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土的矿物组成、化学成分及其与水相互作用产生的性质。土的矿物化学性质属微观土力学的范畴，是土质学的主要内容。它对于土工程特性的本质认识，对软黏土、红黏土、膨胀土等特殊土类工程性质的评价具有重要意义。 土的矿物组成 土是岩石经风化作用形成的自然历史产物，包括固、液、气三相。固相由原生碎屑矿物、次生黏土矿物，以及数量不等的游离氧化物、有机质和各种简单盐类组成。液相主要为水，在常温中成液态和气态（水蒸气），有时也呈固态（冰）。气相主要为空气。 原生碎屑矿物是岩石物理风化的产物，它保持母岩原有的化学成分和结构，是粗粒土的最基本组分。土中常见的原生碎屑矿物有石英、长石和云母。 次生黏土矿物是硅酸盐岩石化学风化的产物，具有高分散性和层状结构。它们大多数由两个基本结构单元——硅氧四面体薄片和铝氢氧八面体薄片构成。硅氧四面体由4个氧原子构成的四面体中夹1个硅原子构成（图1）。铝氢氧八面体由铝原子嵌在6个氧原子或羟基形成的八面体中构成（图2），其中铝可被镁或铁置换。Al3+和Fe3+居八面体中心，八面体具有三水铝石Al2（OH）6的结构型式，Fe2+和Mg2+居八面体中央，八面体的晶格类似于水镁石Mg3（OH）6的结构。高岭石由硅氧四面体片顶端的氧原子取代水镁石片上边位置相当的氢氧原子结合而成，高岭石薄片的厚度约0.72 nm。蒙脱石由2个硅氧四面体片顶端的氧原子分别取代1个水镁石片上、下两边位置相当的氢氧原子而成，蒙脱石薄片单元之间的空隙是个变值，由0.96 nm以至完全脱开。在大量吸着水存在时，伊利石的结晶结构与蒙脱石完全一样，只是部分四面体中的硅被铝或镁取代，损失的原子价由层间的钾原子补偿，伊利石薄片层的厚度约1 nm。
图1 二氧化硅薄片结构 （a）1个四面体；（b）1个四面体薄片、—氧；、—硅
图2 八面体薄片结构 （a）1个八面体；（b）1个八面体薄片、—羟基；—铝、镁等
蒙脱石、伊利石和高岭石的工程性质比较如表所示。
黏土矿物工程性质比较表 
土中有些简单盐如易溶盐、中溶盐（硫酸盐）、难溶盐（碳酸盐），它们有的溶解度大，有的溶解度极易受水的pH值变化的影响，它们在土中的含量对水利工程的安全有重要意义，应该引起足够的重视。 土的化学成分 土的化学成分非常复杂，几乎包含地球上所有天然元素，其含量也因成土母岩不同而千差万别。黏土矿物属于硅酸盐，其化学成分主要为硅、铝、铁、钙、镁、钠、钾等，百分含量多寡的顺序为：SiO2＞Al2O3＞Fe2O3＞CaO＞MgO＞Na2O＞K2O。百分含量中SiO2 和Fe2O3的分子比值，可用于判别主要黏土矿物的鉴定结果，蒙脱石的比值大于4.0，伊利石为2.5～3.0，高岭石约为2。 土中的游离氧化物——SiO2、Fe2O3、Al2O3等，对黏土颗粒有胶结作用，并且易受水中有机质、pH值和氧化还原电位的影响。特别是其中的游离氧化铁，是土中最活跃的组分。在大坝廊道和土坝坝基或坝体的下游出水面上，经常可以见到一些黄褐色的物质——坝基析出物，它们主要为无定形游离氧化铁，是土中游离氧化铁在长期渗水作用下，溶解—搬迁—再淀积的结果。它们往往会使坝基的力学强度降低，渗透系数变大，减压井失效，是影响坝基长期稳定的有害因素。 土中水的类型 黏土矿物颗粒细小，黏粒和胶粒含量高，比表面积很大，并且表面带有电荷。黏土矿物颗粒表面同孔隙水之间会产生复杂的物理化学反应。根据土颗粒对水吸附的强弱，孔隙水可分为吸附水、黏滞水和自由水。通常认为，在静电引力作用下，偶极性的水分子以其正极定向地被吸附到黏土矿物颗粒表面，形成一层水薄膜。最靠近颗粒表面的水分子被牢牢地吸附着，定向性很强，其性质与同样温度下的自由水有很大差异。这种水显示一定的固体结构，密度较大，并具有一定的抗剪强度，称为吸附水，一般厚约1～10 nm。超过吸附水层，电场强度衰减，水分子定向性减弱，密度、黏滞性减小，直至与普通水一样，这种水称为黏滞水，厚约40 nm。黏滞水以外即为自由水。在Na＋、Ca2＋阳离子吸附反应参与的情况下，在邻近矿物颗粒表面形成一种吸附复合体，带负电荷的黏土矿物颗粒薄片同吸附在表面上的阳离子云构成所谓双电层。吸附水和黏滞水使黏土具有凝聚力、可塑性与触变性。黏滞水和自由水都参与土的变形和渗透过程。 阳离子交换作用 黏土矿物颗粒表面吸附的阳离子，与孔隙水中溶解的阳离子相互取代的一种作用，以每千克干土所能交换吸附一价阳离子厘摩尔数表示。阳离子交换作用是黏土的一个重要物理化学性质。交换总量高的土塑性高，持水能力强，胀缩性大。交换阳离子的成分对土的工程性质影响也很大。 触变性 黏土在含水率不变的情况下，强度随时间而增长的性质。触变是由于黏土颗粒表面吸附的胶体受到扰动后，从凝胶状态变为流动的溶胶状态，使强度迅速下降，但静置后又能慢慢地部分恢复，强度随之增长。这一现象对同一黏土可以多次反复出现。
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