phân tích về tính hấp phụ , cấu tạo ,thành phần của đất sét .

Sự khác nhau trong việc sắp xếp các lớp tinh thể cùng với Về cơ bản, các lớp tinh thể có hình khối tứ diện là sự kết hợp các đơn vị tứ diện oxit silic đơn vị - được tạo lên từ 4 nguyên t

có tính dẻo được gọi là đất dính Đất loại sét là đất hạt mịn (như đã trình bày trong bảng 2.2 chương 2), nhưng không phải tất cả các loại đất hạt mịn là đất sét hoặc đất dính Bụi thuộc cả loại hạt mịn và hạt thô Các hạt bụi có kích thước giống như sét, không thể nhìn thấy bằng mắt thường nhưng đất bụi không có tính dẻo và tính dính Bột đá là ví dụ của đất hạt rất mịn, không dính

Cũng cần nhớ rằng, các đặc tính cơ lý của hạt thô như sự phân bố kích thước hạt và hình dạng hạt có ảnh hưởng đến hành vi của các đất này Mặt khác, sự có mặt của nước hầu như ít có ảnh hưởng đến đặc tính cơ lý của đất rời Ngược lại, với các đất sét sự phân bố cỡ hạt có ảnh hưởng không nhiều nhưng nước lại có đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính cơ lý của chúng Bột là loại đất “nằm giữa” sét và cát, nước ảnh hưởng tới đặc tính như gây trương nở, nhưng có một chút hoặc không có tính dẻo (PI~0) và cường độ giống như cát không phụ thuộc vào độ ẩm

Như đã trình bày, các khoáng vật sét có kích thước rất nhỏ và có hoạt tính điện hóa rất mạnh Khi khối đất thậm chí chỉ chứa với hàm lượng nhỏ các khoáng vật sét cũng có thể gây ảnh hưởng rõ rệt đến đặc tính cơ lý của đất Khi hàm lượng khoáng vật sét tăng lên, đặc tính của đất sẽ chịu chi phối của đặc tính sét tăng theo Nếu khoáng vật sét chiếm khoảng 50%, các hạt cát và bột

sẽ nổi trong các khối khoáng vật sét và gây ảnh hưởng nhỏ đến đặc tính cơ lý của đất

Ở chương này, chúng ta sẽ mô tả sơ lược của các khoáng vật sét quan trọng, chúng được nhận biết như thế nào và sự tương tác giữa chúng với nước và giữa chúng với nhau? Chúng ta cũng trình bày các quan điểm mới nhất về kiến trúc và cấu tạo của đất, các khái niệm cơ bản quan trọng để hiểu biết rõ của các ứng xử của đất dính Cuối cùng là trình bày cấu trúc đất rời và khái niệm về độ chặt tương đối Chỉ có một kí hiệu mới được giới thiệu trong chương này

4.2 Các khoáng vật sét

Các khoáng vật sét là những vật chất kết tinh rất nhỏ bền vững, được tạo ra chủ yếu từ quá trình phong hóa hóa học các khoáng vật tạo đá có trước xác định Về mặt hóa học, chúng là các

tinh thể cỡ hạt keo, rất nhỏ (đường kính nhỏ hơn 1µm) và chỉ được nhìn thấy dưới kính hiển vi

điện tử.Những tinh thể riêng lẻ trông giống như các bản mỏng hoặc các đám bông nhỏ và từ các nghiên cứu nhiễu xạ tia X, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng, các đám bông này bao gồm nhiều lớp tinh thể với cấu trúc nguyên tử lặp lại Trên thực tế, chỉ có hai lớp tinh thể cơ bản đó là các khối tứ diện silic và các khối bát diện alumin Sự khác nhau trong việc sắp xếp các lớp tinh thể cùng với

Về cơ bản, các lớp tinh thể có hình khối tứ diện là sự kết hợp các đơn vị tứ diện oxit silic đơn vị - được tạo lên từ 4 nguyên tử oxi ở các góc và bao quanh một nguyên tử silic Hình 4.1a cho thấy khối tứ diện oxit silic đơn, hình 4.1b cho thấy các nguyên tử oxi của các khối tứ diện kết hợp với nhau tạo ra lớp tinh thể Các nguyên tử oxi ở mặt đáy của mỗi khối tứ diện thì cùng nằm trên một mặt phẳng, còn các nguyên tử oxi khác đều hướng về cùng một phía Hình 4.1c là sơ đồ thông dụng biểu diễn một lớp khối tứ diện Nhìn từ trên xuống, lớp oxit silic cho thấy các nguyên

tử oxi ở mặt đáy của các khối tứ diện liên kết với các khối tứ diện khác như thế nào và các nguyên tử silic được liên kết như thế nào ở hình 4.1d Lưu ý với các lỗ 6 cạnh của lớp tinh thể

Các lớp bát diện là sự kết hợp của các khối bát diện đơn vị bao gồm 6 nguyên tử oxi hoặc hydroxin bao quanh 1 nguyên tử nhôm, sắt, magie hoặc một nguyên tử nào đó Một khối bát diện

Nguyên tử ôxy ở mặt phẳng silic phía trên Nguyên tử Silic

Nguyên tử ôxy liên kết để tạo thành mạng tinh thể

Sơ họa khối tứ diện silica

Sơ họa chuỗi vòng silica (2 chiều) và minh họa các liên kết từ nguyên tử silic tới các nguyên tử ôxy ở mặt dưới (liên kết thứ 4 của mỗi nguyên tử silic vuông góc với mặt phẳng giấy)

Hình 4.1 (a) Khối tứ diện silic (theo Grim, 1959), (b) Chuỗi tứ diện hay lớp silic (theo Grim, 1959), (c) Giản đồ biểu diễn của lớp silic (theo Lambe, 1953), (d) Hình chiếu bằng của lớp silic (theo Warshaw

và Roy, 1961)

riêng lẻ được minh họa ở hình 4.2a, trong khi hình 4.2b cho thấy các khối bát diện kết hợp với

mặt phẳng Hình 4.2c là sơ đồ biểu diễn lớp bát diện chúng ta sẽ sử dụng sau này Hình 4.2d cho thấy, khi nhìn từ trên xuống các nguyên tử khác nhau kết hợp và liên kết với nhau như thế nào trong lớp bát diện

Sự thay thế các cation khác nhau trong lớp bát diện xảy ra tương đối phổ biến và sẽ tạo ra các khoáng vật sét khác nhau Vì các ion được thay thế có cùng kích thước hình học nên sự thay thế như thế gọi là thay thế đồng hình Đôi khi không phải tất cả các khối bát diện đều chứa một cation, kết quả là chúng tạo ra các kiến trúc kết tinh không giống nhau với các tính chất vật lý khác nhau chút ít và tạo ra các khoáng vật sét khác nhau Nếu tất cả các anion của các lớp bát diện

là hydroxin và 2/3 các vị trí catrion này được lấp đầy bởi nhôm, thì sẽ có khoáng vật gibbsit còn nếu magie thay thế các nguyên tử nhôm trong lớp bát diện và lấp đầy vị trí các cation, thì tạo thành là khoáng vật bruxit Sự biến đổi trong kết cấu của lớp cơ bản tạo ra nhiều khoáng vật sét khác nhau Tất cả các khoáng vật sét bao gồm 2 lớp cơ bản được sắp xếp với nhau theo các cách thức duy nhất nhất định và với các cation xác định trong các lớp bát diện và tứ diện Với mục đích

Về cơ bản khoáng vật Kaolinit bao gồm các lớp lặp lại của một lớp tứ diện (bốn mặt –

người ta gọi kaolinit là khoáng vật sét tỷ lệ 1:1 (hình 4.3) Hai lớp gắn kết với nhau bằng cách thức: nguyên tử silic ở đầu lớp silic liên kết với lớp bát diện và tạo thành một lớp riêng biệt như hình 4.4 Lớp này có bề dày khoảng 0.72nm và phát triển không hạn chế theo hai phương khác.Một tinh thể kaolinit bao gồm một số các lớp có bề dày cơ bản 0.72nm/lớp như vậy Các lớp kế tiếp liên kết với lớp cơ bản bằng mối liên kết hydro giữa các hydroxyn (-OH) của các khối bát diện và các oxi (-O-) của các khối tứ diện Do mối liên kết hydro rất chặt chẽ, nó làm giảm quá trình hydrat hóa và cho các lớp này gắn kết nhau để tạo thành tinh thể lớn hơn Một tinh thể kaonilit thông thường gồm 70-100 lớp cơ bản tạo thành Hình 4.5 là ảnh chụp tinh thể kaolinit dưới kính hiển vi điện tử (SEM)

