Жидкий компонент системы грунт

Жидкая компонента – важнейшая составная часть большинства грунтов. Её формирование в грунтах может происходить как естественным, так и искусственным путем. По химическому составу жидкая компонента чрезвычайно разнообразна. По составу жидкости можно разделить на неорганические, органические и смешанные, включая эмульсии.

 

Неорганические жидкости Органические жидкости (формируются техногенным путем, в ходе технической мелиорации и в результате утечек) Смеси и эмульсии
1.Вода и водные неорганические растворы: 1. Жидкие углеводороды (нефтепродукты – керосин, бензин и др.) 1.Нефть
а) электролитов (солей, кислот, щелочей). Характеризуются электролитической диссоциации растворенного вещества с образованием ионов; 2. Синтетические смолы и полимеры 2. Водные органические растворы
б) неэлектролитов (растворимость существенно ниже) 3. Битумы 3. Водонефтяные эмульсии
    4. Водомасляные эмульсии

 

Неорганические жидкости – вода – одно из самых распространенных веществ на Земле. Почти 70,8% земной поверхности покрыто водой. Содержание поверхностных вод, включая мировые запасы льдов, составляет примерно 1,4 млрд. км3, а в горных породах литосферы (подземные воды) – около 0,73-0,84 млрд. км3.

Ранее считали, что вода – индивидуальный химический элемент. В 1781–83г.г. Кавендиш и Лавуазье доказали, что 2 объема водорода взаимодействуют с 1 объемом кислорода.

В 1929г. были открыты стабильные изотопы кислорода (О16, О17, О18).

В 1932г. – водород с массой = 2 – дейтерий (D)

В 1934г. Резерфорд Э., Олифант М. Л., Хартек П. открыли водород с массой = 3 – тритий (Т).

И стало ясно, что вода – это не просто H2O, а смесь 9 разновидностей молекулы с различной массой = (1 и 16): 99.73 H2O.

Ассоциация молекул в жидкой воде посредством водородных связей изучена еще недостаточно.

Значительно лучше изучена структура льда, о которой уже было рассказано.

Самойлов О.Я. (1957), рассматривая с этих позиций структуру воды замечает, что молекулы воды после плавления льда попадают в соседние пустоты структуры и некоторое время в них задерживаться. Отсюда увеличение плотности и ее повышение до 4оС0. Далее при увеличении температуры растут колебания молекул и плотность уменьшается. 

Сейчас многие исследователи склонны полагать, что вода микрогетерогенна, т.е. в ней могут быть либо «айсберги» - острова льдоподобной структуры, либо преобразованные участки каркаса с внедренными в его пустоты молекулами.

Есть гипотеза о непрерывно меняющих свою структуру ассоциациях молекул.

Однако, несмотря на различное толкование природы неоднородности структуры воды, экспериментальные данные свидетельствуют что в основе ее структуры лежат достаточно крупные молекулярные комплексы размером порядка 30 А0

Изучением свойств тонких слоев воды занимались многие исследователи. Товбина З.М. проводила исследования на мембранах, приготовленных из пористого селикагеля со средним d=10-100 А0, т.е. примерно в интервале радиуса пор глин. Было показано, что при уменьшении d вязкость воды резко возрастает. Изучение спектров ЯМР показало усиление структурирования воды при малых толщинах водных слоев.

Дерягиным Б.В. и др. (1967) было установлено, что электролиты, разрушая структуру воды, понижают ее вязкость в граничном слое. Особенно заметно это понижение при радиусе пор менее 30А0. Вязкость может меняться.

Таким образом, было доказано, что слой полярной жидкости, находящийся вблизи твердой поверхности, обладающий аномальными термодинамическими и физико-механическими свойствами, отделен от объема среды резкой границей раздела, т.е. является граничной фазой.

Итак: - структура, термодинамические и физико-химические свойства воды в тонких слоях у поверхностного слоя сильно отличаются от аналогичных свойств воды в объеме.

Связь твердой и жидкой фаз.

В грунтоведении принято рассматривать и классифицировать содержащуюся в грунте воду по характеру связи ее с твердым компонентом.

На этой основе выделяют:

1. Воду, входящую в состав твердой фазы.

