Электрические и молекулярные взаимодействия влаги с поверхностью глинистых частиц. Удельная поверхность

Удельнаяповерхность – суммарная площадь поверхности частиц на единицу массы [м²/г], зависит от размера частиц. Чем меньше размер частиц, тем больше их удельная поверхность. Удельная поверхность глинистых частиц много больше удельной поверхности песчаных частиц. Поэтому взаимодействие влаги с поверхностью частиц наиболее выраженно проявляются в глинистых грунтах.

Для глинистых грунтов характерно присутствие некоторых минералов, обладающих весьма интересными свойствами. Мы рассмотрим только два из них - каолинит и монтмориллонит. Их частицы хорошо видно только в электронном микроскопе при увеличении порядка 25000 - 30000 раз.

Каолинит состоит из пластинчатых шестигранных кристаллов крупностью порядка 0,005 мм. Монтмориллонит состоит из тончайших иголок диаметром порядка 0,00005 мм. Удельнаяповерхность каолинита среди других глинистых минералов самая маленькая – 10 м²/г, у монтмориллонита – самая большая – 800 м²/г. В соответствии с этим, взаимодействие с влагой у каолинита умеренное, а у монтмориллонита весьма интенсивное. Кроме того, кристаллическая решетка монтмориллонита подвижная и допускает проникновение влаги внутрь кристалла, что вызывает сильное разбухание. У каолинита этого нет.

Общим для обоих минералов является одно очень важное обстоятельство, строение кристаллических решеток всех глинистых минералов таково, что на их поверхности всегда присутствует большое число неуравновешенных электрических зарядов. В глинистых минералах это главным образом заряды отрицательные.

В свою очередь, на молекулах воды имеются положительные и отрицательные заряды. Расстояние между ними равно 0,96 ангстрем или 1х10^{-8 см. Благодаря этому, молекула воды ориентируется в электрическом поле минеральных частиц, как магнитная стрелка в магнитном поле Земли. Она притягивается своим положительно заряженным концом к местам отрицательных зарядов на поверхности минеральных частиц с большой силой.}

Если в воде нет растворенных солей, то происходит прямое взаимодействие молекул воды с электрическими зарядами на поверхности.

К отрицательному концу первой молекулы притягивается следующая, к той, в свою очередь – третья, и образуется слой прочно связанной воды толщиной в несколько молекул, в котором господствует давление в несколько тысяч атмосфер, плотность воды увеличивается вдвое, и вода приобретает свойства твердого тела.

Рис. 1.7. Схема взаимодействия частиц с водой.

По мере удаления от поверхности минеральной частицы электрическое взаимодействие ослабевает и за слоем прочносвязанной воды следует более толстый (сотни молекул) слой рыхло связанной воды, которая уже обладает свойствами жидкости, но все еще настолько сильно связана с минеральными частицами, что удалить ее можно только испарением.

В формировании описанных водных пленок, кроме электрических сил принимают участие молекулярные силы Ван-дер-Ваальса, имеющие более сложную физическую природу. Поэтому сумма прочно- и рыхлосвязанной воды называется максимальной молекулярной влагоемкостью грунта (ММВ).

Эта величина имеет большое значение для строительных свойств грунта. По значению она близка к влажности на границе раскатывания W_P. При влажности меньше максимальной молекулярной, грунт имеет твердую консистенцию, при равной ей он хорошо обрабатывается строительными машинами и хорошо уплотняется, при дальнейшем повышении влажности он становится липким и пластичным.

По мере уменьшения содержания воды, прочность глинистого грунта растет. Когда последняя влага испарится из грунта, его прочность достигает максимума. Но тогда прочность обеспечивается силами прямого молекулярного притяжения. Так как глинистые частицы очень малы, то число таких контактов громадно.

Если сухой глинистый грунт поместить в воду, то пленки влаги будутпроникать между частицами, вклинятся между ними в контактах, грунт сделается пластичным, и прочность его резко упадет. При дальнейшем увлажнении в результате капиллярного взаимодействия заполняются поры, и грунт постепенно перейдет в текучее состояние.

Разница в строении кристаллов каолинита и монтмориллонита, о которой мы говорили раньше, приводит к тому, что среди всех глин каолинитовые наименее пластичны, наиболее проницаемы для воды, лучше других разрабатываются строительными машинами и поддаются уплотнению. Монтмориллонитовые глины наиболее пластичны, отличаются вязкостью, липкостью, сильным набуханием и исключительно низкой водопроницаемостью. Их используют в качестве смазки между грунтом и фундаментами глубокого заложения для облегчения их погружения.