§ 2. Физико-химические свойства грунтов

К физико-химическим свойствам следует отнести свойства грунтов» которые проявляются в результате физико-химического взаимодейст­вия, происходящего между компонентами, слагающими грунты.

Коррозионные свойства грунтов. Коррозией называется процесс разрушения материалов вследствие их химического или электрохими­ческого взаимодействия с окружающей средой. Встречаются различные виды коррозии. Одним из них является подземная коррозия, которая выражается в разрушении металлических сооружений при взаимодей­ствии их с грунтом.

Причинами подземной коррозии являются:

1) воздействие грунтовой влаги на металлические конструкции, в результате чего возникают коррозионные элементы;

2) явления электролиза, происходящие в грунтах вследствие воз­действия блуждающих токов при наличии вокруг трубопроводов элект­ролита;

3) действие находящихся в грунте микроорганизмов, вызывающих явления биокоррозии.

Подземная коррозия металлов принадлежит к числу наиболее сложных видов коррозии. Скорость ее в огромной степени определяетс коррозионной активностью грунта, которую принято оценивать тем сроком, по истечении которого на новом трубопроводе возникнет пер­вый сквозной питтинг (каверна). По степени коррозионной активности грунты подразделяются на пять групп. При наиболее низкой коррози­онной активности грунта проявление сквозного разрушения металла наступает после 25 лет, при очень высокой — через 1—3 года.

Коррозионная активность грунтов зависит от многих факторов, к числу которых относятся их хнмнко-минеральный состав (и п первую очередь состав и количество растворимых солей), влажность, содер­жание газов, структура, электропроводность и бактериальный состав. Коррозионная активность увеличивается с ростом влажности, электро­проводности, с увеличением содержания С1~ и SO+²" в поровом раст­воре и кислорода в свободном воздухе, заполняющем поры грунта.

Электрокинетические свойства грунтов связаны с возникновением элсктрокпнетического потенциала при смещении диффузного слоя по отношению к [рануле. Этим обусловливаются явления электроосмоса и электрофореза, открытые в 1809 г. профессором Московского уни­верситета Ф. Рейсом.

Электроосмос в грунте представляет собой движение воды в порах под влиянием внешнего электрического поля. В большинстве случаев в грунте электроосмотическое передвижение воды происходит от анода (положительного электрода) к катоду (отрицательному электроду). Скорость передвижения воды при электроосмосе в глинах значительно превосходит таковую при фильтрации. Поэтому электроосмос приме­няют для обезвоживания и уплотнения плохо фильтрующих глинистых грунтов.

Электрофорезом называют движение взвешенных в жидкости твер­дых дисперсных частиц к одному из электродов. При электрофорезе движение грунтовых частиц чаще всего происходит в сторону анода, так как минеральные частицы имеют отрицательный заряд на поверх­ности. С помощью электрофореза можно добиться уплотнения глинис­тых пород.

Электроосмос и электрофорез определяются величиной элсктроки-нетического (*) потенциала, который и является важной физико-хими­ческой характеристикой поверхности твердого тела, находящейся в равновесии с норовым раствором. Поскольку величина ^-потенциала определяется толщиной диффузного слоя, то все факторы, влияющие на структуру диффузного слоя, влияют и па величину ^-потенциала. Присутствие одновалентных катионов в диффузном слое увеличивает ^-потенциал, а многовалентных — уменьшает его значение. При кон­центрации электролита 0,5—1 п. электрокинетическнй потенциал равен нулю.

Величина электрокинетического потенциала зависит от минераль­ного состава: Na-монтморпллонит имел ^-потенциал — 50 мВ, а Na-ка-олиннт — 35 мВ.

Диффузные и осмотические свойства грунтов. Диффузия — процесс самопроизвольного выравнивания концентрации в системе. Осмос пред­ставляет диффузию вещества (обычно растворителя) через полупрони­цаемую перегородку, разделяющею два раствора различной концент­рации. Диффузия и осмос в глинистых грунтах ведут к перераспреде­лению в них понов и молекул воды. Осмос в глинах может вызвать деформации набухания или усадки, а также изменение картины грун­тового потока в неравномерно засоленных глинах, так как скорость осмотического движения может быть больше скорости фильтрации. Если поместить засоленный глинистый грунт в пресную воду, то произойдет осмотическое всасывание воды и набухание грунта. Практически осмотическое набухание может встретиться в ирригационных или су­доходных каналах, проложенных в засоленных грунтах, после их за­полнения пресной водой. Если свободному набуханию грунта будет препятствовать внешнее давление, то возникает осмотическое давление, величина которого в глинах может достигнуть десятых долей МПа.

Если концентрация солей в растворе будет больше, чем в поровом растворе грунта, то произойдет отсос воды и возникнет уплотнение грунта в результате его усадки: отсасывающее действие концентриро­ванных растворов электролитов, по предложению Б. Ф. Рельтова, можно использовать для осушения и уплотнения водонасыщеиных глин (осмотический дренаж).