2. Поверхностно связанную воду.

3. Свободную

 

Классификация видов воды в грунтах (Р.И. Злочевская (1988), МГУ 2005)

Категория (тип) воды Вид и разновидности воды
Связанная (удерживается в породе за счет химических и физических сил связи с энергией 0,1—800 кДж/моль). По подсчетам Ф.А. Макаренко, связанная вода составляет 42% от всей воды, содержащейся в земной коре. 1. Кристаллической решетки минералов (конституционная (наличие ОН-групп в кристаллической решетке) и кристаллизационно связанная (или кристаллогидратную, входящую в состав кристаллических веществ)). Может высвобождаться при сильном нагреве. Энергия связи – 80-800 кДж/моль 2. Адсорбционная вода (за «счет притяжения» молекул воды к активным адсорбционным центрам поверхности минералов). Вода образует адсорбционные пленки толщиной в один или несколько молекулярных слоев и в грунтах содержится в порах или в микротрещинах размером менее 0,001мкм. Ее плотность около 1,02 г/см3. В зависимости от толщины пленки (чем тоньше, тем больше) меняется ее вязкость в 1,1-1,6 раз и понижается температура замерзания. По сравнению со свободной уменьшается растворяющая способность и уменьшается диэлектрическая проницаемость от 81 до 3-40 (чем тоньше пленка, тем меньше). Энергия связи может доходить до 40-120 кДж/моль
Переходного типа (от связанной к свободной). Удерживается на поверхности минералов за счет более слабых связей и свойства изменяются незначительно. 1. Осмотически поглощенная вода (образуется за счет избирательной диффузии молекул воды в направлении к минеральной поверхности, обусловленной наличием у последней «ионной атмосферы», т.н. двойного электрического слоя (адсорбционный и диффузный), состоящего из катионов порового раствора, компенсирующих отрицательный заряд минеральных частиц. Осмотическое продвижение молекул воды из объема свободного порового раствора в пределы этого электрического слоя (проникают относительно малые молекулы воды, не пропуская крупные катионы). (<0.1ккал/моль, <0.4кдж/моль) 2. Капиллярная вода – удерживается в капиллярах (диаметр 10-3-103 мкм) силами водных менисков (силами поверхностного натяжения). Непременное условие – наличие межфазной поверхности «вода-воздух», широко распространена в грунтах зоны аэрации. Различают капиллярную кайму (поднимается вверх от зеркала грунтовых вод и капиллярно-подвешенную, не имеющую контакт с поверхностью грунтовых вод и распространяется во все стороны от источника увлажнения.
Свободная 1. Замкнутая в крупных порах (иммбилизованная) – в крупных порах, не участвует в процессе фильтрации и движении подземных вод. 2. Текучая (вода грунтового потока, двигается под действием сил тяжести и напора)

 

1.Воду, входящую в состав тв. фазы разделяют на:

А) кристаллические решетки минералов 840-84 кДж/моль

Конституционную - неразличимую в виде «готовых» молекул Н2О, которые образуются в ней лишь в момент разложения в-ва, например при сильном нагревании: Са(ОН)2= СаО +Н2О.

Б) кристаллизационную (или кристаллогидратную) – входящую в состав кристаллических веществ( напр. К2SO4 X Al(SO4)3 x 24H2O и различимую в этих кристаллах рентгенографически.

В принципе эти виды воды как бы входят в твердый компонент.

2. Поверхностно - связанная вода.

Твердые элементы системы грунт, имеющие поровое пространство в естественных условиях всегда окружены тем или иным количеством относительно свободного имеющего собственную структуру жидкого компонента – воды, взаимодействующей, связанной с твердой фазой.

По подсчетам Ф.А. Макаренко, связанная вода составляет 42% от всей воды, содержащейся в земной коре. Очевидно, что чем больше поверхность твердого компонента, тем больше граница взаимодействия фаз и тем больше воды может быть с ней связано. Этим объясняется особенно большое содержание воды в глинистых и органогенных грунтах.

Наличие различных видов связанной воды существенно изменяет свойства всей системы – грунт и поэтому представляет для нас большой интерес. У этой воды меняются такие важные свойства как ее γs = 1.2-1.4 г/см3, теплоемкость, температура замерзания.

