黏土具强烈亲水性,所表现出的重要特性之一是其易与水发生水合作用,该特性与其物化性质及力学特性密切相关,强烈地影响黏土的工程性能。为处置黏土所带来的一系列工程地质问题,本文从其发生水合作用的根源出发,探究黏土水合机制,界定水合作用各阶段的水合主控因素,定量化分析黏土吸附结合水的类型及性质。在此基础上,配置项伟课题组自主研发的离子固化剂（棉籽油基磺化油）对黏土各阶段水合主控因素进行调控,以达到改性黏土表面水化性质的目的,从根源上调控黏土水合或持水特性,提高其力学特性,降低膨胀势,改良其工程性能。黏土与水相互作用的物化过程相对复杂,再加之掺入ISS后,土-水-ISS体系作用过程更加难以厘清,为揭示离子固化剂对黏土的改性作用机理,需要借助多种微观测试技术从黏土矿物组成、化学成分、晶体结构、吸附性能、电化学特性、光谱、热学特征等多种理化性质展开研究。首先采用气体吸附法、XRD以及阳离子交换试验等方法,并结合国内外文献报道结果,分析探究黏土水合机制,然后,基于黏土水合机制推导建立黏土高吸力段微观持水曲线方程。在气体吸附法、XRD、阳离子交换等试验的基础上,结合红外光谱、热重-差热、扫描电镜照片分析等方法,探究离子固化剂改性黏土水合机制及持水模型。此外,基于XRD、气体吸附法、压汞法、电镜照片、宏观体变量测等孔径分析手段开展黏土孔隙结构与水合机制的关联分析,探究改性黏土“水合-孔隙”演化机制。最后,在离子固化剂对黏土改性作用机理充分认识的基础上,开展黏土无侧限抗压强度以及单轴拉伸强度试验,并对改性黏土力学强度变化特征进行机理解释。论文的主要内容及研究成果如下:1、蒙脱土与高岭土的基本理化性质以山东寿光天然蒙脱土（Shandong Montmorillonite,简称SMT）、希腊天然蒙脱土（Greek Montmorillonite,简称GMT）以及广东茂名天然高岭土（Guangdong Kaolinite,简称GKT）作为研究对象开展黏土水合机制及离子固化剂改性机理研究。通过室内测试分析黏土矿物组成、化学成分、晶体结构、电化学性能、比表面积以及界限含水率等基本理化性质。分析结果表明:（1）蒙脱石具2:1型晶体结构,层间通过氧-氧键连结,连结力弱,易发生类质同象置换现象,具晶层内结构,吸附较多阳离子,比表面积较大,水化过程中水分子易进入其中引起晶层膨胀,属膨胀性黏土矿物;（2）高岭石晶体结构为1:1型,层间多氢键连结,连结作用强,不易发生类质同像置换,不具晶层内空间,吸附阳离子较少,晶层不具膨胀性,属非膨胀性黏土矿物;（3）黏土矿物中具多种“水化活性中心”,可分为基面（氧面）的复三角形晶胞、基面上的氧原子与氢原子、交换性阳离子以及矿物侧边断口上化合价不平衡的离子四类。前二者所述的晶层基面以及交换性阳离子为主要“水化活性中心”,至于侧边断口含量较少（5%¹0%）暂不做讨论;（4）定向片分析结果表明所研究的黏土矿物纯度很高,每种黏土其中矿物类型单一,据此,基于XRF结果写出了黏土的化学组分式;（5）黏土各表面理化性质参数具有很强的关联性,如比表面积、阳离子交换容量、层电荷密度、Zeta电位等等,且均与黏土的亲水能力密切相关,蒙脱土与高岭土的相关测试结果具一致性。2、高吸力段黏土水合机制及吸附结合水特性采用氯化钠以及氯化钙分别对SMT蒙脱土进行层间阳离子纯化处理,得到钠型与钙型的同离子蒙脱土,分别记为Na-SMT与Ca-SMT。以同离子蒙脱土Na-SMT与Ca-SMT、天然蒙脱土SMT与GMT、天然高岭土GKT为研究对象,采用水汽动态吸附平衡法测定5种黏土的水蒸气吸-脱附曲线,通过持水速率曲线、晶层间距d₀₀₁值变化规律曲线以及红外光谱特征峰演变特征解析黏土吸附水进程中各阶段的水合主控因素,并据此提出各水合状态的界定界限,由此判定高吸力段黏土吸附结合水特性。此外,基于BET多层吸附理论架构,分别从钠型与钙型蒙脱土出发,提出蒙脱土的两类水合概化模型,并建立交换性阳离子与比表面积的等微观参数的计算方法。研究结果表明:（1）在蒙脱土吸附初始阶段,层间阳离子的类型及水合能力决定了发生水合作用的初始位置,对于水合能较低的阳离子型蒙脱土,如钠基蒙脱土,水分子的吸附始于黏土矿物外表面,之后随水合历程进行而进入层间,而水合能较高的阳离子型蒙脱土,如钙基蒙脱土,则水合作用则直接由层间开始。