Показатели энергетического состояния и содержания различных категорий воды в грунтах

 

Как следует из рассмотренного выше материала, различные категории воды в грунтах энергетически неоднородны: слои разных видов и разновид­ностей воды удерживаются вблизи твердой минеральной поверхности с раз­личной силой.

За многолетнюю историю исследования природы связанной воды в грун­тах с помощью различных, в том числе весьма тонких, методов8 таких пока­зателей предложено много, однако с практической точки зрения наиболее важны те из них, которые могут достаточно легко определяться простыми методами, не требующими сложной аппаратуры. Поэтому в грунтоведении наиболее широкое распространение получили влажностные характеристики содержания различных категорий воды в грунтах, а также термодинамичес­кие характеристики, позволяющие оценивать энергетическое состояние раз­ных категорий воды.

ВЛАЖНОСТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

Влажностные характеристики содержания различных категорий воды в грунтах определяются наиболее просто с помощью адсорбционных способов и несложных лабораторных анализов. Благодаря этому они широко внедри­лись в практику инженерно-геологических исследований. К таким характери­стикам относятся влажность островной или монослойной адсорбции (wa), максимальная гигроскопическая влажность (w ), влажность максимально - адсорбированная и капиллярно-конденсированная (wmmk), влажность макси­мальной «молекулярной влагоемкости» по А. Ф.Лебедеву9 (w ), влажность нижнего (w) и верхнего (wL) пределов пластичности, влажность капилляр­ной влагоемкости (wc), влажность свободного набухания (vvj, полная влаго - емкость (w^) и др.

Содержание в грунте разных видов связанной воды характеризуется по изотерме адсорбции, поскольку эта категория воды имеет адсорбционную природу (рис. 4.12). Изотерма адсорбции у грунтов имеет S-образную форму и характеризует зависимость количества влаги, адсорбированной грунтом (w), от относительного давления паров воды р/р^ (относительной влажности воз­духа), находящихся в равновесии с данным грунтом. По характерным точкам (перегибам) на изотерме находят характеристические (т. е. постоянные для данного грунта) влажности, которые и позволяют оценить содержание тех или иных категорий связанной воды.

Так, по концу начального нелинейного участка I на изотерме (рис. 4.12, а точка А), характеризующего формирование первых порций («островов») ад­сорбированных молекул воды вплоть до образования «монослоя», находят влажность островной, или монослойной, адсорбции (wa). Форми­рование «монослоя» в грунтах завершается при p/ps= 0,2—0,3. Эта влага наибо­лее прочно удерживается минеральной поверхностью грунта, точнее центра­ми адсорбции. К таким центрам в грунтах относятся: 1) обменные катионы,

2)  поверхностные ионы кристаллической решетки минералов (гидроксилы),

3)  разорванные валентные связи в местах сколов частиц.



Поскольку энергия гид­ратации у многовалентных обменных катионов выше, чем у одновалентных, то количество образующейся в грунте воды монослойной адсорбции выше в случае Са-, Mg-, А1- или Fe - форм грунтов, чем при наличии в них одновалентных обменных катионов Na+, К+, Li+ и др. Так, при р/р^ = 0,3 в Na-монтмориллоните на один обмен­ный катион приходится в среднем четыре молекулы воды, а в Са-монтморил - лоните около 20 (рис. 4.13 и 4.14). Поэтому изотерма адсорбции воды в Са - монтмориллоните в начальной области лежит выше, чем в Na-монтморилло­ните (см. рис. 4.12, б).

После формирования воды островной или монослойной адсорбции в грунте при дальнейшем увеличении p/ps в интервале 0,3—0,9 начинают образовы­ваться последующие слои воды — полимолекулярной (полислойной) адсорб­ции. Конец линейного участка II (см. рис. 4.12, а) в точке В позволяет найти общее количество воды полимолекулярной адсорбции, которое характеризу­ет максимальная гигроскопическая влажность (w ). Ее величина определяется двумя методами: по методу Митчерлиха (при p/ps = 0,92), кото­рый является более обоснованным, и по методу Николаева (при p/ps = 0,98).

