Аналіз впливу електролітів на зволоження та міцність неущільненої глини
На відміну від ущільненої глини в неущільненій глині пори мають значні розміри, які здатні разом з водою проникати як гідратовані іони, так і макромолекули полімерів. Залежно від виду електролітів результати взаємодії проникли в пори глини іонів можуть бути різними. Як зазначено вище, всі електроліти можна поділити на три групи: лужні, кислотні та нейтральні.
При взаємодії лужних електролітів (невисокої концентрації) з глинистими частинками відбувається активація останніх (див.
SiOH+NaOH ® SiO - +H2O+Na + ,
в результаті чого об'ємна енергія глини зростає, збільшується всмоктування води, підвищується вологість, знижується пластична міцність глини.
Зі збільшенням концентрації лугу кількість катіонів у розчині зростає, збільшується щільність ефузивного шару і при
деякої критичної концентрації електроліту відбувається поступова дезактивація глинистих частинок, у результаті товщина гідратного шару води навколо частинок знижується, знижується вологість глини, підвищується її пластична міцність глини.
Ступінь гідратації та дегідратації для різних лужних електролітів при підвищенні їх концентрації різна. Вона залежить від гідрофільності катіонів, сили взаємодії їх з аніонами розчину та розчинності електролітів.
На рис. 10.1. показаний графік залежності гідратації та дегідратації зразків неущільненої глини, поміщених у розчини різних лужних електролітів (цей і наступні графіки побудовані за експериментальними матеріалами В.Д. Городнова)
Найбільш активно гідратація протікає при введенні в розчин лугів NaOH, КОН, Ва(ОН)2, менш активно (внаслідок меншої концентрації гідроксильних груп у розчині) для лужних солей і зовсім неактивно для слаборозчинних основ Са(ОН)2.
Активність дегідратації залежить від щільності та активності катіонів у дифузному шарі навколо глинистих частинок, концентрації та активності аніонів електролітів. У розчинах лужних солей при гідролізі утворюється значна кількість досить активних аніонів НРО42-, Н2РО4-, НСО3-і т.д., що знижують активність катіонів.
У розчинах добре розчинних лугів (наприклад, розчинах NaOH з розчинністю 108 г. на 100 мл води) після гідратації частинок концентрація катіонів швидко зростає, дегідратація глинистих частинок протікає інтенсивно.
У менш розчинних розчинах лугів Ba(OH)2 (з розчинністю 39 грам на 100 мл. води), кількість катіонів в розчині значно менше. Та й катіони більш гідрофільні і менш рухливі. Тому, незважаючи на велику валентність катіонів, нейтралізація глинистих частинок відбувається слабше, область дегідратації значно розтягується.
При взаємодії нелужних електролітів з глинистими частинками гідратація частинок не можлива, навіть за малої концентрації електроліту внаслідок нейтралізації потенціалу глинистих частинок спостерігається їх дегідратація.
Активність взаємодії катіонів з глинистими частинками відповідно до досліджень К.К. Гедройця (див. частина 1, п. 4.4) залежить від їх валентності та іонного радіусу. Для ґрунтів, ґрунтів (у тому числі й глинистих) внаслідок малого іонного радіусу найбільшу активністьвиявляє іон водню Н+, а найбільш сильним нелужним електролітом є кислоти, що активно нейтралізують потенціал частинок, інтенсивно знижують вологість глини.
Як показують експериментальні дослідження за допомогою кислот, можна знизити вологість глини до К2=0,3, чого внаслідок гідрофільності інших катіонів досягти неможливо. На рис.10.2. показано залежність вологості глинистих зразків у розчині соляної кислоти від її концентрації. На противагу дії на глинисті частинки лужних електролітів замість гідратації ми спостерігаємо дегідратацію частинок.
За рахунок нейтралізації заряду глинистих частинок при концентрації кислоти до 0,3% вологість глини знижується (до К2=0,3), а при подальшому підвищенні концентрації в розчині з'являється надлишок аніонів Cl + (оскільки частина катіонів адсорбується глинистими частинками), який утворює
другий шар ДЕС глинистих частинок. Відбувається їхня поступова активація та гідратація до нормальної вологості глини.
