黏土是一种在我们的日常生活和所处环境中无处不在的材料。干燥时，它们像岩石一样坚硬；泥泞时，它们像油一样流动。如今它们被用于建造大型建筑，且常构成城市地区的地基。那么，土木工程技术人员如何克服它们带来的困难呢？

  如果人类历史有一种材料令人困惑，那就是黏土。在《圣经》创世纪的第一章中有提及。根据翻译，黏土、淤泥或土壤这几个词被用在如下语境中：“然后，上帝用地上的黏土造了人，向他的鼻孔吹进了生命的气息，他就具有了生命。[1]”

  毋庸置疑的是，黏土是促成艺术诞生的材料之一：在Tuc d’Audoubert(Ariège)史前洞穴中的野牛就是用湿黏土制成的。在1912年Begouën[2]发现的洞穴中，在没有烧制的情况下，这些模型能保持湿润达15000年(马格德林时期)。100%的相对湿度条件促成了这种保存(存在一些裂缝)[3](图1，[4])。

  在公元前3000多年的乌尔和苏美尔时期，美索不达米亚的文字也通过黏土发展起来[5]。这些泥板是由剧作家用楔形文字刻成，是人类历史上最早的文字痕迹。特别是公元前2000多年，《吉尔伽美什史诗》被记载在12块泥板上，讲述了乌鲁克国王的故事(图2，泥板XI，洪水)。

  用黏土烧制陶器和炊具可以追溯到新石器时代的亚洲和新月沃地区。在所有聚居区，控制黏土与水的混合、脱水、不开裂的收缩和烧结等条件一直伴随着人类的发展。烧制而成的黏土的耐性，让考古学家得以通过不同文明的陶器碎片来解读历史。

  黏土也是一种奇妙的产品，自人类诞生之初，它就被用于药典和化妆品中：例如，亚马逊印第安人的人体彩绘，用黏土制成的美容面具，如有机商店的绿石泥和温泉疗养地的泥浴。更常见的是，“索米耶尔之土”被用作天然去污剂或止泻药“思密达®”的基本成分。黏土也用于制作牙膏、造纸工业以及用作颜料的填充物。黏土在我们的环境中无处不在，而且一直被广泛使用。

  最后，黏土是一种建筑材料，而且是许多建筑的支撑材料。土制建筑，无论是土坯、柴泥或泥砖，在世界各地都很普遍。一些重要的建筑，如伊拉克的金字神塔，就使用了芦苇秸秆加固(参见“土壤加固：已成为必要的技术”(https://www.encyclopedie-environnement.org/en/soil/soil-reinforcement-techniques-become-essential/))。但是作为建筑的支撑，黏土也会带来很多问题。根据气候或水力条件，它的体积会通过吸水或在干燥过程中收缩而变化：这被称为干缩湿胀。在法国，自2003年以来的旱灾对独栋房屋和其他建筑造成了巨大的破坏： 8500多个城市已被认定处于自然灾害状态，业主有可能通过保险获得赔偿。这些破坏既不惊人，也没有被媒体夸大。它们仅是影响建筑物安全的主裂纹，不会危及到任何人。过去几年的总成本十分高昂：1990年至2013年[6]期间的总成本约为85亿欧元。图3的地图显示了发布了2.3万多条自然灾害指令的相关城市[7]。目前的全球变暖也不会改善这一情况：根据截止到2100年的气候变化模型，2020-2100年期间，消除湿胀的成本可能在500亿到1000亿欧元之间。

  黏土来源于硅质岩（特别是花岗岩）的物化蚀变。在受气候因子影响而导致分解的过程中，这些岩石形成了不同种类的极细的黏土颗粒。在沉积之前，这些极细黏粒可以被冲洗和运输。这些黏土由层状排列、片状堆叠的硅（Si）、铝（Al）和羟基（OH）组成。在图4a中，多个硅氧四面体排列成一层（硅片），以一个梯形表示。铝氧八面体是由六个羟基（OH）包围一个铝离子而构成，多个铝氧八面体排列成一层（铝片），以一个矩形表示（图4b）[8]。

  两个或三个这样的基本单元构成一个单位晶层(图5)。高岭石(可用于制作陶瓷)由硅片和铝片叠加而成，而蒙脱石是两个硅片夹一个铝片，再相互叠加而成。

  不同的阳离子替代也常会发生，从而产生了不同的粘土矿物。

  因此，基于黏粒的不同的风化条件或沉积运输过程，Mg2+、K+、Fe2+可替代Al3+，而形成黏土矿物，如蒙脱石。

  这些纳米级的晶层(10Å=1nm=10-9m)堆积形成黏土团聚体，黏土结构通过面-面结合或边-面键合分散或聚集。这种堆积可由1到100个单位晶层组成。根据黏土的性质，水粒子在黏土的表面和层间可由于电化学效应被吸附。对于层间键合较弱的蒙脱石来说尤其如此：这些电化学特性使得水能主导黏土的特性，特别是收缩和膨胀：水分子的吸附导致层间距加大和膨胀。

  水和黏土间的这种相互作用源于黏粒的比表面：如果将一克[9]蒙脱土的所有单位晶层表面展开，我们将得到600平方米的表面积(高岭石则为50平方米)。

  黏土的含水量定义为：在105℃下干燥后，水质量与黏土质量的比值。它的变化范围从干燥粉末的0%到蒙脱石的超过300%或500%不等。墨西哥城的黏土沉积物的含水量超过300%(从150%到600%不等)[10]。

  黏土的稠度因含水量的不同而不同，这就导致了状态极限或阿特伯格极限[11]的定义：液限和塑限。它们取决于矿物学性质，并在岩土工程中用于表征黏土。超过液限的黏土，表现得像一种高粘性的液体（见“物质如何变形：流体和固体”(https://www.encyclopedie-environnement.org/en/physics/how-matter-deforms-fluids-and-solids/)），而低于塑限的黏土无法在不开裂的情况下成形。这些含水量的变化伴随着体积的变化。

  天然冲积土由砂粒、粉粒和黏粒的混合物组成。土壤的黏粒含量被定义为小于0.002毫米的颗粒的重量百分比。

  黏土和黏土材料在土木工程中应用广泛。黏土最有趣的特性之一是它的低渗透性，比砂土低100万倍(参见“土壤中的扩散和渗透”(https://www.encyclopedie-environnement.org/en/zoom/diffusion-and-percolation-in-soils/))。废物储存中心采用夯实的黏土层作为密封层，将沉积物与外界环境隔离开来[13]。一些产品将一厘米厚的膨润土层[13]与土工膜相结合。另一个应用则用于水坝和堤坝的建设。大型回填坝(如Serre-Ponçon和Grand Maison；参见“工程师使用的土壤”(https://www.encyclopedie-environnement.org/en/soil/soils-for-engineer/))由不同的区域组成，且其密封性能由压实的黏土芯或含有充足黏粒的材料提供。堤坝、小型农业水坝、山坡水库和其他水库通常用夯实的黏土筑堤。

  核废料的储存计划在法国东部一个厚黏土层中进行：这是一层深度超过500米的高度固结黏土，它的不渗透性将确保放射性元素的封存[13]。

  许多城市和大城市在山谷、河口、湖滨或海滨地区发展起来。这些地区的地基是由冲积物、粉砂、黏土和泥浆组成的。这些物质通常含水量高，并在地质时代相继沉积的沉积层的重量下固结。这种固结，对应在上层施加的应力作用下孔隙水的排出(见“物质如何变形：流体和固体”(https://www.encyclopedie-environnement.org/en/physics/how-matter-deforms-fluids-and-solids/))。

  任何地表建筑都会增加额外的应力，然后基于建筑规模，导致回填区或城市地区的附加沉降。这一过程可以类比为水果压榨机(图6)，在压榨机托盘上的螺旋施加的应力作用下，果汁被挤出[14]。

  由于黏土的低渗透性，沉降的过程从几天到几个世纪不等。如下几个案例很有名。建于1560年的墨西哥城大教堂，包含了一些因其建造而被拆毁的阿兹特克神庙。它的沉降达2.5 m以上，东西塔之间的沉降差[15]为1.25 m。一些保护工程已经开展，包括地下挖掘工程，即从井中挖掘，在沉降较少的一侧形成沉降(图7)。

图7. 墨西哥城大教堂景色[21][图片来源：Arian Zwegers,(CC BY 2.0),通过Flickr]图8. 大阪机场站台 [24][图片来源：Thorfinn Stainforth (CC BY-SA 3.0),通过 Wikimedia commons]

  这种技术也已成功用于减少比萨斜塔的不均匀沉降：Burland等人[16]因而能够“恢复”倾斜角，使其恢复到了300年前的值。

  目前的一个实例是大阪机场的站台[17](关西国际机场)。这是一座1.25×4公里的人工岛，建在水深18米处。预期沉降约为11米，允许完工的高度高于海平面4米。观测到的沉降比预期的要强(约14.3米)，导致增加了外围防波墙和建筑物的主要工作。

  在大城市，导致地基土压实的另一个原因是地下水位的降低：水需要泵入底层土壤。诱导效应降低了水层高度。受阿基米德力作用的土层不再受阿基米德力的影响，其表观重量增加。这造成了过载，因此在整个地区形成了沉降。然后我们再来谈谈场地的下沉。这种现象对曼谷[18]、上海和威尼斯的影响尤其明显。，这种下降加上海平面上升使这些大都市地区易遭受洪水的侵袭。

