Навігація
Головна
 
Головна arrow Географія arrow Грунтознавство
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

РІДКА КОМПОНЕНТА ГРУНТІВ

Поширення, класифікація, склад і властивості рідкої компоненти грунтів

Рідка компонента найважливіша складова частина більшості грунтів. Просторово вода та інші рідини знаходяться в грунтах завдяки наявності в них всіляких пустот (тріщин, пор, каналів і ін.), Які займають вода або інші рідини завдяки своїй високій рухливості. Встановлено, що нижче рівня грунтових вод до глибин близько 4 ... 5 км і більше практично вага порожнечі гірських порід (за винятком вуглеводневих покладів) заповнені водними розчинами, що утворюють в межах літосфери регіональні нерозривні макроскопічні системи гідросфери. Підземні води складають 60 млн км, величезні кількості води (13 ... 15 млрд км) зосереджені в більш глибоких надрах мантії землі. Щорічне надходження води з мантії і магматичних вогнищ становить близько 1 км 3. У земній корі значні кількості води знаходяться в зв'язаному стані, входячи до складу деяких мінералів і гірських порід (гіпс, гідратованих форми кремнезему, гідросилікати і ін.).

За хімічним складом рідини можна розділити на неорганічні, органічні та змішані, включаючи і емульсії, за умовами формування виділяють підземні води: вилуговування, седиментаційних, відроджені і т. Д., А по переважаючим інгредієнтів хімічного складу - гідрокарбонатні, сульфатні, хлоридні і т. д.

Кількісний вміст рідини в грунті може оцінюватися характеристиками фізичних властивостей: об'ємної та ваговій вологістю, в глинистих ґрунтах показниками консистенції, а також іншими параметрами, наведеними в розділі фізичні властивості. Деякі показники, що характеризують вміст вологи в грунтах, є класифікаційними. Грунти поділяються на різновиди згідно [34] (табл. 2.2 і 2.3):

  • • за ступенем размягчаемості А ' Л () / ;
  • • за коефіцієнтом водонасичення Sy,
  • • по числу пластичності / ";
  • • за показником плинності /.

Будова молекули води [66]

Мал. 2.33. Будова молекули води [66]: а - структура: 6 - модель електронних орбіталей; в - розподіл зарядів (г-довжина зв'язків Н-О рівна 1,4110 4 мкм; I - довжина зв'язків Н-О, рівна 0.96 ■ 10 4 ; а -кут Н-О-Н. рівний / (MS ')

Особливості води визначає се молекулярна структура - вода складається з двох атомів водню і одного атома кисню, три ядра в молекулі утворюють трикутник з протонами в підставі і киснем в вершині (рис. 2.33, а). На зовнішній оболонці атома кисню знаходиться чотири електрона, а у водню - один. Розподіл електронної щільності в молекулі таке, що створюються 4 полюси зарядів: 2 позитивних, пов'язаних з атомами водню, і 2 негативних, пов'язаних з електронними хмарами неузагальнених пар електронів атома кисню. Зазначені 4 полюси зарядів розташовуються в вершинах тетраедра (рис. 2.33, в). Завдяки цій полярності вода має високий дипольний момент (1,86 D), а чотири полюси зарядів дозволяють кожній молекулі утворити чотири водневі зв'язки з сусідніми (такими ж) молекулами (наприклад, в кристалах льоду). У підсумку кожна молекула бере участь в утворенні чотирьох водневих зв'язків з сусідніми чотирма молекулами води: з двома виступаючи як донор, а з двома іншими - як акцептор. На відміну від структури молекули води власне структура рідкої води до цих пір остаточно не з'ясована. Найкраще згоду з експериментом дають так звані контінуальниє моделі води, які передбачають існування тривимірного досить пухкого безперервного "каркаса" з молекул води, з'єднаних водневими зв'язками приблизно в тетраедричних координації.

Вода рідкої компоненти, що знаходиться в грунтах, енергетично неоднорідна: молекули води в безпосередній близькості від мінеральної поверхні відчувають сили тяжіння, які спотворюють її структуру. Крім того, великий внесок в "зв'язування" молекул води вносять гидратирующие обмінні катіони, що містяться в грунті.

У грунтознавства вода в грунтах підрозділяється на вільну, пов'язану і воду перехідного типу. У табл. 2.23 наведено класифікацію грунтових вод Р.І. Злочевській [50].

Вільна вода (табл. 2.24), що володіє фізичними властивостями звичайної води, в грунтах ділиться на два види [66]:

  • вода замкнута (іммобілізована) в великих порах породи і тому не бере участь в процесах фільтрації і руху підземних вод;
  • текуча вільна вода (вода грунтового потоку), яка рухається під дією сили тяжіння або напору.

Вільна вода може переміщатися в грунтах по великим порам, тріщинах шляхом фільтрації під дією сили тяжіння або напору, вона утворює горизонти підземних вод і володіє звичайними для води фізичними властивостями і неспотвореної структурою.

Таблиця 2.24

Класифікація грунтових вод [50 /

Категорія (тип) води

Види і різновиди води

вільна вода

Замкнута в великих порах Текуча

Вода перехідного типу

Осмотично-поглинена вода

Капілярна вода (капілярної конденсації і капілярного вбирання)

пов'язана вода

Вода кристалічної решітки мінералів (конституційна, кристалізаційна-пов'язана)

Адсорбційна вода (мономолекулярної і поли молекулярному адсорбції)

Перші уявлення про пов'язаної воді виникли майже сто років тому, проте її систематичні дослідження почалися лише в 20-30-і рр. У розробку теорії зв'язаної води внесли великий вклад такі вчені, як Б.В. Дерягин, А.В. Думанський, П.А. Ребиндер, Н.В. Чураев, В. Дрост-Хансен, а її властивості в грунтах всебічно досліджували А.Ф. Лебедєв, С. Маттсон, А.А. Роде, В.А. Пріклоненіем, Е.М. Сергєєв, Ф.Д. Овчаренко, А.К. Ларіонов, Ю.І. Тарасевич, Р.І. Злочевская, В.А. Корольов, Л.І. Кульчицький, А.Д. Воронін та ін.

Пов'язана вода утримується в породі за рахунок хімічних і фізичних сил зв'язку (з енергією 0,1 ... 800 кДж / моль), що діють з боку поверхні мінералів і змінюють структуру і властивості води. Сумарний вміст зв'язаної води в літосфері землі становить ОД 1 ... ОД5 млрд км т. Е. Близько 42% від загальної кількості води в земній корі.

Пов'язана вода буває двох видів. До першого виду відноситься вода, що входить до складу кристалічних решіток різних мінералів. Це конституційна, що не молекулярна форма води типу ОН-груп, кристаллизационная вода різних кристалогідратів (якщо вони є в даній гірській породі), а також вода, "пов'язана" координаційно ненасиченими атомами і іонами кристалічної решітки мінералів. До другого виду належить адсорбційна вода, що утворюється за рахунок адсорбційного "тяжіння" молекул води до активних адсорбційним центрам поверхні мінералів.

Орієнтація молекул води на поверхні мінералу [66]

Мал. 2.34. Орієнтація молекул води на поверхні мінералу [66]

Пов'язана вода утворює адсорбційні плівки товщиною в один або кілька молекулярних шарів і міститься в грунтах в норах або мікротріщинах розміром менше 0,001 мкм. Серед неї виділяються два різновиди: з найбільшою енергією тяжіння до поверхні (близько

40 ... 120 кДж / моль) - вода острівної або мономолекулярної адсорбції, з меншою енергією зв'язку (менше 40 кДж / моль) - вода полімолекулярної (поліслойной) адсорбції. У цього типу води фізичні властивості найбільшою мірою відрізняються від вільної.

Тверді поверхні мінералів володіють гідрофільними властивостями, що зумовлює орієнтацію молекул води, які представляють собою диполі (рис. 2.34). Встановлено, що молекули води орієнтовані нормально до твердої поверхні. Орієнтація молекул викликана дією електростатичного тяжіння і проявляється макроскопически у вигляді зниження тангенциальной рухливості молекул в шарі товщиною кілька нанометрів.

Аномальні особливості зв'язаної води були встановлені для таких її властивостей, як щільність, в'язкість, діелектрична проникність і ін. [66]. Встановлено, що щільність зв'язаної води в тонких плівках товщиною близько 5 нм (нанометрів) підвищена на 1,5% в порівнянні з вільною водою і становить в середньому близько 1,02 г / см Раніше вважалося, що щільність зв'язаної води 1,2 .. .1,4 г / см 3 (за деякими даними 1.8 ... 2,4 г / см 3 ).

Прямі вимірювання в'язкості води в дуже гінких кварцових капілярах і гонкопорістих стеклах показали, що в'язкість зв'язаної води підвищується при зменшенні товщини плівки менше 1 мкм: при товщині плівки 0,2 ... 0,3 мкм її в'язкість підвищена в порівнянні з вільною водою в 1 , 1 рази, при товщині 10 нм підвищена в 1,6 рази (рис. 2.35).

