黏土颗粒扩散双电层影响因素分析.docx资源-CSDN文库

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土体颗粒的双电层结构与土的物理力学性质关系密切

［ 1-2］

。土体颗粒中的

黏土矿物因同晶型替换、离解以及吸附等作用而使颗粒表面带有负电荷，在电

场作用下，土体中的阳离子（如钠离子、钾离子等）和极性水分子会受到静电

吸引作用而吸附在颗粒表面附近，在静电作用和分子热运动的共同作用下，颗

粒表面的负电荷和受到静电吸引作用的阳离子以及极性水分子共同形成了黏

土颗粒的扩散双电层结构

［ 1-3］

。扩散双电层之外的孔隙水被视为自由水，而双

电层之内的结合水，依据所受电场力的强弱，将结合水划分为强结合水和弱结

合水，这也将会导致二者的相对介电常数存在差异，使得颗粒表面附近的水表

现出较为复杂的物理性质，对土的物理力学性质、热力学性质造成影响。

扩散双电层理论最早由 Helmholtz 于 1890 年提出，Helmholtz 认为带电

体的表面电荷与反离子构成平行的两层，将之称为双电子层，双电层之间的距

离约等于离子半径，类似于一个平行板电容器，在双电层内部电势随距表面距

离的增加呈直线下降

［ 4-7 ］

。该模型的缺陷

［ 7］

在于忽略了离子的热运动，在低

电解质浓度条件下并不适用。随后，Gouy 与 Chapman 等进一步修正 Helmholtz

模型并提出了考虑静电吸引作用和分子热运动的 Gouy-Chapman（GC）模型

［ 4， 8］

，同时阴阳离子分布满足 Boltzmann 分布

［ 9-10］

，但 GC 模型关于将离子

视为点电荷的假设并不符合物理实际，因此该模型只适用于溶液浓度较低和表

面电势较低的计算中。针对上述理论模型的缺陷，Stern 等

［ 5-6， 10］

对 GC 模型

作了进一步改进，考虑了吸附在颗粒表面上离子的尺寸大小，吸附离子的电性

中心构成了 Stern 面，Stern 面与颗粒表面之间的区域则为 Stern 层（双电层

内层）。在 Stern 层内部，电势的变化规律与 Helmholtz 模型一致

［ 6， 10］

；而

在 Stern 层之外，离子在扩散层中呈扩散分布，电势的变化规律按照 GC 模型

计算，从而避免了 GC 理论只适用于低浓度计算的缺陷。后续逐渐发展的模型

包括 Grahame 理论模型

［ 11］

和 BDM 模型

［ 10］

，二者分别考虑了离子水合和离

子溶剂化对双电层的影响，将双电层的内层细化分为内 Helmholtz 层和外

Helmholtz 层，但 Grahame 模型主要用于解释汞-水界面的双电层电势分布

［ 3］

，BDM 模型存在电荷不连续效应。

土体中粒径小于 5 μm 的微粒被称为黏粒，黏粒具有明显的胶体化学特性。

土体黏粒的双电层结构与土的物理力学性质的关联主要体现在三个方面：（1）

利用双电层理论研究黏土的可压缩性

［ 12-16］

；（2）基于双电层排斥力推导土壤

吸附势

［ 17-20］

；（3）利用 GCS 双电层理论分析冻土中的未冻水含量和水分迁

移

［ 21-24］

。以上研究均基于扩散双电层理论进行，因而一个合理且能反应各影

响因素作用的扩散双电层理论模型显得尤为重要。除此之外，随着双电层研究

的不断深入，黏土颗粒的双电层结构与土的物理力学性质的联系将更加清晰地

展现出来

［ 1］

。

针对于颗粒扩散双电层的影响因素分析，众多学者开展了双电层理论验证

与数值模拟计算工作。Bolt

［ 25］

推导了介电饱和、离子间相互作用以及离子极

化对双电层结构影响的表达式，发现 GC 理论的计算结果与试验结果吻合较好。

Iglič 等

［ 26］

通过改进后的 Gongadze-Iglič 模型考虑了阴阳离子尺寸不对称性和

Stern 层厚度以及水分子的定向排列对双电层结构的影响，证明了高场强作用

下水偶极子的定向顺序会导致电解质溶液的相对介电常数降低，而 Stern 层厚

度将会对颗粒表面电容产生明显影响。Alizadeh 等

［ 27］

通过在扩散层和 Stern

层之间引入缓冲层和表面络合模型研究了温度对双电层结构的影响。Chang 等

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