Если взять глинистую породу, содержащую связанную воду, и начать ее сдавливать, то ее влажность будет меняться следующим образом:

На графике видно, что до давления 10-50мПа влажность быстро уменьшается, а дальше прочно удерживается. Эта влажность очень близка к гигроскопической. На этом основании было предложено разделение поверхностно-связанной воды на:

А) прочносвязанную и Б) рыхлосвязанную (правильнее было бы а) адсорбированную (гигроскопическую), б) капиллярную, в) осмотическую.

2. а) прочносвязанная вода, к которой относятся гигроскопическая и адсорбционная вода.

Накопленный в настоящее время фактический материал, относящийся к проблемам адсорбции паров воды на глинистых минералах, в ряде случаев является противоречивым.

Однако, общие представления о природе прочносвязанной воды сводятся к следующему: при адсорбции

1) имеет место послойное («ступенчатое») формирование гидратно–ионного комплекса на поверхности глинистых минералов (доказано для монтмориллонитов), т.е. имеют место «ступени» энергии поглощения воды монтмориллонитами. 

2) для большинства катионзамещенных монтмориллонитов характерен 2-х слойный комплекс с межслоевым расстоянием 15.6 А0

3) возникновение молекулярных слоев воды в различных катионзамещенных монтмориллонитах зависит от равновесного относительного давления водяных паров.

Интересен механизм взаимодействия с водой обменных катионов или гидратации обменных катионов: при внедрении одного слоя воды в межпакетное пространство, одновалентные и двухвалентные катионы выходят из гексагональных лунок структуры и взаимодействуют с межслоевой водной сеткой. Поэтому в однослойных и 2-х слойных гидратах вермикулита катионы находятся посредине межслоевой области, стремясь сбалансировать заряды верхнего и нижнего пакетов вермикулита.

Адсорбционная вода имеет отличные от обычной свойства. Повышенные плотность и вязкость. Причем имеет место предел вязкости (как у упругого тела).

По данным Б.В.Дерягина, модуль сдвига прочносвязанной воды в пленке, толщиной 0,09мкм составляет 0,2МПа.

Прочносвязанная вода обладает пониженными диэлектрическими свойствами. T0C замерзания связанной воды -30-500С. Объясняется это наличием структуры воды, которая для переориентации требует значительных затрат энергии

Вода переходного типа. Рыхлосвязанная вода (по МГУ – слабосвязанная вода). Сюда относится вода, образующаяся при

1) капиллярной конденсации и 2) осмотических процессах.

1. Капиллярная вода подразделяется на а) капиллярно-разобщенную, б) подвешенную, в) собственно капиллярную.

а) капиллярно-разобщенная называется также водой углов пор или стыковой водой или капиллярно-подвижным состоянием грунтовой воды (Долгов, 1946).

Образуется в местах соприкосновения частиц и суженных участков пор. В песках содержание этого вида воды 3-5%. Данных о количественном содержании этого вида воды нет. Можно только полагать, что она находится в тесной взаимосвязи с адсорбционной и осмотической водой.

При увеличении содержания воды поры нацело заполняются водой. Образуется собственно капиллярная подвешенная вода   

б) собственно капиллярная вода – поднимается сверху от уровня грунтовых вод, по мере испарения, как это происходит в капиллярной трубке, если ее опустить в воду. Т.е. ее источник – грунтовые воды.

Передвижение собственно капиллярной воды зависит от диаметра капилляров. В микрокапиллярах (0.1-10мкм) капиллярное поднятие воды происходит медленно и на большую высоту; в макрокапиллярах (0.01-1мм) быстро и на небольшую высоту.

в) подвешенная вода чаще всего встречается в песках. Отличается от собственно капиллярной тем, что она не имеет непосредственной связи с уровнем грунтовых вод. Капилляр с водой, но в воду не опущен. Образуется в сухих песках и в слоистых. Мощность её сантиметры, реже – дециметры. При испарении способна к восходящему передвижению. Наибольшее количество подвешенной влаги, которое может удерживаться грунтом, называется наименьшей влагоемкостью или водоудерживающей способностью грунта.