（2）在蒙脱土的层间水合作用阶段,阳离子由于水合能高于晶层基面的吸附能,故而首先层间阳离子水化形成水合阳离子并撑开矿物晶层,之后水分子吸附于晶层内表面或是填充水合阳离子之间的空隙,这一过程晶层不发生膨胀。（3）天然钙基蒙脱土（SMT与GMT）吸附结合水进程可分为多个水合作用阶段,且各阶段由相应的水合主控因素主导。在0<P/P₀<0.15⁰.25,层间阳离子水化形成单层离子“水化壳”,在0.15⁰.25<P/P₀<0.45⁰.55,层间阳离子进一步水化形成2层“水化壳”,之后在0.45⁰.55<P/P₀<0.8⁰.9,晶层基面开始主导蒙脱土水合进程,通过吸附作用吸附水分子,与水合阳离子共同形成2层完整的水化膜。在此之后,当P/P₀超过界限区间0.8⁰.9,水分子能量降低,转变为弱结合水。（4）天然高岭土（GKT）同样以0.45⁰.55、0.8⁰.9作为界定其水合进程的界限湿度区间。在0<P/P₀<0.45⁰.55,为阳离子主控水合进程阶段,阳离子直接水化形成1层“水化壳”的界限湿度P/P₀≈0.2,在此之后水分子开始填充于水合阳离子间的空隙,随后,在0.45⁰.55<P/P₀<0.8⁰.9,进入晶层基面吸附作用阶段,当P/P₀>0.8⁰.9,吸附水分子转变为弱结合水。（5）基于BET曲线的特征相对湿度值以及对应的吸附水量计算而得的阳离子交换容量以及比表面积值经过与试验实测值比较发现,其具有很好的吻合度,最大误差不超过10%,证明了基于BET理论架构的阳离子与比表面积计算方法的合理性与准确性。3、高吸力段黏土微观持水模型基于高吸力段黏土水合机制,确定黏土各水合阶段的水合主控因素主要为晶层基面与阳离子,故而分别从阳离子吸附水分子偶极子水合能以及晶层基面（极性板）吸附水分子作用能的角度推导黏土高吸力段微观持水曲线方程,并采用该模型对黏土持水曲线进行预测,结果表明:（1）以阳离子形成的静电场对单个水分子偶极子的作用能构建的微观持水模型能够有效预测黏土极高吸力段（ψ>200MPa）持水曲线,该模型量化表征了阳离子及其自身性质参数对黏土宏观持水性能的影响。（2）以极性板,也即晶层基面与水分子膜界面之间的分子作用力构建的微观持水模型能够有效预测黏土中高吸力段（15MPa<ψ<200MPa）持水曲线,该模型能够量化表征矿物晶层基面对黏土持水性能的影响。（3）以分段描叙极高吸力段与中高吸力段方式构建的全程高吸力段（ψ>15MPa）微观持水曲线方程,很好地预测了持水特征曲线,对黏土高吸力段的持水性能进行了量化表征。4、离子固化剂改性黏土吸附水特性及微观持水模型采用项伟课题组自主研发的离子固化剂（棉籽油基磺化油）对天然蒙脱土以及高岭土进行改性处理,开展改性蒙脱土与高岭土的水蒸气吸-脱附试验,在素土水合机制的基础上通过吸附速率曲线判定改性土水合机制以及吸附水特性,并基于红外光谱、热重-差热、交换性阳离子、XRF、比表面积、电镜照片与能谱分析（EDS）等测试方法手段探究ISS对蒙脱土与高岭土吸附结合水特性的作用机制。在此基础上,将改性黏土微观水合机制与宏观持水特征进行关联分析,采用推导的全程高吸力段微观持水曲线方程量化分析ISS对蒙脱土与高岭土表面水化性质以及宏观持水量的调控作用。结果表明:（1）改性蒙脱土与高岭土的水合或持水机制不发生根本性改变,与素黏土一样,以相对湿度区间0.15⁰.25、0.45⁰.55以及0.8⁰.9作为各水合阶段的界定界限。即在0<P/P₀<0.15⁰.25,交换性阳离子直接与水分子相互作用形成1层离子“水化壳”;在0.15⁰.25<P/P₀<0.45⁰.55,蒙脱土交换性阳离子进一步水化形成2层“水化壳”,高岭土阳离子同样进一步水化,水分子吸附于水合阳离子周围;随后,在0.45⁰.55<P/P₀<0.8⁰.9,进入晶层基面吸附作用阶段;当P/P₀>0.8⁰.9,吸附水分子转变为弱结合水。（2）ISS主要通过影响各水合阶段的水合主控因素（阳离子与晶层基面）的方式对黏土矿物表面水化性质进行调控,从而弱化其宏观持水能力。