Взаимодействие твердых минеральных частиц с водой.

Твердые минеральные частицы взаимодействуют с имеющейся в грунтах жидкой фазой - водой. Молекулы воды адсорбируются на поверхностях частиц и образуют прочно удерживаемые на них пленки, которые, в отличие от свойств воды остального объема, обладают прочностью на сдвиг и пределом текучести. Воду этих пленок принято называть прочно связанной водой. В непосредственной близости от этих пленок располагается вода, удерживаемая уже меньшими силами, которую называют рыхло связанной. Далее размещается вода, на которую уже не оказывают влияния исходящие от поверхностей минеральных частиц силы. Эта вода находится под воздействием только силы тяжести и называется свободной.

 

 

Виды и свойства воды в грунтах.

При температуре выше 0 ºС в грунтах выделяются различные виды воды.

Кристаллизационная, или химически связанная, вода входит в строение кристаллических решеток минералов. Ее можно удалить только путем длительного прокаливания, что приводит к разложению самих минералов и к изменению свойств грунта.

Вода в виде пара заполняет поры грунта, свободные от воды. Водяной пар легко перемещается из областей высокого давления в области с низким давлением, конденсируясь, способствует пополнению грунтовых вод.

Гигроскопическая вода притягивается частицами грунта из воздуха и конденсируется на их поверхности. Количество гигроскопической воды зависит от влажности воздуха и свойств частиц грунта. Гигроскопическая вода может перемещаться в грунте, переходя в парообразное состояние, и может быть удалена только высушиванием.

Связанная вода. Молекулы воды у поверхности глинистых частиц испытывают огромное молекулярное притяжение и образуют слой прочносвязанной воды, свойства которой существенно отличаются от свойств свободной воды (например, плотность 1,2 до 2,4 г/см³, температура замерзания до – 10 ºС и пр.). Последующие слои молекул воды менее связаны и образуют рыхлосвязанную воду. С удалением от поверхности частиц силы притяжения ослабевают. Там, где силы притяжения частицы перестают действовать, вода находится в свободном состоянии (рис. 1.2).

Свободная вода подразделяется на капиллярную и гравитационную.

Капиллярная вода находится выше уровня грунтовых вод и содержится в мелкозернистых песчаных и глинистых грунтах. Высота столба капиллярной воды зависит от гранулометрического состава грунта, размеров пор и свойств воды (ее температуры, степени минерализации). Капиллярная вода в грунте может находиться в углах пор, в подвешенном состоянии (не связанном с уровнем грунтовых вод, удерживаемая натяжением менисков) и в подпертом состоянии (непосредственно над уровнем грунтовых вод).

Гравитационная вода свободно движется в грунте от большего напора к меньшему и пополняет грунтовые воды.

Газы в грунтах.

Газы в порах грунтов могут находиться в свободном, адсорбированном, защемленном и растворённом состоянии.

Свободные газы содержатся в сообщающихся порах грунта, т.е. их количество зависит от открытой пористости грунта и степени его водонасыщения Sr. Cвободные газы могут находиться в грунтах лишь при степени влажности Sr < 0,5-0,6. При увеличении Sr до 0,8-0,9 свободные газы постепенно защемляются в порах капиллярной водой и переходят в категорию защемленных [3].

Адсорбированные газы удерживаются на поверхности грунтовых частиц под воздействием молекулярных сил притяжения. В связи с этим в сухом грунте на поверхности частиц образуются полимолекулярные газовые "пленки", нижние слои которых находятся под давлением в несколько десятков или даже сотен мегапаскалей.

Количество адсорбированных газов в грунтах зависит от их минерального состава, присутствия гумуса и других органических веществ, от дисперсности и величины пористости грунтов.

Интенсивность адсорбции элементов, составляющих газовую компоненту, на поверхности минеральных частиц меняется согласно следующему ряду:

СО2 > N2 > О2 > Н2

Поэтому адсорбированные газы по составу отличаются от газов, находящихся в свободном состоянии. При увлажнении грунта происходит вытеснение адсорбированных газов водной пленкой [3].

Защемлённые газы образуются при одновременном избыточном увлажнении грунта снизу и сверху. Защемленные газы могут занимать значительные участки внутри грунта или находиться только в небольших количествах в тончайших микропорах [2].

Растворенные газы образуются за счет растворения в поровом растворе. При этом в зависимости от состава газа и растворителя могут формироваться поровые растворы, обусловливающие их различную химическую агрессивность, например углекислотную (при растворении СО2 в воде), сернокислую и др.

На образование растворенных газов существенно влияет температура и давление: с увеличением давления растворимость большинства газов возрастает, поэтому их количество в земной коре увеличивается с глубиной. Но по мере нагревания воды количество растворенного воздуха в ней уменьшается [3].