Растворимость грунтов

 

Растворимостью грунтов называется их способность образовывать с другими веществами растворы, т. е. гомогенные смеси переменного состава. Растворение рассматривается как комплексный процесс химической и физи­ческой природы, который в современной физической химии описывается в рамках теории растворов. Растворимость минералов в жидкостях при беско­нечно большом разбавлении описывается законом Генри и условиями фазо­вого равновесия.

Количественно растворимость характеризуется максимальным количеством грунта (или минерала), способным растворяться в данном растворителе при определенных Р и Т, т. е. концентрацией насыщенного, или равновесного, ра­створа, измеряемой, например, в мг/л, в молярной (кмоль/м3) или моляль - ной (кмоль/1000 кг) формах. Поскольку в общем случае грунт является мно­гокомпонентной системой, то его растворимость в целом определяется ра­створимостью отдельных компонентов: твердых, газообразных и жидких. Растворы могут быть жидкими, газовыми и твердыми, при этом, если термин «раствор» не уточняется, то имеется в виду жидкий раствор. Поровый воздух в грунтах представляет собой газовые растворы.

Растворимость минералов и веществ в грунтах удобно также характеризо­вать особой величиной — произведением растворимости (ПР). Произведением растворимости называется произведение молярных концентраций (активнос­тей) катионов и анионов минерала или вещества в его насыщенном растворе. Так, для минерала вида AJI его произведение растворимости будет:

ПР = [А]х [Яр,

где [А] и [В] — соответственно концентрации катионов и анионов (обычно моль/л). Из закона действующих масс следует правило ПР: в изобарно-изотермических условиях величина ПР является постоянной, т. е. как бы не менялось содержание ионов [А] и [#] в растворе, насыщенном АхВу, произведение их молярных концентраций будет оставаться постоянным. Зная концентрацию в поровом растворе грунта одних ионов, с помощью ПР можно ориентировоч­но определить концентрацию других.

Согласно диффузионно-кинетической теории скорость растворения фун­та зависит от прямого и диффузионного растворения и описывается уравне­нием

(dm/dt) = а (С - QS,

где т — масса грунта, перешедшего в раствор; t — время растворения; а — коэффициент, отражающий скорость растворения; Сн, С — соответственно концентрации вещества в насыщенном и данном растворе; S — площадь по­верхности растворения. Величина а в природных грунтовых водах меняется в пределах 10 9 — 10 1 м/с и определяется вкладом кинетической (ак) и диффу­зионной (а ) составляющих

1/а = 1/а + 1/а.

Величина ад определяется реакцией взаимодействия растворяющегося ве­щества с растворителем. Если ад >> ак, то растворение носит кинетический характер и лимитируется величиной ак. При этом оно практически не зависит от скорости движения растворителя (скорости обмена). Если же ад << ак, то растворение имеет диффузионный характер и его скорость лимитируется ве­личиной ос, зависящей от скорости диффузии. При этом скорость растворе­ния тем больше, чем выше градиенты концентрации в растворе.

Растворимость грунтов определяется следующими основными факторами: химико-минеральным составом, структурно-текстурными особенностями, типом и свойствами растворителя, участием биоты, термодинамическими параметрами (Р и 7).

Как известно, абсолютно нерастворимых грунтов не существует. Раство­римость некоторых минералов и веществ в воде при температуре 20°С показа­на в табл. 10.1. По степени растворимости минералы можно разделить на четы­ре группы. Однако в инженерно-геологических целях важно знать наиболее растворимые разности, к которым относятся прежде всего галоидные грун­ты, содержащие галит, сильвин и другие, некоторые типы карбонатных грунтов (известняк, доломит, мел, мергель), а также сульфатные грунты, содержа­щие гипс, ангидрит и др. Во всех случаях примесь в грунтах хорошо раствори­мых в воде минералов класса простых солей с ионным типом связей и облада­ющих сравнительно невысокими энергиями кристаллических решеток повы­шает их растворимость.

Структурно-текстурные особенности грунтов влияют на растворимость двояко. Во-первых, растворимость повышается с уменьшением размера сла­гающих их минералов: крупнозернистые или крупнокристаллические разно­сти пород медленнее растворяются, чем их мелкозернистые аналоги, так как у них поверхность растворения S меньше. Во-вторых, растворимость грунта зависит от растворимости его кристаллизационно-цементационных структур­ных связей, поскольку цемент на контактах частиц (обломков, зерен и др.) обычно более растворим, чем сами частицы. Это имеет особенно большое значение в засоленных дисперсных грунтах, в лёссах и т. п. Именно поэтому в грунтах при растворении наблюдаются причудливые формы развивающихся поровых каналов, каверн и др.

В соответствии со СНиП 2.02.01-83 осадочные сцементированные грунты по степени их растворимости делятся на ряд разновидностей (табл. 10.2).

Растворимость осадочных несцементированных грунтов (крупнообломоч­ных, песчаных, пылеватых и глинистых) в основном обусловлена содержа­нием в них водорастворимых солей, т. е. ихзасоленностью. Согласно СНиП 2.02.01-83 засоленные грунты выделяются в особую группу, так как при дли­тельном взаимодействии с водой они способны терять свою прочность в ре­зультате растворения солей. В соответствии с этим к засоленным грунтам по содержанию легко - и среднерастворимых солей относят:

    крупнообломочные грунты с пылевато-глинистым заполнителем более 30% и солями более 5%; песчаные грунты с содержанием солей более 0,5%; пылевато-глинистые с содержанием солей более 5%.


