Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Кристаллизационная и химически связанная вода.

Кристаллиза­ционная и химически связанная вода, часто называемая консти­туционной, участвует в формировании кристаллических решеток различных минералов. Так, вода входит в состав таких минера лов, как гипс (Са5О₄ • 2Н₂О) и ряда других. Кристаллизационная вода, участвуя в построении кристаллической решетки минера­лов, сохраняет свою молекулярную форму.

Химически связанная вода входит в состав таких соединений, как, например, лимонит (Ре₂О₃ • лН₂О). Эта вода не сохраняет своего молекулярного единства, однако более прочно, по сравне­нию с кристаллизационной, связана с другими молекулами крис­таллических решеток.

Для того чтобы удалить химически связанную воду из мине­рала, его нужно нагреть примерно до 200 °С, а это может приве­сти к распаду (разрушению) минерала.

В химически связанной воде, в отличие от кристаллизацион­ной, в некоторых случаях ион водорода может замещаться ионом металла (Са, М§, №, К, Ре).

Химически связанная и кристаллизационная вода или одна из них присутствуют во вторичных минералах. Среди первичных минералов значительное количество безводных. Поэтому в гли­нистых фунтах вода, входящая в кристаллические решетки мине­ралов, играет более значительную роль, чем в песчаных.

Очень близко к рассмотрению влияния различных видов воды на свойства грунтов находится оценка роли обменных катионов в фунтах.

Обменные катионы в грунтах. Общее количество ионов в фун­те, способных к обмену в данных условиях, называют емкостью поглощения или емкостью обмена грунта.

В обменных процессах в грунтах участвуют главным образом катионы, так как большинство минеральных и органических час­тиц в воде приобретает отрицательный электрический заряд.

Обменные катионы, т. е. катионы, участвующие в реакциях об­мена, находятся в химической связи с поверхностными молеку­лами минеральных частиц. Проникновение катионов в состав кристаллической решетки обусловливает возможности этой хими­ческой связи.

Способные к обмену катионы входят в состав коллоидных мицелл вокруг частиц фунта, находятся на внешней поверхности частиц, в межпакетном пространстве кристаллической решетки. В фунтах наиболее распространены такие катионы, как Са²⁺, №⁺, К⁺, Н⁺; гораздо реже встречаются А1³⁺, Ре³⁺, Ре²⁺, \А⁺. По своей активности ионы располагаются в следую­щий ряд (по убыванию активности): 1_л, Ыа, К, МН₄, М$>, Са, Ва, Н, А1, Ре.

Изучение состава обменных катионов и изменения его во времени имеет большое практическое значение, так как свойства высокодисперсных фунтов, например глинистых и лессовых, за висят от состава обменных катионов не в меньшей степени, чем от других факторов. Состав обменных катионов играет определя­ющую роль в содержании различных категорий воды в грунте, одновременно сказываясь на формировании его микроструктуры и микротекстуры. Это же, в свою очередь, определяет инженер­но-геологические свойства грунтов.

Количество связанной воды существенным образом зависит от состава обменных катионов в ней. Образование мощных обо­лочек связанной воды влечет за собой распад микроагрегатов в грунте. Уменьшение оболочек связанной воды вокруг грунтовой частицы ведет к обратному явлению — процессу коагуляции час­тиц, т. е. к образованию микроагрегатов, а это, в свою очередь, оказывает заметное влияние на формирование микроструктуры и микротекстуры грунта. Состав поглощенных катионов в очень большой мере сказывается на сорбционной способности частиц, т. е. способности частиц связывать воду. Так, в присутствии одно­валентного катиона №⁺ при прочих равных условиях частицы связывают существенно большее количество воды, чем в присут­ствии двухвалентных катионов — Са²⁺, М§²⁺. Таким образом, №-катион как бы усиливает влияние глинистых частиц на свой­ства пород, а двухвалентные катионы, наоборот, это влияние уменьшают. Иными словами, замена в глинистых породах двух­валентных катионов катионами N8 эквивалентна по своему влия­нию на свойства пород увеличению содержания глинистых час­тиц. Это обстоятельство имеет чрезвычайно важное значение. Содержание глинистых частиц в породе, так называемая «глини­стость» породы, определяет такие свойства, как способность грунта к набуханию и величину его усадки. Например, набухание происходит при поглощении породами воды, сопровождающемся увеличением толщины пленок связанной воды в контактах час­тиц и расстояния между ними под действием расклинивающего влияния этих пленок. Набухание сопровождается падением проч­ности глинистых пород.

