Пленочная влага, адсорбированная поверхностью частиц грунта, и ее влияние на строительные свойства грунтов » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Пленочная влага, адсорбированная поверхностью частиц грунта, и ее влияние на строительные свойства грунтов

03.07.2021

Дальнейшие исследования химического состава и кристаллической структуры грунтов показали, что отдельные ионы различных элементов могут привязываться (адсорбироваться) к поверхности частиц, слагающих грунт. На рис. 3.2 показана относительно простая структура такого типа.

Одновалентные ионы, подобные Na+, непрочно присоединяются к поверхности частиц. Двухвалентные ионы Ca2+ и Mg2+ присоединяются к поверхности частиц до некоторой степени более прочно. Слегка диссоциированные ионы H и трехвалентные катионы Al3+ и Fe3+ могут связываться с частицами весьма прочно.

В то же время молекулы воды, будучи диполями, присоединяются (адсорбируются) как к поверхности кристаллической решетки, так и к катионам. Некоторые молекулы воды могут даже проникать в глубь решетки.

Число молекул воды, адсорбированных катионами, увеличивается с увеличением их заряда, являясь, кроме того, функцией радиуса иона. Таким образом, ион Ca2+ будет притягивать больше молекул воды, чем катионы Na+, радиусы их атомов будут соответственно 1,06 и 0,93. Вместе с тем на поверхности частицы вместо каждого катиона Ca2+ могут адсорбироваться два катиона Na+. Кроме того, объем двух катионов Na+ равен 7,88 А3, а одного катиона Ca2+ — 4,99 А3. Следовательно, вокруг катионов Na+ будет более толстый слой адсорбированной воды, которая вместе с катионами может образовывать вокруг частицы грунта довольно толстую пленку.
Пленочная влага, адсорбированная поверхностью частиц грунта, и ее влияние на строительные свойства грунтов

Свойства адсорбированной воды отличны от свойств обычной воды вследствие значительного давления, которому она подвергается под воздействием электростатических сил адсорбции.

Уинтеркорн и Бевер подсчитали среднее адсорбционное давление воды, которое оказалось порядка 20000 т/фут2. Бриджмен, продолжавший работы Тэммена, показал, что при давлении более 6000 т/фут2 температура замерзания воды устойчиво превышает нормальную точку замерзания. Давление 10 000 т/фут2 поднимает эту температуру до +30° С (+96°F). При давлении ниже 6000 т/фут2 точка замерзания воды лежит ниже своей нормальной температуры и опускается ниже -20° С (-4° F) при давлении 2000 т/фут2. При высоких давлениях в указанных пределах в зависимости от давления и температуры могут быть получены пять типов льда с различной плотностью. Исходя из этих данных Уинтеркорн сделал вывод, что на контакте с поверхностью частиц пленки адсорбированной воды должны иметь свойства твердого льда. Наблюдаемые изменения объема глин при замерзании и оттаивании объясняются приведенной выше гипотезой.

Под обменом оснований подразумевается способность коллоидных частиц обменивать катионы, адсорбированные на их поверхности. Так, водородная глина (коллоиды с адсорбированными катионами Н) может превращаться в натриевую глину (коллоиды с адсорбированными катионами Na) в результате постоянной фильтрации через нее воды, содержащей в растворенном виде соли NaCl. Такие обмены могут использоваться для уменьшения проницаемости грунта. Однако не все адсорбированные катионы способны к обмену. Число катионов в грунте, способных к обмену, определяют его обменную способность.

Обменная способность увеличивается с кислотностью грунта, выражающейся высокими значениями отношения кремнезема к полуторным окислам SiO2/R2O3. Другой мерой кислотности грунта, рассматриваемого как суспензия, является значение pH, которое, однако, относится главным образом к кислотности растворимых компонентов грунта. Чем выше кислотность грунта, соответствующая низкому значению pH, тем выше будет активность ионов водорода, а также его корродирующее воздействие на металлы. И то, и другое может проявляться эффективно только при наличии влаги. Кислые растворы имеют значения pH меньше 7, а основные или щелочные — больше 7.

Интенсивность, с которой совершается обмен оснований, будет увеличиваться с повышением концентрации раствора и скорости, при которой этот раствор фильтрует через грунт. Характер изменений физических, свойств грунта, вызываемых обменом оснований, зависит как от природы грунта, так и от способных к обмену оснований.

Коррозия железа и стали, находящихся в грунте, также возможна только в присутствии в грунте влаги. Она увеличивается с кислотностью (малые значения pH) грунта, потому что кислые растворы облегчают образование на поверхности железа электрических пар между железом и некоторыми примесями, которые оно может содержать. В результате возникает электролитическое воздействие и освобождаемый кислород соединяется с железом, постепенно образуя ржавчину. Электрические токи внешнего происхождения могут оказывать подобное, но еще более сильное влияние, например, на магистральные водоводы. Это обстоятельство иногда создает источник недоразумений между компаниями, занимающимися прокладкой троллейбусных линий и водопроводных сетей. Использование водопроводных труб из разных металлов, например из железа, латуни и свинца, и проложенных близко друг к другу во влажном кислом грунте, может также способствовать образованию электрических пар и сильной коррозии металла.