Рис.10.2. Залежність вологості глинистих зразків у розчині соляної кислоти від її концентрації
Розчини нейтральних електролітів при малих концентраціях не викликають екстремальних значень підвищення чи зниження вологості глини. Починаючи з нульової концентрації, вони зі збільшенням концентрації, плавно знижують вологість глини до певної межі характерного для даного розчину. Внаслідок гідрофільності катіонів знизити вологість глини до нуля неможливо. Інтенсивність зниження вологості глини залежить від заряду, гідрофільності чи глинофільності катіонів, активності аніонів електроліту. Темп зниження вологості глини зі збільшенням концентрації електролітів залежить від ступеня їх дисоціації. При малій концентрації відповідно до закону Оствальда ступіньдисоціації електроліту більш висока, тому темп зниження вологості глини вищий, ніж за вищої концентрації електроліту.
З малюнка 10.3. видно, що інтенсивність зниження вологості в розчині гідрофільного електроліту NaCl (1) значно менше, ніж у розчині менш гідрофільного електроліту КС1 (2), і дуже низька інтенсивність зниження вологості для електролітів з дуже активними аніонами
Мал. 10.3. Залежність вологості глинистих зразків у розчині електролітів солей одновалентних металів від концентрації останніх: 1 – NaCl; 2 – KCl; 3 – Na2SO4
Мал. 10.4. Залежність вологості глинистих зразків у розчині нелужних електролітів полівалентних металів від концентрації останніх: 1-CaCl2; 2-СаSО4; 3-Са2; 4-КАlSO4.
Те саме можна спостерігати і для електролітів з полівалентними катіонами (рис.10.4).
Міцність глинистих порід знаходиться у прямій залежності від їх вологості. Глинисті частинки, як зазначено, пов'язані між собою плівками води. Міцність плівок залежить від енергії міжмолекулярної взаємодії (U) кожної молекули води з глинистими частинками.
Глинисті частки породи знаходяться на відносно невеликій відстані один від одного, і кожна молекула води взаємодіє одночасно не з однією (як у буровому розчині), а з цілим рядом глинистих частинок, що прилегли. Енергію взаємодії молекул води з цими частинками можна визначити підсумовуванням енергій взаємодій молекули води з кожною частинкою окремо, наприклад, за допомогою інтегрування.
Наближений розрахунок у припущенні адитивності (підсумовування) енергії міжмолекулярних взаємодій, як зазначено вище, було проведено Буром і Гамакером [6, 9].
Для виведення рівняння енергіїміжмолекулярного тяжіння використовувалося рівняння енергії тяжіння однієї молекули до поверхні адсорбенту (у разі глинистих частинок):
(10.1)
де З - константа, яка залежить від природи взаємодіючих молекул, n - число частинок; h – відстань від молекули води до глинистих частинок (товщина плівки води).
В результаті після інтегрування Бур та Гамакер отримали формулу
, (10.2)
де А-константа Гамакера, що дорівнює приблизно 10 -19 Дж.
Питома сила взаємодії молекул води з поверхнею глинистих частинок (міцність плівки) відповідно дорівнюватиме
, (10.3)
де З - стала величина.
Зі збільшенням вологості глини товщина плівки збільшується, а її міцність та міцність глини в цілому знижуються
Вологість глини можна виразити формулою
, (10.4)
де Vв – кількість води, поглиненої глиною; S – сумарна поверхня глинистих частинок, m – кількість частинок, h – товщина плівки води. Звідси
, (10.5)
Підставляючи значення h формулу (10,3), отримаємо
, (10.6)
тобто. міцність глини обернено пропорційна її вологості в кубі.
Відношення міцностей зразка глини різної вологості можна записати у вигляді
а міцність зразка будь-якої вологостіfi
деf- початкова міцність зразка глини; К - початкова вологість зразка, Кi вологість насиченого водою зразка.
Експериментальні дані підтверджують одержані розрахунки (табл.10.1).
Міцність «сухих» ущільнених порід з дуже тонкими водними плівками (h) у багатьох випадках не поступається міцності інших осадових порід: вапняків, пісковиків. Зі збільшенням товщини гідратної плівки міжмолекулярневзаємодія між частинками різко знижується, знижується пластична міцність глини (рис.10.5). Міцність гідратної плівки із зменшенням товщини швидко зростає. У самій поверхні частки сила взаємодії молекул води досягає тисячі кг/см 2 (див. частина 1, 3.3). З віддаленням від частки ці сили знижуються обернено пропорційно відстані в сьомому ступені.
Таблиця 10.1
Залежність пластичної міцності зразка глини від вологості К2