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.