  在岩土工程中，建筑沉降的评估是项目的一个重要组成部分：建筑物会沉降多少和需要多长时间才能达到？

  岩土工程的另一个要点是避免事故。要做到这一点，我们必须了解黏土的抗剪强度。这些材料有粘聚力和摩擦角(见“物质如何变形：流体和固体”(https://www.encyclopedie-environnement.org/en/physics/how-matter-deforms-fluids-and-solids/))。粘聚力是一种与存在于单位晶层之间的胶粘剂类似的现象，取决于黏土矿床的含水量和历史，而摩擦角与矿物学有关。这两个参数用于建筑物、水坝、堤坝和基坑的地基的稳定性计算。当所施荷载超过黏土的强度时，就会发生断裂。这种断裂可能在短期内，特别是在施工结束时发生，，也可能在很长时间后发生。滑坡便是一个实例，无论是自然的还是人为的，黏土的抗剪强度是控制边坡稳定性的重要参数 (见“滑坡”(https://www.encyclopedie-environnement.org/en/soil/landslides/))。在质量低劣或强度不足的黏土上建造房屋，促进了土壤改良技术，增强抗剪强度和减少沉降的发展(见“土壤加固：已成为必要的技术”(https://www.encyclopedie-environnement.org/en/soil/soil-reinforcement-techniques-become-essential/))。

  对于底层土中有黏土冲积层的城市，地震可以产生相当大的诱发效应：我们称之为“场地效应”[19]。地震波会被困在黏土层中并被放大。1985年，发生在墨西哥城的毁灭性地震就是一个实例：虽然这次地震的震中距离较远，但地震应力在墨西哥城中部被放大了。这是因为墨西哥城是一个建立在含水量很高且粘聚力很低的黏土矿床上的城市。对这一现象的关注已纳入法国的地震区划；日内瓦-安纳西-格勒诺布尔-巴伦西亚阿尔卑斯海沟地区位于大都市中最强的4号地震活动带[20](图9)：极厚的细黏土冲积层的存在解释了这种分区。

封面照片：比萨斜塔[Source: Kiste11 (CC BY-SA 4.0)]

[1] 《圣经》，1965年；耶路撒冷圣经学院，Desclée de Brouwer出版社。

[2] Bégouën  H. (1912) Les statues d’argile préhistoriques de la caverne du Tuc d’Audoubert (Ariège), Comptes rendus des séances de l’Académie des Inscriptions et Belles-Lettres, Volume 56, Numéro 7, pp. 532-538, http://www.persee.fr/doc/crai_00650536_1912_num_56_7_73103

[3] 相对湿度是空气中水蒸气的实际含量与同温度下的饱和湿度之比。相对湿度的范围从完全干燥的空气的0%到形成水滴的高于100%。

[4] Leroi-Gourhan A. (1984) L’Art des cavernes : Atlas des grottes ornées paléolithiques françaises.

[5] Kramer S.N., 2017, L’histoire commence à Sumer, Flammarion.

[6] Gourdier S., Plat E. (2018) Impactdu changement climatique sur la sinistralité due au retrait-gonflement des argiles, Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur, ENPC, Marne-la-Vallée, https://hal-brgm.archives-ouvertes.fr/hal-01768395

[7] http://infoterre.brgm.fr/page/alea-retrait-gonflement.

[8] Reiffsteck P., Zerhouni M., Averlan J-L ( 2018), Essais de laboratoire pour la mécanique des sols et la géotechnique, Presses de l’ENPC, Paris.

[9] 一克大约相当于一小匙绿色黏土的质量。

[10] Ovando E. (2011), Some geotechnical properties to characterize Mexico City Clay, http://geoserver.ing.puc.cl/info/conferences/PanAm2011/panam2011/pdfs/GEO11Paper889.pdf

[11] https://en.wikipedia.org/wiki/Albert_Atterberg

[12] 膨润土是一种蒙脱土，被广泛应用于土木工程或石油工程的钻探。

[13] www.andra.fr

[14] 这里的约束条件是施加的力除以榨汁机的截面积。

[15] 不均匀沉降指建筑物的两个地基之间存在沉降差，从而导致开裂。

[16] Burland, J.B., Jamiolkowski, M., Viggiani C. (1998), Stabilizing the leaning tower of Pisa, Bulletin of Engineering Geology and Environnement, n°57 pp.91-99.

[17] Puzrin, A.M., Alonso E.E., Pinyol N.M. (2010), Geomechanics of failures, Springer.

[18] Phien-wej N., Giao P.H., Nutalaya P. (2006), Land subsidence in Bangkok, Thaïland, In Engineering Geology, Volume 82, Issue 4, Pages 187-201, ISSN 0013-7952, https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2005.10.004.(http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013795205002693

[19] Bard, P.-Y. (2002), Les effets de site et la cuvette grenobloise, Risques-Infos n°13, IRMA Grenoble, Mai 2002

[20] Zonage sismique de la France. http://www.planseisme.fr/Zonage-sismique-de-la-France.html

译者：陶鸣鸣          编审：崔岩山          责任编辑：胡玉娇

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引用这篇文章: FLAVIGNY Etienne (2021年9月21日), 黏土：令人惊讶的天然纳米材料, 环境百科全书，咨询于 2023年3月19日 [在线ISSN 2555-0950]网址： https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/sol-zh/clay-a-natural-and-surprising-nanomaterial/.

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