Nguyên tử Hydroxyn ở mặt phẳng phía trên

Nguyên tử Al Các vị trí tám mặt khuyết thiếu (sẽ được lấp đầy trong lớp bruxit)

Nguyên tử Hydroxyn ở mặt phẳng thấp hơn

Sơ họa các mặt bát diện alumina song song với các mặt hydroxyl thấp hơn

Sơ họa các mặt bát diện alumin khuyết thiếu song song với các mặt hydroxyn thấp hơn

Các liên kết từ nguyên tử Al tới các nguyên tử hydroxyn (mỗi nguyên tử Al

có 6 liên kết)

Hình 4.2 (a) Khối bát diện Al hoặc Mg (theo Grim, 1959), (b) Chuỗi

tứ diện hay lớp alumina (theo Grim, 1959), (c) Giản đồ biểu diễn của lớp Al hoặc Mg (theo Lambe, 1953), (d) Hình chiếu bằng của lớp bát diện (theo Warshaw và Roy, 1961)

Kaolinit là thành phần chủ yếu trong đất sét làm gốm sứ và còn được sử dụng để làm giấy, sơn trang trí và công nghiệp dược phẩm

biệt với kaolinit ở chỗ khi hình thành giữa các lớp có hiện tượng hydrat hóa, gây ra biến dạng hoặc xếp chồng ở các nút mạng tinh thể và tạo ra các tinh thể hình trụ, cột (hình 4.6) Nước có thể thoát ra khỏi ranh giới giữa các lớp tinh thể dễ dàng dưới tác dụng khô gió hoặc nung sấy Đây là một quá trình không thuận nghịch vì khi có thêm nước, haloizit không hydrat hóa trở lại Mặc dù haloizit không phổ biến nhưng nó cũng đóng một vai trò quan trọng trong xây dựng Các thí nghiệm phân loại và đầm nện trên mẫu đất khô gió và mẫu đất ở độ ẩm tự nhiên sẽ có kết quả khác biệt Nếu đất không bị làm khô ở ngoài hiện trường thì việc tiến hành thí nghiệm trong phòng với độ ẩm hiện trường sẽ cho các kết quả tin cậy và hợp lý hơn

Hình 4.3 Sơ đồ rút gọn về cấu tạo

tinh thể của khoáng vật Kaolinit,

(theo Lambe, 1953)

Hình 4.4 Cấu trúc nguyên tử của tinh thể khoáng vật Kaolinit , (theo Lambe, 1953)

Monmorilonit, đôi khi còn gọi là smectit là một khoáng vật quan trọng được tạo bởi 2 lớp silic và 1 lớp alumin (gipxit) (hình 4.7) Do đó, monmorilonit được gọi là khoáng vật có tỷ lệ 2:1 Khối bát diện nằm giữa hai lớp silic (khối tứ diện) bởi các đỉnh tứ diện liên kết với các nguyên tử hydroxyl nằm ở đỉnh khối bát diện tạo thành một lớp hoàn chỉnh, như thấy ở hình 4.8 Bề dày của lớp có tỷ lệ 2:1 này khoảng 0.96nm và phát triển không hạn chế theo 2 phương kia (tương tự như tinh thể kaolinit) Vì lực hút dính Van der Waal giữa các lớp silicat nằm phía trên yếu và có độ hụt điện tích âm thực trong lớp bát diện, nước và các ion trao đổi có thể xâm nhập vào phần và chia tách các lớp mạng Do đó, tinh thể monmorilonit có thể rất nhỏ (hình 4.9) nhưng chúng hấp thụ nước rất mạnh Đất có chứa khoáng vật monmorilonit rất dễ bị trương nở khi gặp nước, áp lực trương nở phát triển sẽ làm phá hủy các công trình có tải trọng nhẹ và kết cấu mặt đường Monmorilonit cũng là thành phần cơ bản trong dung dịch khoan và kitty litter Ngoài ra, nó còn nhiều ứng dụng quan trọng khác trong các ngành công nghiệp và dược phẩm, thậm chí nó còn được dùng trong sản xuất chocolate

Hình 4.5 Ảnh chụp kính hiển vi

điện tử của tinh thể kaolinit kết

tinh hoàn chỉnh (vùng Georgia),

chiều dài vệt sáng là 5 µm (ảnh do

R.D Holtz chụp)

Hình 4.6 Ảnh chụp kính hiển vi

điện tử của tinh thể haloizit (vùng

Colorado), chiều dài vệt sáng là 5 µm

(ảnh do R.D Holtz chụp)

Hình 4.7 Sơ đồ rút gọn về cấu tạo tinh thể của khoáng vật montmorillonit (theo Lambe, 1953)

Hình 4.8 Cấu trúc nguyên tử của tinh thể khoáng vật montmorillonite

(theo Grim, 1959)

Hình 4.9 Ảnh chụp kính hiển vi điện

tử của tinh thể Montmorillonite (vùng

Wyoming), chiều dài vệt sáng là 5 µm

(ảnh do R.D Holtz chụp)

Ilit (hydromica) – một khoáng vật sét quan trọng khác, được phát hiện bởi giáo sư R.E.Grim – ĐH Illinois, Mỹ Nó cũng có cấu tạo tỷ lệ 2:1 tương tự như monmorilonit nhưng giữa các lớp tinh thể được gắn kết với nhau bởi nguyên tử kali Lưu ý rằng, vòng lục giác trong lớp silicat (hình 4.1d) có đường kính xác định và nguyên tử kali sẽ lấp đầy vào giữa và liên kết các lớp lại chặt chẽ với nhau (hình 4.10) Ngoài ra, có một vài thay thế đồng hình của nhôm cho silic trong lớp oxit silic

Ilit có cấu trúc mạng tinh thể tương tự như khoáng vật mica nhưng chứa ít kali và có ít sự thay thế đồng hình hơn Do đó, về mặt hóa học, chúng hoạt động mạnh hơn các khoáng vật mica Hình 4.11 là SEM của khoáng vật ilit

Chlorit tương đối phổ biến trong đất loại sét, được tạo thành từ các lớp lặp lại của một lớp oxit silic, một lớp nhôm, một lớp oxit silic nữa và rồi lớp gibbsite (Al) hoặc brucite (Mg) (xem hình 4.12) Nó được gọi là khoáng vật có tỷ lệ 2:1:1 Chlorit cũng được gặp với một số dạng thay thế đồng hình và đôi khi thiếu một lớp bruxit hoặc gipxit Do đó, nó thường dễ bị với trương nở vì nước có thể xâm nhập vào giữa các lớp tinh thể Nhìn chung, chlorit thường có dấu hiệu kém nhạy cảm với nướ c hơn monmorilonit

Hình 4.10 Sơ đồ rút gọn về cấu tạo tinh thể khoáng vật Ilit (theo Lambe, 1953)

Như đã đề cập từ trước, có tới vài chục khoáng vật sét với sự kết hợp gần như có thể hiểu được về các ion thay thế, nước giữa các lớp tinh thể và các quá trình trao đổi cation Dưới quan điểm xây dựng, một khoáng vật quan trọng khác cũng được chú ý đó là vermiculite, nó có tính chất tương tự như monmorilonit, khoáng vật có cấu tạo 2:1 nhưng chúng chỉ có hai lớp nước ở

vật liệu cách nhiệt, cách điện hoàn hảo Một khoáng vật khác, attapulgite (xem hình 4.13) không

có cấu trúc lớp silicat nhưng mà có cấu trúc chuỗi silicat, do đó thường có dạng hình kim, que, sợi Thực tế thường xảy ra việc pha trộn các lớp khoáng vật, ví dụ như: monmorilonit với chlorit hoặc ilit Allophone là một alumino-silicate nên chúng thường được xếp vào nhóm các khoáng vật sét Tuy nhiên, allophone ở dạng vô định hình nghĩa là không có cấu trúc mạng tinh thể Dưới các điều kiện phong hóa đặc biệt, nó có thể là thành phần quan trọng cục bộ của đất sét