Содержание водорастворимых солей в грунтах зоны аэрации зависит от многих факторов, но прежде всего от климатических условий, которые опреде­ляют количество выпадающих осадков, способных вымывать соли. Например, для грунтов в пределах Русской равнины с северо-запада на юго-восток выяв­ляются пояса, в которых: 1) грунты полностью выщелочены; 2) распростране­ны грунты с кальцитом; 3) грунты с кальцитом и гипсом; 4) фунты с кальци­том, гипсом и легкорастворимыми солями. В лёссовых фунтах содержание про­стых солей возрастает по мере повышения аридности климата (рис. 10.1).

Еще более сложно содержание легкорастворимых солей в грунтах меня­ется по глубине. В зависимости от типа промывного режима, строения мас­сивов грунтов, глубины и других факторов содержание солей вниз по разре­зу может изменяться сложным образом, как, например, в почвах и лёссовых грунтах (рис. 10.2). Для лёссов степной зоны Украины характерно наличие нескольких горизонтов, обогащенных легкорастворимыми солями сульфа­тов натрия и кальция.

Растворимость твердых компонентов грунта обусловлена растворимостью составляющих его отдельных минералов и твердых органических примесей. Из правила ПР следует, что добавление к раствору более растворимой соли, имеющей ион, одноименный с первой, понижает растворимость исходной соли. Правилом произведения растворимости удобно пользоваться при ра­створимости минералов в воде менее 0,01 моль/л (или ориентировочно менее 1  г/л). К хорошо растворимым минералам оно не применимо (для них концентрации в рас­четах должны быть заменены на активнос­ти). Однако большинство породообразующих минералов имеет низкую растворимость, что и определяет применимость к ним правила ПР. Значения произведений растворимости различных минера­лов и веществ в воде в стандартных условиях (при температуре 25°С и давле­нии 1 атм) содержатся в справочниках.

Состав и свойства растворителя также влияют на растворимость грунтов. Растворяющая способность большинства растворителей возрастает с увеличением их диэлектрической проницаемости. По этой причине связанная вода, имеющая более низкую диэлектрическую проницаемость, чем свободная (см. гл.4), хуже растворяет минеральные соединения. Известно также, что непо­лярные вещества лучше взаиморастворимы (так же как и полярные). Напротив, растворение неполярных веществ в полярных растворителях затруднено.

На растворимость также влияет наличие и состав растворенных газов в поровом растворе грунтов. Растворимость С02 в воде выше, чем таких широко распространенных газов, как кислород, азот, метан и др. Поэтому наличие в воде углекислоты резко повышает растворимость в ней многих карбонатных минералов, которые в обычной воде (без С02) являются труднорастворимы­ми. Растворенные в воде газы обусловливают ее химическую агрессивность (см. гл.4).

Растворимость минералов существенно зависит от термодинамических параметров среды: температуры (7) и давления (Р). Температурная зависи­мость растворимости твердых тел в жидкости описывается уравнением Шредера:

In = ЛН (Т—Т )/RTT,

пл v  пл''  JUT'

где АЯт — теплота плавления (в кал/моль); Тш — температура плавления; Т— температура; R — газовая постоянная. Из уравнения следует, что раство­римость минералов увеличивается с ростом температуры; при данной темпе­ратуре минерал с более высокой температурой плавления менее растворим в воде по сравнению с минералом, имеющим более низкую температуру плав­ления; из двух минералов, растворяемых в воде при данной температуре и имеющих равные температуры плавления, менее растворим будет тот, тепло­та плавления которого будет выше.

Это уравнение соблюдается лишь для идеальной растворимости (рис. 10.3). Для реальных же растворов наблюдаются разные варианты отклонений от уравнения Шредера: при небольших отклонениях (рис. 10.3, кривая I) зависимость может рассматриваться как идеальная растворимость; при больших отклонениях (кривая II) растворимость приближается к идеальной лишь при температурах, близких к температуре плавления; при весьма больших откло­нениях (кривая III) растворимость тел даже вблизи точки плавления сильно отличается от идеальной.


Увеличение внешнего давления повышает растворимость большинства минеральных соединений (см. рис. 10.4). В идеальных растворах твердых тел в

жидкостях растворимость с увеличением давления будет уменьшаться, если мольные объемы растворяемого вещества при его плавлении увеличиваются, и наоборот, растворимость будет увеличиваться, если мольные объемы ра­створяемого вещества при его плавлении уменьшаются.

В реальных растворах минералов в жидкостях влияние внешнего давления может быть оценено с учетом положительного или отрицательного отклоне­ния от идеальности: при положительном отклонении с ростом давления ра­створимость уменьшается, а при отрицательном — увеличивается. Так, раство­римость гипса, характеризующаяся отрицательным отклонением от идеально­сти, при постоянной температуре увеличивается с ростом давления (рис. 10.4).

Таким образом, в общем случае растворимость различных минералов мо­жет как расти, так и уменьшаться с ростом давления, как показано на рис. 10.5. Здесь растворимость, отложенная по оси ординат, оценивается относительной величиной r2/r' v показывающей от­ношение растворимости вещества при дан­ном давлении (г2) к растворимости при ат­мосферном давлении (г2).

Учет термодинамических факторов раство­римости минералов важен для оценки хими­ческого состава поровых растворов, форми­рующихся на больших глубинах, а также при оценке различных техногенных воздействий на грунты.