在阳离子水合主控阶段,ISS通过包裹固定、挤占等方式减少水合阳离子数量,降低阳离子与水分子相互作用能,黏土在该阶段的宏观持水能力因此降低。在晶层基面水合主控阶段,ISS通过连结、附着等方式使得黏土矿物（或颗粒）更加团聚,隔绝了部分晶层基面对水分子的吸附作用,减少了其比表面积并降低了表面水合能,黏土在该阶段的宏观持水能力因此减弱。（3）改性蒙脱土与高岭土高吸力段微观持水曲线方程能够很好地预测实测持水特征曲线,可量化表征改性黏土水化微观参数与宏观持水能力的内在关联,进一步揭示离子固化剂对黏土吸附水特性的调控机理。5、离子固化剂改性黏土“水合-孔隙”关联演化机制基于高吸力段素土与改性黏土的水合机制,并采用蒙脱土孔隙比变化曲线关联分析“水合-孔隙”演化规律,提出不同尺度孔隙吸附结合水的界限相对湿度区间。在此基础上,开展XRD试验、氮气吸附试验、压汞试验、电镜照片分析,以探究离子固化剂改性黏土水合过程的孔隙特征演变规律,据此揭示ISS改性黏土“水合-孔隙”关联演化机制。研究结果表明:（1）不同水合阶段的吸附水过程发生于相应尺度孔隙中,0<P/P₀<0.45⁰.55时,为阳离子水合作用阶段,对蒙脱土而言,晶层膨胀,水分子吸附于微孔（层间）,伴随着微孔（层间）扩展,对高岭土而言,水分子吸附于微孔（矿物片聚体间）,晶层保持不变;0.45⁰.55<P/P₀<0.8⁰.9时,为矿物表面（晶层基面）吸附作用阶段,水分子开始吸附于土中介孔;P/P₀>0.8⁰.9时,蒙脱土或高岭土颗粒表面持续吸附弱结合水,发生“渗透膨胀”,颗粒间距由于水分子“渗透力”作用扩展,此时大孔内吸附结合水。（2）离子固化剂通过调控黏土吸附水特性影响土中不同尺度孔隙吸附水过程,在层间阳离子水合作用阶段,主要对应于微孔吸附水过程,ISS通过减少水合阳离子含量影响微孔结构,并在蒙脱土中尤为明显;在矿物表面（晶层基面）吸附作用阶段,ISS主要通过降低表面水合能（降低SSA）影响黏土介孔结构;在“渗透膨胀”阶段,受阳离子与表面结合能综合影响,ISS改性黏土大孔结构随之变化。（3）蒙脱土微孔、介孔以及大孔孔径及体积由于离子固化剂对吸附水的调控而减小,表明蒙脱土矿物晶层更加紧密,黏土颗粒更加团聚,黏土对外收缩。（4）高岭土介孔体积由于ISS对吸附水的调控而减小,而其大孔孔径及体积较素高岭土增大,表明黏土颗粒收缩,黏土对内收缩。6、离子固化剂改性黏土力学强度特性采用控制含水率的方法调控黏土水合状态,据此开展不同水合状态下无侧限抗压强度试验,并设计组装一套基于变形数字图像处理技术的土体材料拉伸测试装置,开展低含水率（高吸力段）条件下的单轴抗拉强度试验,以探究不同水合状态下ISS改性黏土力学强度变化规律。在此基础上,基于离子固化剂对黏土表面水化性质的调控机理,探讨ISS对黏土力学强度影响的机理解释。结果表明:（1）所研制的土体材料拉伸测试装置结构设计合理,能够保证试样受拉破坏,所记录的应力、应变信息能够反映出各组样品的差别,并表现为一定的规律性,能够满足试验对测试精度的要求。（2）不同水合状态下,由于黏土吸附结合水性质与类型的转变,致使ISS对黏土力学强度的改性效果存在较大差异。高含水率状态下,黏土颗粒表面形成较为完整的结合水膜,掺加ISS后黏土力学性能提高;低含水率状态下,黏土颗粒间结合水较少,ISS改性黏土力学性能降低。（3）高含水率状态下（接近或超过塑限）,黏土颗粒表面形成扩散双电层结构,黏土颗粒间通过“凝聚接触”的方式相互作用,颗粒间的连接强度随弱结合水膜厚度减小而增大,故而黏土经ISS改性后,结合水膜厚度降低,颗粒间距减小,力学强度增大。此外,在ISS影响下,黏土微结构间连结增强,经水化后的ISS大分子会产生胶结凝聚力,连结黏土颗粒,提高了改性黏土力学强度,这一点对于弱结合水膜厚度未减小的改性高岭土尤为突出。（4）低含水率状态下（接近P/P₀≈0.9吸附平衡时含水率）,黏土颗粒表面吸附结合水量较少。样品由粉末样吸湿制得前提下,强结合水的含量越高,颗粒间的“过渡（点）接触”越多,黏土力学强度愈高,改性黏土经ISS调控后表面吸附水性能降低,结合水量减少,发生接触的黏土颗粒减少,故而改性黏土强度性质减弱。