Hình 4.11 Ảnh chụp kính hiển vi điện

tử của tinh thể Illite (vùng Fithian,

Illinois), chiều dài vệt sáng là 5 µm (ảnh

do R.D Holtz chụp)

Hình 4.12 Sơ đồ rút gọn về cấu tạo tinh thể Chlorit (theo Mitchell, 1976)

4.3 Nhận dạng khoáng vật sét

Do các khoáng vật sét thường rất nhỏ, việc nhận dạng chúng bằng các kỹ thuật quang học trong khoáng vật học thông thường không giải quyết được, cần phải có phương pháp khác để xác định chúng Từ các kiến thức đã học trong vật liệu xâu dựng, chúng ta biết rằng đặc tính cá biệt hoặc lặp lại của cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu sẽ làm nhiễu xạ tia X Các khoáng vật khác nhau có cấu trúc mạng tinh thể khác nhau sẽ có kiểu dáng nhiễu xạ khác nhau và dựa vào đó, khoáng vật sẽ được xác định Kiểu nhiễu xạ của các khoáng vật đã biết sẽ được xuất bản và căn

cứ vào đó để so sánh với các khoáng vật chưa biết Nhưng vấn đề rắc rối gặp phải là với những loại đất là hỗn hợp các khoáng vật sét, đất có chứa hữu cơ và chứa các thành phần không thuộc nhóm khoáng vật sét hoặc đất có các lớp khoáng vật xáo trộn lẫn nhau Trong trường hợp này, việc phân tích chi tiết hàm lượng từng khoáng vật là không thể, chỉ có thể chỉ ra tương đối bao nhiêu khoáng vật có mặt trong đất và mỗi loại chiếm bao nhiêu phần trăm

Một phương pháp khác được dùng để xác định các khoáng vật sét là phương pháp DTA (differential thermal analysis) Một mẫu đất cần được xác định được đưa vào lò sấy điện ở nhiệt

độ khoảng vài trăm độ C với một chất hóa học trơ, sự thay đổi diễn ra do cấu trúc mạng tinh thể các khoáng vật sét Sự thay đổi đó ở nhiệt độ nào đó được ghi lại và nó đặc trưng cho từng khoáng vật, đây sẽ là cơ sở để so sánh với các khoáng vật đã biết

Kính hiển vi điện tử loại truyền dữ liệu hoặc chụp đều có thể sử dụng để xác định các khoáng vật sét trong mẫu đất nhưng đây là quá trình phức tạp và tính định lượng không cao

Hình 4.13 Ảnh chụp kính hiển vi điện

tử của tinh thể attapugite (vùng

Florida), chiều dài vệt sáng là 0.5 µm

(ảnh do R.D Holtz chụp)

GS Casagrande có cách tiếp cận đơn giản sử dụng giới hạn Atterberg Mục 2.8 đã cho thấy hoạt tính có liên quan với đất sét hoạt động hay không hoạt động Khoáng vật monmorilonit

sẽ hoạt động mạnh vì có kích thước nhỏ và có chỉ số dẻo lớn Sử dụng biểu đồ dẻo của Casagrande (hình 3.2) chúng ta có thể thu nhận được nhiều thông tin phục vụ cho xây dựng, như khi dùng phương pháp nhiễu xạ phức tạp hoặc phương pháp phân tích DTA Trình tự chi tiết được thấy trong hình 4.14 Ta xác định vị trí mẫu cần xác định trên biểu đồ LL-PI và so sánh nó với vị trí các khoáng vật đã biết Nếu mẫu của bạn có giới hạn Atterberg cao hơn và nằm trên đường A, gần đường U thì nó có thể chứa nhiều khoáng vật hoạt động mạnh như monmorilonit Thậm chí, nếu đất được xác định là CL, ví dụ như sét pha (CL) có thể vị trí vẫn nằm gần đường U, hàm lượng sét trong mẫu đất này phần lớn vẫn là khoáng vật monmorilonit Sét băng tích - hồ ở quanh vùng Great Lakes ở Mỹ và Canada chủ yếu chứa Ilit và chúng nằm phía trên bên phải đường A Trầm tích biển vùng Scandinavian cũng chứa nhiều Ilit nên cũng nằm ở vị trí tương tự Khoáng vật Kaolinits thuộc nhóm các khoáng vật hoạt động kém và thường nằm dưới đường A trên biểu

đồ Mặc dù chúng là những loại khoáng vật có liên quan nhiều tới công tác xây dựng, chúng có các đặc tính tương tự các vật liệu ML-MH

4.4 Tỷ diện tích bề mặt

Tỷ diện tích bề mặt là tỷ số của diện tích bề mặt của đất đá với thể tích hay khối lượng của chúng Giá trị này được xác định như sau: tỷ diện tích thể tích = diện tích bề mặt/thể tích (4.1) Ý nghĩa vật lý của đại lượng này được minh họa bằng hình lập phương có các cạnh 1x1x1cm

Hình 4.14 Vị trí các khoáng vật sét thường gặp trên biểu đồ dẻo của Casagrande (phát triển từ Casagrande, 1948 và số liệu của Mitchell, 1976)

Tỷ diện tích =

Nếu mỗi cạnh có chiều dài 1mm, tỷ số này sẽ là:

Nếu mỗi cạnh có chiều dài 1µm, tỷ số này sẽ là:

Các ví dụ trên đã chỉ ra rằng, các hạt có đường kính lớn thì có tỷ diện tích nhỏ hơn và ngược lại, các hạt có đường kính nhỏ thì có tỷ diện tích lớn hơn Để xác định tỷ diện tích theo

Nếu nước có mặt chỉ đủ để làm ẩm ướt bề mặt các khối lập phương trong các ví dụ trên,

sẽ cần khoảng 10 lần lượng nước để làm ướt bề mặt các hạt có kích thước 1mm so với các hạt có kích thước 1cm Nếu chúng ta cố gắng để tách nước ra khỏi bề mặt các hạt đất thì với các hạt nhỏ (1mm) lượng nước đó sẽ lớn hơn 10 lần các hạt lớn (1cm)

Tỷ diện tích tỷ lệ nghịch với đường kính các hạt đất Thực tế chúng ta không thể xác định giá trị này được vì hình dạng các hạt đất không giống nhau, nhưng rõ ràng khối đất được tạo bởi nhiều hạt nhỏ thì sẽ có tỷ diện tích lớn hơn các loại đất tạo bởi các hạt có kích thước lớn

Từ khái niệm tỷ diện tích, chúng ta thấy rằng, đất hạt nhỏ có độ ẩm cao hơn đất hạt lớn (hạt thô) cho dù các thông số khác như: độ lỗ rỗng, cấu trúc đất có thể như nhau

Trong môn học vật liệu xây dựng, tỷ diện tích là nhân tố cơ bản trong quá trình thiết kế bê tông xi măng hoặc bê tông asphalt Trong cả hai trường hợp đó cần cung cấp lượng xi măng hoặc asphalt thích hợp để bao phủ hết các bề mặt hợp thể

4.5 Sự tương tác giữa nước và các khoáng vật sét

Như đã đề cập ở trên, nước thường không gây ra ảnh hưởng nhiều đến đặc tính các loại đất rời Chẳng hạn, cường độ chống cắt của đất cát trong trường hợp khô và bão hòa là xấp xỉ nhau Một trường hợp ngoại lệ quan trọng là khi nước có mặt trong các loại đất cát xốp bị ảnh hưởng bởi tải trọng động do động đất hoặc nổ mìn

Trong khi đó, các loại đất hạt mịn đặc biệt là đất loại sét, bị ảnh hưởng mạnh mẽ khi nước

có mặt trong lỗ rỗng của đất Nước có mặt sẽ làm gia tăng tính dẻo và giới hạn Atterberg là dấu hiệu cho thấy sự ảnh hưởng đó Sự phân bố đường kính các nhóm hạt không ảnh hưởng nhiều đến các đặc tính của đất hạt mịn

Tại sao sự có mặt của nước trong lỗ rỗng của đất hạt mịn lại quan trọng như vậy? Hãy nhớ lại các vấn đề đã được thảo luận ở phần trước về tỷ diện tích, với đất hạt mịn hơn sẽ có tỷ diện tích lớn hơn Các khoáng vật sét thường có kích thước tương đối nhỏ, có tỷ diện tích lớn Khi đó,

với các thông số khác như nhau, đất hạt nhỏ có bề mặt các hạt hoạt động mạnh hơn (linh động hơn)

