石灰、水泥、粉煤灰等材料改良膨脹性粘土能減小或消除膨脹土的脹縮性。但現(xiàn)場操作不可能像室內(nèi)把 土體拌合得非常均勻 ，因此 ，可把摻灰比提 高 2 ～3 個百分點，摻灰量有一個最佳的配比，根據(jù)室內(nèi)試驗資料分析這個值 在7%左右。

2.摻灰、水泥、粉煤灰等材料改良的膨脹性粘土顆粒較任意地定向排列，形成了凝聚結(jié)構(gòu)，增加了土的透水性使土體更具團?；?，加大了孔隙壓力的消散速度。使填筑路堤的沉降最大部分在施工期內(nèi)完成。

3.改良后的土體強度隨時問增長而增大，浸水后灰土體的強度有所損失，但衰減幅度很小，作為一般工程富足有余。4