По значениям wmg можно оценивать общее количество связанной воды в разных грунтах, которое зависит от их адсорбционной способности. После­дняя обусловливается в основном минеральным составом грунта и связанной с ней дисперсностью. В зависимости от этих факторов в грунтах меняется ко­личество потенциальных центров адсорбции на единицу массы. Наибольшие величины wmg характерны для грунтов с высокодисперсными глинистыми ми­нералами — смектитами, иллитовые глины занимают промежуточное поло­жение, а каолинитовые и хлоритовые глины — наименьшие значения wmg (см. рис. 4.12, б). Так называемая гигроскопическая влажность w, или влаж­ность воздушно-сухого образца грунта, не является константой для грунта, поскольку ее величина зависит от относительного давления пара в воздухе, находящегося в равновесии с данным грунтом (см. рис.4.12). Поэтому при изменении внешних условий гигроскопическая влажность грунтов может ме­няться в широких пределах, определяемых по изотерме диапазоном вариации соответствующих p/ps

Участок III на изотерме адсорбции (см. рис. 4.12, а) обусловлен явлением капиллярной конденсации и характеризует уже формирование воды переход­ного состояния — капиллярно-конденсированной влаги. Ее общее количество со связанной водой характеризует конечная точка изотермы (на рис. 4.12, а точка Q, а соответствующая ей влажность называется

влажностью максимально-адсорбированнои и капиллярно-конденсированной (wmmk). В соответствии с этим толщина пленки связанной воды (/г) на поверхности минеральных частиц по мере увеличения р/р. закономер­но и нелинейно увеличивается (см. рис. 4.12).



Дальнейшее увлажнение фунта (сверх влажности wmmk) может происхо­дить уже не путем адсорбции, а по иному механизму — капиллярному или (и) осмотическому, которые по-разному выражены в песчаных и глинистых фунтах. Так, в песчаных грунтах (а также в засоленных пылеватых и глинис­тых) осмотическая вода отсутствует. Поэтому в таких фунтах вслед за капил - лярно-конденсированной влагой образуется собственно капиллярная вода, которая формируется сначала в виде не сообщающихся друг с другом менис­ков в самых тонких капиллярах, а затем и в более широких.

Заполнение капиллярных пор водой происходит вплоть до влажности капиллярной влагоемкости (wc). При этой влажности в песках завер­шается образование воды переходного состояния — дальнейшее их увлажне­ние приводит уже к появлению свободной воды до полной влагоемкос­ти фунта (wj. При этой влажности в песчаном грунте содержится связанная вода (всех видов), вода переходного состояния (капиллярная) и свободная вода при полном заполнении всех пор водой. В глинистых и пылеватых не засоленных грунтах обычно одновременно реализуются оба механизма фор­мирования влаги — капиллярный и осмотический. В глинистых грунтах капил­лярная вода не может образовываться лишь в самых тонких ультракапилляр­ных порах, полностью занятых связанной водой.

Максимальное количество капиллярных менисков в грунте образуется при влажности максимальной «молекулярной влагоемкости» по А. Ф.Лебедеву (wmmw). Эта влажность в пылевато-птинистых фунтах обычно лежит в интервале между wmmt. и нижним пределом пластичности (wp).

Примерно при этой влажности в глинистых грунтах начинает формиро­ваться осмотическая вода. Ее образование особенно интенсивно происходит в интервале от влажности нижнего предела пластичности (wp) до влажности верхнего предела пластичности (wL), а точнее до влаж­ности свободного набухания фунта (wsw), которая обычно близка к wL. При этой влажности в грунте завершается формирование воды переходного состо­яния — дальнейшее его увлажнение до полной влагоемкости (wat) приводит к появлению свободной воды. Следует иметь в виду, что капиллярная и осмо­тическая вода в глинах в интервале от wmmc до w w образуется одновременно и уверенно количественно разделить эти категории не удается. Можно лишь отметить, что в высокодисперсных глинах (смектитового и отчасти гидрослю­дистого состава), в которых доля ультракапиллярных пор велика, преоблада­ет осмотическая вода. В менее дисперсных глинах (каолинитового состава) и пылеватых грунтах, где доля ультракапиллярных пор незначительна, преоб­ладает капиллярная, а не осмотическая вода.

Разность между различными характеристическими влажностями позволя­ет оценить абсолютное количество содержания соответствующих категорий влаги в данном грунте.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

Наряду с влажностными характеристиками категорий влаги в грунтах мо­гут использоваться энергетические — термодинамические показатели, харак­теризующие энергию связи воды с поверхностью, а следовательно, позволя­ющие оценить ее состояние и подвижность в грунте. Среди этих показателей выделяется дифференциальная теплота адсорбции (смачивания) воды грунтом Qw, определяемая выражением:

= RV (т\пр/т1),

где R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура, °К; р — давление равновесного с грунтом водяного пара. Величина Qw (измеряется в кДж/моль) уменьшается по мере адсорбции воды (рис. 4.15) и становится равной удель­ной теплоте испарения воды при максимальной гигроскопической влажное - ти (wrng). Это позволяет характеризовать общее количество связанной воды интегральной теплотой адсорбции (смачивания), как это предлагал А. В.Ду - манский.

Кроме этого используются и другие термодинамические показатели, та­кие, как давление влаги (Р), потенциал влаги (ц/в) и расклинивающее давле­ние влаги П(Ь). Давление влаги (Р) характеризует то «прижимающее» давление, которое испытывает вода, находящаяся в поле поверхностных сил минеральной части грунта. Оно численно равно (с обратным знаком) той работе (А), которую необходимо совершить для «отрыва» элементарного объема (V) слоя воды от твердой минеральной поверхности и удаления его на беско­нечно большое расстояние:

-Р = dA/dV.

Близкий физический смысл имеют и два других термодинамических по­казателя: потенциал влаги (\|/в) и расклинивающее давление 11(h) слоя влаги, введенное Б. В.Дерягиным, определяемые соотношениями:

\|/в = dA/dm - П(И) = dA/dh,

где m — масса слоя воды; h — толщина слоя воды. Все эти термодинамические показатели взаимосвязаны друг с другом соотношением

Рис. 4.15. Зависимость дифференциальной теплоты адсорбции глин от влажности w:

1 — каолин глуховецкий; 2 — гидрослюдистая (кемб­рийская) глина; 3 — полиминеральная (сарматская) глина (по В. А.Королеву, 1989)

vB = /Vp. =

где рв — плотность воды, что позволяет легко переходить от одного параметра к другому.

Для данного фунта величины давления Рв, потенциала влаги \\гв или расклинивающего давления П(И) связаны с его влажностью w, что позволяет использовать зависимость, например Рв =/ (w), для характери­стики энергетического состояния воды в данном грунте. Форма этих зависи­мостей отражает структурно-минеральные особенности данного грунта и яв­ляется специфической для каждого литологического типа дисперсных грун­тов (рис. 4.16). Зависимость Рв = f (w) для каждого типа является как бы своеобразным влажностным «паспортом» грунта. Кроме того, характеристи­ческие влажности фунта соответствуют определенным значениям его давления влаги Рв, а следовательно, по этим значениям можно характеризовать энергию связи той или иной категории влаги в данном грунте.



Результаты изучения зависимостей P=f (w) и \|/=/' (w) при дегидратации для различных дисперсных грунтов, построенные в широком диапазоне влаж­ности в полулогарифмическом масштабе, имеют 5"-образный вид (см. рис. 4.16). Определяющим фактором при формировании зависимости P=f(w) является минеральный состав грунтов и связанная с ним дисперсность или удельная поверхность, обусловливающие ту или иную поверхностную энергию грунта. При одинаковой весовой влажности большим по абсолютной величине отри­цательным давлением влаги обладают более дисперсные грунты: величина Ръ (или \|/в) возрастает при переходе от крупнозернистых песков к средне - и мелкозернистым, далее к супесям, лёссам и лёссовидным суглинкам, и наи­большее давление влаги Р характерно для тяжелых глинистых грунтов.

Среди глин отчетливо проявляется влияние минерального состава на ве­личину потенциала или давления влаги: значения Рв при одинаковой весовой влажности глин возрастают при переходе от каолинитовых к гидрослюдистым глинам, а наибольшие значения Рв отмечаются у глин смектитового состава, обладающих высокой поверхностной энергией (см. рис. 4.16). Аналогичная за­кономерность изменения Рв = / (vv) или ук = / (w) была установлена ранее многими авторами и для почв различной дисперсности. Таким образом, при уменьшении дисперсности грунтов кривые их водоудерживающей способно­сти Рв закономерно смещаются влево.

Для глинистых грунтов, особенно высокодисперсных глин смектитового состава, выявляется зависимость водоудерживающей способности от состава обменных катионов. При этом величина Рв =/(w) или V,, =/ (w) в зависимости от заряда обменных катионов меняется аналогично известному изменению содержания адсорбционной воды и переходного состояния в глинах: для об­ласти развития связанной воды в глинах абсолютная величина Рв возрастает с увеличением заряда обменных катионов, а для области развития воды пере­ходного состояния — уменьшается, что обусловливается энергетическими способностями механизма гидратации глин и ролью обменных катионов в пределах двойного электрического слоя в этом процессе. В грунтах с невысо­кой физико-химической обменной способностью влияние заряда обменных катионов на величины Рв и уц практически не проявляется.

Как следует из рис.4.16, наиболее значительно величины Рв и ц/в в диспер­сных грунтах зависят от весовой влажности: по мере ее уменьшения давление влаги резко возрастает, достигая огромных величин в области связанной воды.