Для сохранения индивидуальных частиц в суспензии и предот­вращения коагуляции (т. е. объединения в агрегаты) необходимо сохранить отрицательный заряд частиц, вызывающий их отталки­вание друг от друга. Этому способствует наличие в дисперсионной среде одновалентных катионов. Наоборот, появление в этой среде двухвалентных катионов приводит к коагуляции и переходу кол­лоидных систем из золя в гель. Описанное явление имеет сущест­венное значение для формирования плотности глинистых осадков, приобретения рыхлыми горными породами преимущественно гли­нистого состава того или иного состояния по «плотности — влаж­ности».

Начальная пористость (плотность) водных глинистых осадков зависит от количества частиц и состава воды. Чем больше глини­стых частиц (выше «глинистость») содержит осадок при одинако­вом составе воды, тем больше его начальный объем и пористость и тем меньше плотность. Это объясняется различным набуханием осадков разного состава. Таким образом, начальная пористость самая высокая у глин, постепенно она снижается у суглинков, супесей и, наконец, песков. В воде, содержащей ионы натрия, объем глинистых осадков при прочих равных условиях больше, чем при содержании ионов кальция. Уплотнение осадков различ­ного состава при увеличении природного давления в процессе их накопления протекает по-разному: наиболее интенсивно в гли­нах, причиной чего является смазывающее влияние связанной воды, окружающей глинистые частицы, и наличие значительного количества сравнительно крупных пор; значительно меньшая ин­тенсивность уплотнения в суглинках, еще меньше — в супесях и совсем незначительно в песках. Интенсивность уплотнения гли­нистых осадков и пород зависит от количества глинистых час­тиц, их минералогического состава и валентности поглощенных ионов. К примеру, при прочих равных условиях она возрастает с увеличением количества монтмориллонита в глинистой фракции и при наличии поглощенного натрия.

Исходя из этого, отметим, что интенсивность уплотнения глинистых осадков и пород является функцией предела текуче­сти; чем выше значение предела текучести, тем меньше началь­ная плотность глинистого осадка и тем интенсивнее будет проте­кать уплотнение осадков и пород при увеличении давления.

Известно, что прочность дисперсных систем, к числу которых относятся и глинистые породы, зависит от давления, влияние которого они испытывали. Следовательно, при одинаковой плот­ности наиболее прочной будет глина, менее прочным — суглинок и наименее прочной из рассмотренных пород — супесь. Надо иметь в виду, что от прочности пород зависит возможность их выдавливания из-под фундаментов, что обычно является причи­ной разрушения зданий и сооружений. Кстати, это показывает, что распространенное представление о том, что с большей плот­ностью связана и большая прочность глинистых пород, справед­ливо лишь в отношении пород одинакового состава.

Отмеченное выше влияние катионного состава на «глини­стость» породы сказывается на усадке глинистых пород при по­тере ими влаги. Величина усадки характеризуется процентным отношением уменьшения объема образца породы при его высу­шивании к первоначальному объему, а эта величина существенно возрастает с увеличением содержания в породе глинистых частиц

(особенно монтмориллонита), т. е. с увеличением предела текуче­сти. Усадка при высыхании может быть одной из причин перехо­да пород нормальной плотности в переуплотненное состояние. Особенно часто это проявляется в тяжелых суглинках и глинах у поверхности земли в районах со сравнительно сухим климатом.

Недоуплотненное состояние наиболее характерно для пород с малой величиной предела текучести, т. е. для пылеватых супесей и суглинков, с незначительным количеством глинистых частиц, особенно частиц монтмориллонита, и наличием одновалентных катионов.

При доуплотнении недоуплотненных пород под нагрузкой и при увлажнении, которое не может быть равномерным, возмож­но возникновение неравномерных дополнительных осадок соору­жения.