Залежність відносної в'язкості зв'язаної води (tj / tjo) від товщини водної плівки (І)

Мал. 2.35. Залежність відносної в'язкості зв'язаної води (tj / tjo) від товщини водної плівки (І):

>} В'язкість зв'язаної води: tjo в'язкість вільної води [66)

Товщина плівки (І) незамерзаючих води в залежності від температури

Мал. 2.36. Товщина плівки (І) незамерзаючих води в залежності від температури:

1 каолінітової глина: 2 - монтморіллонітових глина (66]

Структурні ефекти аномальних властивостей зв'язаної води добре простежуються в дослідах по дослідженню їх температурної залежності. Так, при підвищенні температури в'язкість зв'язаної води знижується і при температурі 65 ... 70 ° С стає такою ж, як і у вільній води, т. Е. При нагріванні відбувається теплове руйнування структури зв'язаної води, зменшення товщини її граничної фази з перекрученою структурою

і перехід до вільної воду. При зниженні температури, навпаки, відбувається зворотне явище - структурування зв'язаної води.

Відомо, що фазовий перехід вода-лід відбувається при Про ° С (273 К). Однак в плівках пов'язаної структурованої води він здійснюється при більш низьких негативних температурах, і чим тонше плівка води, тим при більш низькій температурі вона замерзає. На рис. 2.36 показана температурна залежність товщини плівки незамерзаючих зв'язаної води на поверхні таких широко поширених глинистих мінералів, як каолініт і монтморилоніт. Основна причина зниження температури замерзання зв'язаної води - взаємодія її з твердою мінеральної поверхнею, точніше - з її активними центрами. Енергія взаємодії молекул води з активними центрами поверхні мінералів, а також з розташованими в норовом розчині іонами більше, ніж енергія взаємодії молекул води між собою. Це і призводить до того, що активний центр порушує сітку водневих зв'язків у воді, а фазовий перехід здійснюється лише при більш низькій температурі. У підсумку, в дисперсної породі на кордоні між часткою і льодом може існувати прошарок незамерзаючих води (рис. 2.37), а загальне її зміст залежить від температури (рис. 2.36).

Стан незамерзаючих води в грунтах [66]

Мал. 2.37. Стан незамерзаючих води в грунтах [66]

Не менш цікавою властивістю зв'язаної води в грунтах є її значне сповільнення з вільною водою растворяющая здатність; перша здатна розчиняти менше солей, ніж звичайна (вільна) вода. Це також наслідок зміненої структури зв'язаної води. Теорія нерастворяющуюся обсягу, що пояснює це аномальне властивість зв'язаної води, була розроблена Б.В. Дерягиним, а саме явище знайшло багато практичних застосувань, в тому числі на ньому заснований один з прямих методів визначення кількості зв'язаної води в грунтах.

Інша аномальне властивість зв'язаної води - зниження в кілька разів у порівнянні з вільною водою її діелектричної проникності. Якщо для звичайної води діелектрична проникність дорівнює 81, то для пов'язаної вона зменшується в залежності від товщини водної плівки до 3 ... 40. За останніми даними, прошарку зв'язаної води завтовшки 0,5 ... 0,6 нм мають діелектричну проникність, що дорівнює всього 3 ... 4.

Структурні зміни зв'язаної води обумовлюють зміна її температуропровідності. Зниження температуропроводности зв'язаної води в порівнянні з вільною водою починає проявлятися в водних плівках і прошарках товщиною менше 1 мкм. Чим тонше шар зв'язаної води, тим в більшій мірі знижена її температуропровідність. У прошарках товщиною 0,03 мкм температуропровідність знижена приблизно на 30% в порівнянні з вільною.

Для видалення і переміщення зв'язаної води, особливо що знаходиться ближче до поверхні твердих частинок, потрібні значні силові дії. Однак якщо дві однакові сусідні частинки грунту мають різні по товщині плівки зв'язаної води, то вода з товстої плівки переміщається в тонку, поки товщина плівок не стане однаковою. Тому в разі висихання верхніх шарів грунту і, як наслідок, місцевого зменшення товщини плівок навколо частинок, в природі спостерігається міграція вологи з нижніх шарів глинистого грунту, що містять більше води, до верхніх шарів. Молекули зовнішніх зон шару зв'язаної води можуть відриватися потоком фільтрує вільної води, а також вичавлювати з контактів між твердими частинками при додатку навантаження. В результаті дві частинки, притиснуті одна до іншої зовнішньої навантаженням, мають в зоні контакту зменшену товщину плівок зв'язаної води.

У грунтах, де є зв'язана вода, а вона практично завжди має місце, необхідно дуже обережно використовувати закон Архімеда. Виштовхувати дію води визначено Архімедом для відкритої вільної води. У грунтах, де немає явно вираженого рівня підземних вод, все ускладнюється. У суглинках і особливо в глинах зважувальне дію води в переважній кількості випадків не виявляється повною мірою.

Вода перехідного типу (від пов'язаної до вільної) в меншій мірі піддається впливу поверхневих сил, вона утримується поблизу поверхні мінералів за рахунок більш слабких зв'язків. Тому її структура менш спотворена, а відмінності в фізичні властивості в порівнянні з вільною водою менш значні. В межах цього типу виділяється два види води: осмотически поглинена і капілярна.