Происходящие при этом химические процессы весьма сложны и зависят от такого множества факторов, что рассмотрение обмена оснований в естественных грунтах будет всегда производиться специалистами-химиками. В настоящее время эти процессы находятся на стадии изучения. Однако уже и теперь некоторые выясненные факты представляют значительный общий интерес и могут помочь инженерам лучше понять причины различного поведения глин, находящихся в напряженном состоянии. Так, во время испытаний, проведенных Дж. Д. Салливаном, глина в естественном состоянии была сначала преобразована в водородную, которая служила в качестве эталона для сравнения. Образцы этой глины были затем порознь обработаны различными катионами; было обнаружено, что при одном и том же содержании свободной воды сопротивляемость грунтов в полутвердой консистенции сдвигу весьма существенно отличается в зависимости от применяемых для их обработки катионов, роль которых уменьшается в этом плане в приведенной ниже последовательности:

Изменение пластичности глинистых грунтов происходило аналогичным образом, но в обратном порядке. Это явление можно объяснить образованием на поверхности частиц грунта весьма вязких тонких пленок воды, адсорбируемой способными к обмену катионами. Как было сказано, эти пленки бывают относительно толстыми применительно к сильно водоадсорбирующим катионам, подобным Li+ и Na+, и очень тонкими применительно к H+. Пленки, связанные с другими катионами, носят промежуточный характер в соответствии с приведенным выше порядком. Следовательно, грунты с адсорбированными катионами Li+ и Na+ относительно более пластичны и при малой влажности имеют относительно меньшую сопротивляемость сдвигу в силу того, что их частицы разделены более толстыми вязкими пленками со свойствами полутвердого вещества. В условиях текуче-пластичной консистенции может быть получено обратное соотношение.

Когда химики говорят о водородных, кальциевых или натриевых глинах, они имеют в виду не состав частиц грунта, а только род катионов (Н, Ca или Na), адсорбируемых на поверхности их частиц. Натриевые глины в природе образуются при отложении глинистых осадков в морской воде или их затоплении соленой водой во время приливов, а также при капиллярном их насыщении такими водами. Кальциевые глины обычно образуются при осаждении в пресной воде. Водородные глины связываются с длительным промыванием пресной водой или водой с кислой реакцией, в результате чего из грунта удаляются все другие способные к обмену основания. В большинстве естественных глин частицы грунта могут иметь на своей поверхности различные адсорбированные катионы (см. рис. 3.2).

Процесс обмена основаниями обратим и не протекает, по-видимому, в какой-либо определенной последовательности, а зависит только от степени свободы перемещения растворов в грунте, а также от наличия избытка одного из способных к обмену катионов. По этим причинам изменения в строительных свойствах химически обработанных естественных грунтов могут оказаться в гораздо большей степени непредвиденными и сами по себе неустойчивыми, чем это было при испытаниях, проведенных Салливаном, который работал с чистой водородной единой.

Примером явления, имеющего значение с точки зрения строительства и вызванного наличием различного рода пленок адсорбированной воды, служит нередко наблюдаемое разбухание песка. Разбухание не нужно путать с набуханием, которое может сопровождаться увеличением объема глины, даже если она впитывает воду in situ. Набухание необратимо, даже когда глина оказывается под водой, тогда как разбухание песка при его затоплении полностью прекращается (рис. 3.3). Разбухание, представляющее собой увеличение объема влажного песка по отношению к объему сухого песка, происходит только тогда, когда влажный песок находится в рыхлом состоянии. Водные оболочки на частицах достаточно вязко-прочны, чтобы предотвратить непосредственный контакт зерен песка после образования пленок. Однако эти пленки в период их образования не могут раздвигать частицы, как это происходит при набухании глин. Величина разбухания возрастает с уменьшением размера частиц грунта, так как при этом происходит увеличение общей площади поверхности частиц на единицу объема грунта (рис. 3.3). Влияние разбухания может быть значительным и является основной причиной того, что в настоящее время при выполнении ответственных бетонных работ принимается весовая, а не объемная дозировка заполнителей. Пленки сравнительно толсты и легко испаряются при комнатной температуре. Tак как разбухание песка при полном его водонасыщении прекращается, возможно, что причина этого объясняется проявлением поверхностного натяжения воды. Следует снова отметить, что разбухание происходит только в рыхло уложенном песке. Влажный песок может быть уплотнен при высоких давлениях так же, как и сухой. Это показатель того, что утолщенные пленки воды, которые создают разбухание, могут оказывать сопротивление только относительно малым давлениям.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: