Набухание грунта при замачивании его различными жидкостями

Набухание грунта при замачивании его различными жидкостями

В практике эксплуатации сооружений наблюдаются случаи замачивания грунта оснований не только водой, но и другими жидкостями, в частности растворами различных кислот. В связи с этим ниже рассматриваются некоторые закономерности набухания грунтов при замачивании их различными жидкостями.

Для выявления зависимости набухания от диэлектрической постоянной (ДП) замачивающей жидкости проведены опыты с образцами нарушенной структуры, имеющими одинаковую влажность и плотность. Исследовались две разновидности глин хвалынские и майкопские. При этом каждой жидкостью замачивалось 5 — 10 образцов. Зависимость между ∈Sw и ДП носит нелинейный характер. Наименьшее набухание наблюдается в гексане, ДП которого равна 1,9. С повышением ДП набухание грунта возрастает быстрее, чем увеличивается ДП, т. е. зависимость между этими величинами при ДП от 0 до 20 — 30 имеет криволинейный характер. При больших значениях эта зависимость линейная, при этом набухание возрастает не так быстро, как при малых значениях ДП.

Экспериментами установлена разница в набухании грунтов, замачиваемых полярными и неполярными жидкостями, что обусловлено следующим. Во-первых, при замачивании полярными жидкостями происходит внутрикристаллическое набухание, так как полярные молекулы могут проникать в межпакетное пространство минералов. При неполярных жидкостях внутрикристаллического набухания не происходит. Во-вторых, имеется различие при взаимодействии этих жидкостей с поверхностью твердой фазы, а также со свободными ионами порового раствора. Взаимодействие полярных жидкостей с твердой фазой происходит в силовом поле, обусловленном проявлением электростатических, дисперсионных и индукционных сил, а также полярности самих молекул.

Для неполярных молекул возможно действие лишь дисперсионных сил, поэтому их притяжение к твердой фазе происходит при действии относительно слабых сил. Следовательно, количество адсорбируемой жидкости, а также набухание будут незначительными.

Время, необходимое для стабилизации набухания, существенно отличается при замачивании неполярными и полярными жидкостями. В первом случае набухание стабилизировалось в течение 20 — 30 мин, увеличиваясь по мере возрастания ДП. При замачивании водой этот процесс длился около 24 ч. Медленное протекание процесса при замачивании водой наблюдается после достижения набухания, составляющего 80 — 90% общей величины, и объясняется действием незначительных периферийных сил притяжения.

В технологических процессах ряда производств в последние годы широко применяется серная кислота, что приводит к закислению грунта основания. С целью изучения влияния растворов кислоты на набухание были проведены исследования на образцах сарматских и хвалынских глин, а также на пяти разновидностях элювиальных глинистых грунтов Урала. Характеристика этих грунтов такова: содержание частиц размером более 0,05 мм — 26,3 %, 0,05 — 0,005 мм — 52, 1 % и менее 0,05 мм-21,6%; влажность w = 0,28, wp = 0,34 и w = 0,46; плотность р =1,83 г/см3, рs = 2,72 г/см3 и рd=1,42г/см3; свободное набухание в приборе Васильева 8,9%, влажность набухания 0,38.

Замечена зависимость величины и времени набухания от концентрации раствора. Установлено, что с увеличением концентрации величина и время набухания возрастают. При этом наиболее резкое увеличение происходит при возрастании концентрации до 3 — 4%.

Набухание в данном случае обусловлено не только возрастанием влажности, но и новообразованиями, появляющимися в грунте при взаимодействии его с кислотой. Исследования показали, что элювиальные грунты, характеризующиеся содержанием полуторных окислов Аl2О3 и Fe2O3, вступая в реакцию с кислотой, образуют сернокислые соли, вызывая увеличение объема грунта. Это подтверждается данными анализа новообразований, который установил, что они состоят в основном из сульфатов алюминия, железа и сернокислого кальция [Al2 (SO4)3 — 34,1 %, Fe2 (SO4)3 — 17,5 %, CaSO4 — 1,8 %, кристаллизационная вода — 46,6 %] .

Различие кинетики набухания грунта в воде и в кислоте объясняется тем, что после завершения физико-химических процессов, обусловливающих адсорбцию молекул воды, происходит взаимодействие щелочно-земельных элементов грунта с ионами серной кислоты. Этот процесс отличается от процесса набухания грунта при замачивании водой и характеризуется деформацией, в 2 — 7 раз превышающей деформации набухания в воде. Поэтому в отличие от обычного набухания увеличение объема при замачивании агрессивными средами, когда появляются новообразования, назовем «химическим набуханием».

Экспериментами выявлены закономерности набухания грунтов при замачивании их растворами кислоты. Установлено, что набухание грунта возрастает с уменьшением начальной влажности и действующей нагрузки, а также с устранением структурной связности и увеличивается с возрастанием количества глинистых частиц и плотности грунта.

Давление набухания при замачивании растворами также возрастает с увеличением концентрации. Так, при замачивании водой давление набуханий равно 190 кПа, а при замачивании 10 и 20%-ным раствором кислоты — соответственно 550 и 1700 кПа.

Проведенные исследования показали, что незначительное содержание в воде серной кислоты приводит к существенному увеличению набухания и давления набухания грунта, в то время как при замачивании водой эти величины оказываются незначительными. Поэтому при проектировании предприятий сернокислых производств необходимо проводить исследования свойств набухания всех глинистых грунтов при замачивании их растворами серной кислоты.

Это в равной степени относится и к производствам, в технологических процессах которых употребляются щелочные растворы, электролиты и т. д. Исследование влияния растворов NaCl, СаСl2 и FеСl3 проводилось на образцах нарушенной структуры сарматской (начальная влажность w = 6%, плотность рd = 1,54 г/см3 ) и аральской (w = 7%, рd = 1,65 г/см3 ) глины. Грунты замачивались растворами, имеющими концентрацию 0,00054 — 5,85 % при различных нагрузках.

Анализ данных показывает следующее:

  • набухание грунта, замачиваемого растворами, в 1,2 — 7 раз больше, чем замачиваемого водой (в зависимости от вида раствора и передаваемой нагрузки);
  • с увеличением внешнего давления набухание грунта уменьшается;
  • наибольшая разница в набухании грунта (в пределах разновидности глин) наблюдается при замачивании растворами и отсутствии нагрузки;
  • с увеличением внешнего давления эта разница существенно уменьшается.

Указанные закономерности проявляются и при других концентрациях раствора. Проведенные исследования показали, что с уменьшением концентрации от 1N до 0,0001N набухание проходит через минимум и максимум. При увлажнении грунта раствором кислоты в зависимости от начальной влажности грунта происходит уменьшение концентрации раствора, что приводит к нарушению линейной зависимости между набуханием и концентрацией раствора.