Перший вид - осмотически поглинена вода - утворюється в грунтах за рахунок процесів виборчої дифузії молекул води в напрямку до мінеральної поверхні, обумовлена наявністю в останньої "іонної атмосфери", так званого подвійного електричного шару, що складається зазвичай з катіонів порового розчину, "концентрують" негативний заряд мінеральних часток.

Подвійний електричний шар (рис. 2.38) має дві частини: внутрішню, яка називається адсорбційним шаром (с), і зовнішню - дифузний шар (d). Концентрація катіонів експоненціально збільшується по нормалі до мінеральної поверхні, і це обумовлює наявність градієнта концентрації, що викликає "осмотичний" пересування молекул води з обсягу вільною норовить розчину (е) в межі подвійного, електричного шару (</). Настає в такий спосіб осмотическая вода займає зовнішню частину подвійного електричного шару - дифузний шар. Цю воду назвали "осмотической" тому, що її утворення пов'язане з явищем мікроскопічного поверхневого осмосу. нагадує звичайний макроскопічний осмос - рух води через напівпроникну мембрану (т. е. проникну відносно малі за розміром молекули води, але не пропускає більші катіони). У грунтах роль цієї напівпроникною мембрани виконує зовнішня межа двойною електричного шару (рис. 2.38).

Освіта осмотически-поглиненої води поблизу негативно зарядженої мінеральної частинки [66]

Мал. 2.38. Освіта осмотически-поглиненої води поблизу негативно зарядженої мінеральної частинки [66]

Другий вид води перехідного стану - капілярна вода - утворюється в порах капілярного розміру (діаметром від КГ 3 до 10 3 мкм) за рахунок капілярного тиску і утримується в гірській породі капілярними силами водних менісків (силами поверхневого натягу), що утворюються на кордоні фаз вода-повітря -твердих поверхню. У цьому випадку на кожному кордоні газу з водою також утворюються меніски, які викликають напруження розтягу (негативні тиску) в воді і стискають напруги в твердій фазі ґрунту, інтенсивність яких залежить від кривизни менісків, т. Е. В значній мірі від розмірів пор або частинок грунту. Внаслідок сухої сипучий пісок при його невеликому зволоженні набуває зв'язаність і може тримати хоча і порівняно невеликі, але вертикальні укоси. При висиханні або значному зволоженні меніски і сили внутрішнього капілярного тиску зникають і пісок знову стає сипучим. Капілярні сили практично не змінюють структури води і тому капілярна вода по основним фізичним властивостям практично не відрізняється від вільної.

Стан капілярної води в грунтах

Мал. 2.39. Стан капілярної води в грунтах: а - капілярно-конденсована вода, б - власне-капілярна вода {66}

Висотою капілярного підняття в грунті Л з називається висота стовпа води, який можуть утримувати капілярні сили (поверхневий натяг, що розвивається в порах гірської породи на кордоні розділу вода-повітря). . Висота капілярного підняття пропорційна діаметру капілярів грунту: Л з = ± 2Tcosa / rpg, де Т - поверхневий натяг, а - кут змочування, р - щільність рідини.

По висоті капілярного підняття виділяють грунти:

  • • з малою висотою Л з <1,0;
  • • з середньою висотою 1,0 <Л з <2,5;
  • • з великою висотою Л з > 2,5.

Висота капілярного підняття для деяких грунтів вказана в табл. 2.25.

Капілярна вода в грунтах може формуватися [66]:

  • 1) за рахунок явища капілярної конденсації, коли молекули води поступово конденсуються на поверхні плівки адсорбованої вологи, що огортає частинки породи, і, зливаючись в місцях контакту (на стику частинок), утворюють водні меніски (рис. 2.39, а);
  • 2) за рахунок капілярного всмоктування води під дією сил поверхневого натягу по сполучених порам, тріщинах і каналах при контакті породи з вільною водою (рис. 2.39, б).

Таблиця 2.25

Висота капілярного підняття для дисперсних грунтів

грунти

Капілярний підняття, см

пісок крупнозернистий

2.0 ... 3.5

пісок середньозернистий

12.0 ... 35.0

пісок дрібнозернистий

35,0 ... 120,0

супісок

120.0 ... 350.0

суглинок

350.0 ... 650.0

глина легка

650.0 ... 1200.0

лесовидні грунти

400.0 і більше

Мули, торфу

До 2500,0 і більше

Воду капілярного вбирання іноді поділяють за її положенню в ґрунтовому масиві на дві категорії:

  • 1) власне капілярну (піднімається вгору від дзеркала грунтових вод і формує так звану капілярну облямівку);
  • 2) капілярно-підвішену , яка утворюється, наприклад, при інфільтрації опадів, не має контакту з поверхнею грунтових вод і поширюється на всі боки від джерела зволоження [50, 66].
 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук