Набухание глинистого грунта при взаимодействии с водой и их свойства

Набухание глинистого грунта при взаимодействии с водой и их свойства

Глинистая фракция играет основную роль при взаимодействии грунта с водой. Сочетание отдельных частиц и агрегатов приводит к образованию структурных систем. Под структурной системой твердой части подразумевается порядок расположения в рыхлой породе простых частиц и агрегатов без учета влияния воздушной и жидкой частей, формирующихся в седиментационных, диагенетических и постдиагенетических процессах. Исследования показали существенное влияние структуры на механические, в частности на личностные, свойства грунта.

При увеличении температуры свойства воды могут не только изменяться, но и проявляться в новом качестве при взаимодействии с растворенными в ней веществами или при соприкосновении с нерастворимыми телами, т. е. с твердой фазой. Эти особенности являются результатом физико-химических свойств самой воды. Так, молекулы воды обладают большим междипольным электростатическим эффектом, достигающим до 80% ван-дер-ваальсовых сил.

С другой стороны, отсутствие электростатической нейтральности приводит к тому, что молекулы (диполи) воды могут притягиваться к ионам, имеющим собственный некомпенсированный электрический заряд, образуя гидратные оболочки. Силой, обусловливающей гидратацию, является притяжение полярных молекул воды под действием электростатических сил, что в свою очередь приводит к взаимной поляризации и появлению индукционных и диссационных эффектов.

Свойства воды предопределяют осмотические явления, происходящие в грунтах. Особенностями молекул воды, обуславливающими связывание их в грунтах, являются:

  • способность образовывать водородную связь;
  • отсутствие электрической нейтральности, приводящее к гидратации ионов;
  • наличие осмотических явлений.

Газообразная фаза может занимать до 50% объема всего грунта, количество ее зависит от вида грунта, уменьшается по мере возрастания глинистости. Исследования газообразных компонентов грунта выявили влияние свободных газов на объемные изменения грунта, а следовательно, и на изменение его свойств. Общее содержание газов завися от минералогического состава, влажности и дисперсности грунтов, а также типа обменных катионов. Вследствие значительной полярности молекулы водяного пара и воды будут сильнее притягиваться поверхностью грунта, вытесняя адсорбированные молекулы других газов.

При взаимодействии глинистого грунта с водой (или иной жидкостью) происходит набухание грунта, т. е. увеличение объема, которое можно объяснить следующим образом. Благодаря особенности строения глинистого минерала на его свободной поверхности сосредоточены некомпенсированные заряды, обусловливающие притяжение молекул воды. Адсорбция происходит под действием межмолекулярных сил (электростатических, дисперсионных и индукционных) на поверхности твердой части грунта и жидкости, что приводит к уменьшению свободной поверхности энергии.

Под действием рассмотренных сил на поверхности частицы образуется гидратный слой. Молекулы воды связываются не только с ионами кристаллической решетки, но и с обменными катионами, расположенными на внешней поверхности частиц. Первые слои молекул воды оказываются ориентированными к поверхности частицы и создают собственное силовое поле, которое, складываясь с молекулярными поверхностными слоями, притягивает молекулы воды к гидратированному слою. Процесс многослойной сорбции продолжается до тех пор, пока указанные совместные силы будут уравновешиваться силами диссоциации молекул воды.

Образовавшиеся гидратные слои стремятся раздвинуть частицы грунта. Раздвижка частиц обусловливается появлением «расклинивающего эффекта» тонких пленок в местах контакта грунтовых частиц. Таким образом, набухание грунта связано с образованием гидратной оболочки вокруг его частиц.

Раздвижка частиц, а следовательно, и набухание грунта есть результат взаимодействия двух фаз — твердой и жидкой. Раздвижка частиц происходит под действием расклинивающего давления, возникающее при образовании жидкого слоя на поверхности частиц. Этот гидратный слой образуется не только под действием собственных ионов глинистого минерала, обменных катионов, расположенных в поверхностном слое. Набухание, вызванное образованием слоев воды вокруг частиц или агрегатов, называется «межчастичным набуханием».