Влажнлсть грунта, у которого все поры заполнены водой, называется капиллярной влагоемкостью. Прочно связанная вода уменьшает диаметр пор, препятствует движению капиллярной воды. В ультрапорах движение воды отсутствует. Капиллярная вода, как и гравитационная вода передает гидростатическое давление, но замерзает при t < 00С, причем, чем уже поры, тем ниже температура. По данным Т.А.Литвиновой (1961), капиллярная вода, находящаяся в порах глинистых и суглинистых грунтов, замерзает при t< -120C.

 2. Осмотическая вода образуется в результате различия концентрации ионов, находящихся в поровом растворе и вблизи грунтовых частиц. Выравнивание концентрированных ионов приводит к тому, что образуется еще один вид воды, молекулы которого связаны с катионами диффузного слоя ионов, таким образом, она удерживается вблизи частиц.

Температура замерзания ≈ -1.50С

Общее содержание прочносвязанной + капиллярной + части осмотической воды у большинства глинистых грунтов обуславливает их влажность, которая находится в пределе между их максимальной гигроскопичностью и Wp. Эта влажность близка к влажности, которую А.Ф.Лебедев назвал максимальной молекулярной влагоемкостью грунта (Wммв). Не очень точное название, потому что у глинистых грунтов образование осмотической воды продолжается и при влажности значительно большей Wммв.

3. Свободная вода.

Разделяется на воду иммобилизованную и гравитационную.

Иммобилизованая вода находится в замкнутых порах грунта и не способна к движению под действием гравитационной силы.

Гравитационная вода двигается под действием гравитационной силы и обладает всеми свойствами обычной воды. Если она имеется в грунте выше уровня грунтовых вод, то передвигается в вертикальном направлении (вниз), в грунтовом потоке в горизонтальном.

Общее полное содержание воды в грунте называется полной влагоемкостью. При отсутствии макропор, трещин, полная влагоемкость равна капиллярной влагоемкости. Т.е. свободная вода отсутствует, и обратно, если не равна, то свободная вода есть. Содержание воды (полную влагоемкость) можно рассчитать, если мы знаем Vпор и γск. В этом случае полная влагоемкость будет= Wп.в.=n/γск =(Vпор/V)/(mт/V)= VпорхV/(mтхV). Это, если нет защемленного воздуха. Для песков широко используется для определения пористости водонасыщения.

Химический состав грунтовой воды зависит от содержания растворенных солей, газов, веществ в коллоидном состоянии. Количество веществ, содержащихся в воде, выражается через общую минерализацию, которая для обычной воды изменяется от миллиграммов до сотен граммов на литр. Минерализация питьевой воды не должна превышать 1г/л, морской воды составляет 35г/л. Как правило, с увеличением глубины минерализация воды увеличивается.

Известно, что минерализацию воды принято выражать через наиболее часто встречающиеся в ней и в наибольшем количестве катионы Са2+, Mg2+, Na+,K+ и анионы SO42-, HCO3-, Cl-. Катионы являются обменными, т.к. минеральные частички заряжены в основном отрицательно. Заменяется катион Si4+или Аl3+ и менее активные ионы.

В коллоидном состоянии находятся:

а) кремнекислоты (известны ортокремниевая кислота Н4SiO4 (SiO2x2H2O), метакремниевая кислота Н2SiO3 (SiO2xH2O), двукремниевая кислота Н2Si2O5(2SiO2xH2O).  

б) полуторные окислы.

Среднее значение рН для грунтовых вод около 7. С увеличением общей минерализации рН увеличивается (в естественных условиях до 9-10) рН характеристика концентрации (активности) ионов Н+, выраженная в ионах на литр, равна отрицательному десятичному логарифму концентрации рН = -lg (H+). Этот процесс происходит, если добавлять в раствор кислоту. Соответственно концентрация ОН- будет уменьшаться на такую же величину (10-8, 10-9 и т.д.). Их произведение всегда 10-14. Для удобства концентрацию Н+ принято выражать с помощью отрицательного логарифма и обозначать рН.

 

 

Дата: 2019-02-02, просмотров: 197.