Kích thước tương đối của bốn khoáng vật sét phổ biến với tỷ diện tích của chúng được nêu tr ong hình 4.15 Khoáng vật Kaolinit có kích thước lớn nhất với bề dày khoảng 1µm, trong khi khoáng vật monmorilonit có kích thước nhỏ nhất với bề dày chỉ khoảng vài nm (nanometer) Với tinh thể có kích thước trung bình gọi là đường kính (dạng tròn) nên thực tế, tỷ diện tích có thể khác biệt so với tính toán ít nhiều Dĩ nhiên, kích thước các hạt phụ thuộc nhiều vào quá trình phong hóa và các nhân tố khác, nhưng giá trị thường dùng là trị số trung bình Từ đó ta thấy rằng,

bề mặt hoạt động phụ thuộc vào đường kính hạt, chẳng hạn khoáng vật monmorilonit có mức độ hoạt động mạnh hơn khoáng vật kaolinit và tương tự như vậy, bề mặt hoạt động của cát hoặc bụi gần như là bằng không

Ở phần 2.8, chúng ta đã xác định được độ hoạt động của sét là A=PI/hàm lượng sét (2-24) với các hàm lượng sét là phần trăm các hạt sét có đường kính nhỏ hơn 2µm (Skempton, 1953) Chúng ta cũng lưu ý rằng, có sự liên hệ chặt chẽ giữa tính hoạt động và loại khoáng vật sét Quan hệ này được trình bày trong bảng 4.1

Hình dáng Bề dày Đường kính Tỷ diện tích

Hình 4.15 Giá trị trung bình về kích thước, bề dày và tỷ diện tích của một số

khoáng vật sét thường gặp (theo Yong và Warkentin, 1975)

Dường như, các hạt sét hầu như luôn hút nước một cách tự nhiên nên có các lớp nước bao quanh mỗi tinh thể sét Loại nước này gọi là nước hấp phụ Trong thảo luận ở phần tới, cấu trúc của đất và các đặc tính xây dựng của chúng sẽ phụ thuộc nhiều vào lớp nước này

Nước hấp phụ trên bề mặt các hạt sét như thể nào? Thứ nhất, các bạn cần nhớ lại các kiến thức về hóa học hoặc về vật liệu xây dựng, nước là một phân tử lưỡng cực (hình 4.16) Mặc dù phân tử nước trung hòa về điện, nó vẫn phân cực thành cực âm và cực dương Do đó, các phân tử nước sẽ bị hút tĩnh điện lên bề mặt các hạt sét Thứ hai, nước liên kết với các tinh thể hạt sét bằng mối liên kết hydro (nguyên tử hydro của nước bị hút bởi các nguyên tử ôxi hoặc hydroxin trên bề mặt các hạt sét) Nhân tố thứ ba là bề mặt các hạt sét tích điện âm cũng hút các cation có mặt trong nước Từ khi các cation đã được hydrat hóa (hút nước) ở một số vị trí nhất định, tùy thuộc vào các ion, các cation cũng góp phần tạo ra sức hút của nước về bề mặt các hạt sét Với ba nhân

tố vừa nêu, quan trọng nhất là liên kết hydro được cho là có vị trí

Bảng 4.1 Độ hoạt động của một số khoáng vật

Illit 0.5-1.3 Kaolinit 0.3-0.5 Halloysit (khử nước) 0.5 Halloysit (chứa nước) 0.1 Attapulgit 0.5-1.2 Allophane 0.5-1.2

Canxit 0.2

Theo Skempton (1953) và Mitchell (1976)

Lực hút của nước với bề mặt hạt sét rất lớn khi ở gần và giảm dần khi xa bề mặt Dường như các phân tử nước ở ngay bề mặt hạt sét bị bám rất chặt và có tính định hướng rất cao Các đo đạc cho thấy, một số đặc tính nhiệt động và đặc tính điện của nước nằm sát bề mặt hạt sét thì khác biệt so với nước tự do (Mitchell, 1976)

Hình 4.16 Sơ đồ rút gọn cấu tạo phân tử

nước (theo Lambe, 1953)