Грунты как дисперсные системы

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 5Следующая ⇒

Дисперсными называются системы, состоящие из двух или более веществ, распределенных друг в друге. Газовые смеси или растворы представляют собой однофазные системы, т.к. в них мы не можем обнаружить поверхность раздела между компонентами.

В суспензии, эмульсии, дыме нужно различать поверхность отдельных частиц, распределенных в их среде. Так, в суспензии твердые частицы распределены в жидкой среде, в эмульсии частицы одной жидкости распределены в другой, в тумане частицы жидкости распределены в воздухе, в дыме частицы твердого вещества распределены в газообразном. Такие системы, в зависимости от количества компонентов, могут быть двухфазными или трехфазными. Частицы измельченного вещества называются дисперсной фазой, а вмещающие вещество – дисперсной средой.

Грунты, состоящие из измельченных твердых частиц минералов, могут представлять собой двухфазную систему типа твердые частицы + вода, твердые частицы + воздух или трехфазную систему типа твердые частицы + вода + воздух.

Изучение вопросов о грунтах как дисперсных системах имеет важное значение для понимания происходящих в них явлений и отыскания способов искусственного улучшения их природных свойств.

Между дисперсной фазой и дисперсной средой существует постоянное и непрерывное взаимодействие.

Изучением явлений, происходящих на границах сред, составляющих грунты, занимается специальная наука – грунтоведение, опирающаяся в значительной мере на основные положения коллоидной химии. Наиболее важной характеристикой многофазной системы является степень дисперсности, т.е. степень раздробленности дисперсной фазы. Высший предел дисперсности грунтов – молекулярное раздробление. Чаще мы имеем дело с частицами, раздробленными до состояния коллоидов.

Коллоиды – это не вещества, а состояние веществ по степени раздробленности. К коллоидам мы относим глинистые частицы крупностью менее 0, 1 мкм, обладающие рядом специфических свойств. Не все вещества, раздробленные до крупности менее 0, 1 мкм, обладают свойствами коллоидов, но глинистые минералы при раздроблении и во взаимодействии с водой, представляющей собой дисперсную среду, образуют коллоидные системы.

Системы с частицами от 0, 1 до 5 мкм тоже обладают некоторыми свойствами коллоидных систем (явления коагуляции, тепловое броуновское движение и др.). Частицы крупнее 5 мкм (0, 005 мм) образуют грубодисперсные системы, не обладающие коллоидными свойствами. Грунты могут представлять собой грубодисперсные системы, но могут содержать и тонкодисперсные и коллоидные системы, состоящие из твердых частиц, воды, а иногда и воздуха.

Степень дисперсности грунтов зависит от условий образования их минералогического состава. Чем тоньше измельчено вещество, тем выше его суммарная поверхность, а следовательно, тем значительнее развиты явления взаимодействия на поверхностях раздела твердой, жидкой и газообразной фаз.

Например, частицы глинистого минерала каолина имеют удельную поверхность 10 м²/г, а монтмориллониты – 800 м²/г, т.е. огромную поверхность в сотни квадратных метров в одном грамме грунта, что несомненно сказывается на свойствах природных грунтов, содержащих такие минералы.

Рассмотрим здесь те свойства коллоидов, которые имеют непосредственное отношение к вопросам природного или искусственного изменения свойств грунтов.

Коагуляция коллоидов и тонких дисперсий связана с переходом из золей (состояние вязкой жидкости) в гели (студиеобразные осадки). Коллоидные системы в грунтах обычно находятся в состоянии геля. Процессы перехода золя в гель протекают под влиянием внешних усилий (высушивание, охлаждение, изменение концентрации солей, растворенных в воде); эти процессы могут быть обратимы и необратимы. При коагуляции коллоиды слипаются друг с другом и могут склеивать более крупные частицы грунта, образуя агрегаты.

Гидрофильность, т.е. свойство связывать и удерживать некоторое количество воды, присуща как коллиодным системам, так и некоторым тонким дисперсиям. Системы, не вступающие во взаимодействие с водой, называются гидрофобными. Грунтовые коллоиды, в основном, гидрофильны и обратимы. На поверхности фаз коллоидных систем возникает электромолекулярное поверхностное натяжение, поэтому дисперсные системы обладают значительным запасом свободной энергии:

Q = aS,

где a– поверхностное натяжение на единицу поверхности, кг/см²;

S – поверхность раздела фаз, см².

Чем больше поверхность раздела S, т.е. чем тоньше частицы, слагающие грунт, тем больше энергия. Затраты этой энергии (например, на коагуляцию) приводят к уменьшению поверхности раздела сред S.

Величина поверхностного натяжения a зависит от свойств дисперсной среды (в частности, от степени минерализации воды).

Электрические свойства коллоидов объясняются тем, что коллоидные частицы представляют собой сложные электрические системы, состоящие из заряженного ядра, неподвижного двойного слоя ионов вокруг ядра и подвижного (диффузного) слоя ионов. Образование этих слоев объясняется взаимодействием вещества дисперсной фазы с веществом дисперсной среды. Ионные оболочки не дают коллоидам слипаться и коагулировать. Коллоидные системы черезвычайно чувствительны к электролитам (ионизированным растворам), которые могут менять толщину и плотность диффузного слоя. В грунтах электролитом является минерализованная вода в порах грунта, молекулы которой образуют вокруг ионов диффузного слоя гидратные оболочки. Молекулы воды в гидратных оболочках, ориентированные радиально по отношению к ядру, образуют вокруг коллоидной частицы пленку связанной воды, обладающей особыми свойствами – повышенной плотностью, вязкостью, пониженной температурой замерзания. Гидратация диффузных слоев происходит под влиянием изменения температуры, концентрации и состава электролита и перемещения воды в грунте.

Поглотительная способность коллоидов объясняется высокоразвитой поверхностью, которая может поглощать и удерживать (адсорбировать) различные взвешенные и растворенные вещества из соприкасающейся с ней жидкости.

Адсорбция молекул воды приводит к образованию гидроскопических водных пленок вокруг частиц. Адсорбция некоторых жиров и масел придает грунтам свойство гидрофобности.

Обменное поглощение проявляется в способности коллоидов поглощать ионы из раствора, выделяя взамен ионы из адсорбционных пленок. В обменном поглощении существует строго определенная закономерность. Относительная способность того или иного иона вытеснять адсорбированные ионы из адсорбированных пленок называется энергией поглощения. По энергии поглощения катионы могут быть расположены в следующем порядке:

Как видно, энергия поглощения возрастает с увеличением валентности элементов; исключение составляет лишь водород, активность которого выше, чем 2-валентных катионов.

Электрические свойства коллоидов обнаруживаются в явлениях электроосмоса и электрофореза.

Электроосмос представляет собой перемещение под влиянием наложения электрического поля дисперсной среды к электроду, заряженному одноименно с коллоидными частицами.

Электрофорез – перемещение при тех же условиях дисперсной фазы (т.е. самих коллоидных частиц) к противоположно заряженному электроду.

Свойства, придаваемые грунтам коллоидами, используются в строительных целях. Коагуляция способствует образованию агрегатов, в состав которых могут входить и более крупные грунтовые частицы, т.е. структурообразованию грунта с соответствующими механическими свойствами. Способность к обменному поглощению может снизить набухаемость грунтов, их водоудерживающую способность. Явления электроосмоса и электрофореза используются для искусственного осушения и электрозакрепления грунтов.

Виды воды в грунтах

В грунтах всегда содержится некоторое количество воды, целиком или частично заполняющей трещины и поры между частицами.

Состояние влаги в грунте может быть твердым (лед), жидким (вода) и газообразным (пар). Вся влага, в любом состоянии, находится в постоянном физическом и химическом взаимодействии с частицами грунта.

Содержащиеся в грунте воды впервые были классифицированы В.Богдановым в 1889 г. Позже, в 1918 г., классификация вод в грунте была предложена А.Ф.Лебедевым, разработавшим на основе экспериментальных исследований стройную теорию состояния и поведения грунтовых вод. Исследования свойств воды были продолжены и значительно расширены нашими современниками А.А.Раза, Б.В.Дерягиным, Б.Ф.Рельтовым.

При температуре выше 0⁰С в грунтах можно различать следующие виды воды:

- кристаллизационная, или химически связанная, вода;

- водяной пар;

- гигроскопическая вода;

- пленочная вода;

- капиллярная вода;

- гравитационная вода.

Кристаллизационная, или химически связанная, вода входит в состав кристаллических решеток минералов. Она может быть удалена при прокаливании и, по существу, представляет собой составную часть вещества, слагающего частицы грунта.

Водяной пар заполняет пустоты грунта, свободные от воды; он перемещается из областей с повышенным давлением в области с низким давлением; конденсируясь, способствует пополнению грунтовых вод.

Гигроскопическая вода притягивается частицами грунта из воздуха и конденсируется на их поверхности. Количество гигроскопической воды зависит от свойств вещества грунта и от влажности воздуха. Высушенный грунт во влажном воздухе будет увеличиваться в весе до тех пор пока не будет достигнута влажность, соответствующая максимальной гигроскопичности, имеющей приблизительно следующие значения: для песка – около 1%; для пыли – около 7% от веса сухого вещества грунта; для глины – около 17%.

Гигроскопическая вода может перемещаться в грунте, переходя в парообразное состояние, и может быть удалена только высушиванием.

Пленочная вода удерживается на поверхности грунтовых частиц силами молекулярного притяжения. Влажность грунта, соответствующая максимальной толщине молекулярных пленок воды, называется максимальной молекулярной влагоемкостью. Молекулы пленочной воды притянуты и удерживаются на поверхности грунтовой частицы огромными по удельной величине силами электрического притяжения.

Пленочная вода не подчиняется законам гидростатики и гидродинамики и перемещается от частиц с большой толщиной оболочки к частицам с меньшей толщиной оболочки независимо от взаиморасположения этих частиц. Большая вязкость пленочной воды обусловливает очень медленное ее перемещение в грунте. Количество пленочной – молекулярно-связанной – воды и ее свойства сказываются на физико-механических свойствах грунта.

Рассмотренное нами ранее взаимодействие между твердыми частицами грунта (дисперсной фазой) и жидкостью (дисперсной средой) позволяет изобразить схему взаимодействия молекулярных сил в системе твердая частица+вода (рис.1.1).

Рис.1.1. Схема расположения молекул воды около отрицательно заряженной частицы грунта (а) и график сил взаимодействия между поверхностью частицы грунта и молекулами воды (б):

1 – прочносвязанная вода (адсорбированная);

2 – рыхлосвязанная вода;

3 – свободная вода

Из приведенной схемы видно, что наибольшие силы притяжения действуют непосредственно на поверхности частицы, вызывая образование слоя прочносвязанной воды; с удалением от поверхности частицы силы притяжения ослабевают и вода переходит в состояние рыхлосвязанной; там, где силы притяжения частицы перестают действовать, вода находится в свободном состоянии.

Прочносвязанная вода, как показали исследования, проведенные Б.В.Дерягиным, находится в особо твердом состоянии, она, по существу, объединяется с системой твердых минеральных частиц.

Для физики и механики грунтов большое значение имеет вода рыхлосвязанная. Ее плотность, вязкость и температура замерзания отличны от свободной воды и тем значительнее, чем меньше толщина пленок. Неподвижностью этого вида воды в узких порах объясняется низкая водопроницаемость и медленная сжимаемость тонкозернистых грунтов.

Пленочная вода может быть удалена из грунта путем испарения.

Капиллярная вода поднимается в грунте по свободным канальцам, образованным взаимосообщающимися порами или удерживается в них в подвешенном состоянии.

Высота поднятия капиллярной воды определяется подъемной силой менисков, величина которой зависит от смачиваемости грунта, размеров пор и свойств воды (ее температуры, степени минерализации).

Результирующее действие капиллярных сил условно рассматривают как силу поверхностного натяжения менисков, удерживающих столб воды.

Как известно из формулы Лапласа, подъемная сила мениска обратно пропорциональна радиусу кривизны, равной радиусу капилляра:

, (1.2)

где a – поверхностное натяжение воды, равное 7, 7 мг/мм. Например, при диаметре пор в мелком песке d = 0, 01 см и радиусе r = 0, 005 см сила капиллярного натяжения q=0, 03кг/см², т.е. незначительна по величине. Для глины при r =0, 00025 см q =0, 6 кг/см², а при r = 0, 00001 см q = 15 кг/см².

Капиллярная влага в грунте может находиться в разобщенном состоянии (на стыках зерен), в подвешенном состоянии (не связанная с уровнем грунтовых вод, удерживаемая натяжением менисков) и в подпертом состоянии (непосредственно над уровнем грунтовых вод).

Сила q вызывает поднятие воды до того момента, пока вес поднятого столба воды высотой h_max не уравновесится подъемной силой мениска:

, (1.3)

где D – удельный вес воды, отсюда

. (1.4)

Рассмотренные закономерности капиллярных явлений свойственны пылеватым и глинистым грунтам со значительными ограничениями. Высота максимального капиллярного поднятия в грунтах практически достигает 2...3 м, тогда как по вышеприведенной формуле при диаметре капилляров менее 0, 005 мм высота должна быть в сотни раз больше.

На самом же деле, как показали исследования проф.А.В.Думанского [3], при размере пор 10^-7 см и менее образование капиллярных менисков невозможно, т.к. вся вода, содержащаяся в порах, находится под влиянием гораздо больших сил – сил молекулярного притяжения частиц грунта. Поэтому капиллярные явления более распространены в грунтах пылеватых, супесчаных, суглинистых, чем в глинах.

Гравитационная вода не подвержена действию молекулярных и менисковых сил и полностью подчиняется законам гидростатики и гидродинамики. Подчиняясь действию сил тяжести, она свободно движется в грунте от большего напора к меньшему и пополняет грунтовую воду. В грунтах крупнозернистых почти вся вода гравитационная, в плотных глинах большей частью связанная.

Если вода не заполняет полностью поры грунта, то свободную часть пор занимает газ. В грунтах песчаных, крупнообломочных поры открыты и состав газа, содержащегося в порах, не отличается от состава атмосферного воздуха. В глинистых грунтах, в связи со своеобразной формой частиц и наличием вязкой пленочной воды, поры могут оказаться закрытыми и защемленный в них газ по своему составу может значительно отличаться от окружающего воздуха.

Защемленные газы повышают упругость грунта, снижают его водопроницаемость и значительно осложняют все явления, происходящие на грани раздела сред. Кроме того, вода, заполняющая поры грунта, всегда содержит некоторое количество растворенного газа, способного выделяться в виде пузырьков при изменении давления или температуры.

⇐ Предыдущая 1 234 5 Следующая ⇒