Адсорбционные свойства грунтов. К. К. Гедройц (1927) выделил пять видов поглотительной способности почв: 1) механическую погло­тительную, 2) физическую поглотительную, 3) химическую поглоти­тельную, 4) биологическую поглотительную и 5) физико-химическую обменную. Эти виды поглотительной способности почв условно можно рассматривать как адсорбционные свойства грунтов. Механичес­кая поглотительная способность грунтов выражается в том, что в порах задерживаются частицы, содержащиеся в фильтру­ющейся воде в результате конфигурации пор, или когда размер частиц оказывается больше размера пор.

Под физической поглотительной способностью грунтов понимается их способность поглощать из водных раство­ров или суспензий некоторые вещества вследствие молекулярного вза­имодействия, возникающего между ними и грунтовыми частицами. Физическая поглотительная способность связана с самопроизвольным стремлением дисперсных грунтов уменьшить свою поверхностную энергию за счет уменьшения поверхности частиц (их коагуляции) или поверхностного натяжения на границе частица — раствор путем поло­жительной адсорбции веществ, понижающих поверхностное натяжение и отрицательной адсорбции в отношении веществ, вызывающих увели­чение поверхностного натяжения.

На использовании механической и физической поглотительной способности грунтов основан метод понижения их водопроницаемости, известный под названием кольматация грунтов. Под процес­сом кольматации понимают заполнение пустот пористого тела более мелкими твердыми частицами, поступающими с током жидкости, в результате чего уменьшается фильтрационная способность данного пористого тела. Процесс кольматации широко протекает в природе. Например, по южной кромке песков Каракумов часто можно наблю­дать горизонты песков, превращенные в результате естественной коль­матации в прочные глинистые песчаники. Эти горизонты имеют весьма небольшую фильтрационную способность и, по сути дела, являются водоулорами. Эффективность кольматации—глубина закольматироваи-ного слоя и уменьшение коэффициента фильтрации — зависит от структурно-текстурных особенностей песка, минерального состава глин — кольматантов и химического состава воды. Хорошие результа­ты были достигнуты при применении суспензий гидрослюдистых глин.

Химическая поглотительная способность грун­тов выражается в том, «что те анионы растворенных солей, которые

дают с катионами, находящимися в почвешом 'растворе, .иорасшоримые или малорастворимые соли, будут выпадать из раствора в виде соот­ветствующих солей; выпадающий осадок будет примешиваться к твер­дой фазе почвы» (Гедройц, 1932).

Примером может служить действие на карбонатный грунт воды, содержащей Na2C03- В этом случае благодаря физико-химической об­менной способности катион Na+ войдет в поглощающий комплекс грунта и вытеснит оттуда эквивалентное количество кальция и магния. Эти два катиона дают с анионом СОз^2- труднораствор:имые карбонаты СаС0₃ и MgCOa, которые и выпадут в твердом состоянии.

Биологическая поглотительная способность раз­вита главным образом в верхнем слое грунтовой толщи — в почве. Биологическое поглощение отличается от других видов поглощения своим избирательным характером. Еще В. Р. Вильяме (1936) указы­вал, что «избирательная поглотительная способность представляет неотделимое свойство растительного организма (как и всякого дру­гого) и никакого отношения к минеральной массе почвы не имеет».

Ф и з и к о-х и м и ч е с к а я обменная способность грун­тов частично была рассмотрена выше (§ 6, гл. 1). Дополнительно ука­жем, что обменная способность грунтов увеличивается с их дисперс­ностью. Обменная способность грунтов обусловлена главным образом содержанием в них коллоидных частиц (<0,25 мкм).

Увеличение емкости обмена с ростом дисперсности отмечается не во всех случаях. Для одних минералов оно выражается резко, для других — отсутствует. Емкость обмена сильно увеличивается с ростом дисперсности у тех минералов, у которых она в основном определяется внешними поверхностями кристаллов минералов, например у каолини­та, и мало изменяется у минералов, у которых обмен связан еще с за­мещениями внутри кристаллической решетки, например у монтморил­лонита.

Очень высокую обменную способность имеют органические соеди­нения. Так, емкость органического вещества, содержащегося в почвах и молодых глинистых отложениях, достигает 100—500 мг-экв на 100 г, в то время как органические вещества в древних образованиях, под­вергшиеся даже небольшому метаморфизму, имеют несравнимо мень­шую емкость обмена.

Из сказанного следует, что обменная способность определяется гранулометрическим и минеральным составом грунта, а также присут­ствием в них органического вещества.

Физико-химическая обменная способность грунтов широко исполь­зуется в практической деятельности, в частности при уменьшении во­допроницаемости грунтов. Так, существует метод борьбы с фильтра­цией из водохранилищ и каналов, основанный на замене поглощенного Са-^1- на N.a^-h, который стал известен под названием метода солон-ц о в а н и я. Сущность его состоит в том, что в грунт вносится NaCl из расчета величины емкости катион но го обмена грунта. При этом происходит следующая реакция: (грунт — Са²⁺) + 2КаС1^ (грунт — 2Na+) + СаС1₂ и Na+ переходя в поглощающий комплекс, диспергирует грунт, тем самым значительно уменьшая и даже нередко прекращая его водопроницаемость. Этим методом успешно уменьшается величина водопроницаемости как бескарбонатных, так и карбонатных грунтов. Например, черноземы снижают свою фильтрационную способность примерно в 300 раз, а карбонатные грунты — в 20 раз.

Теплота смачивания грунтов. Адсорбционная способность грунта по отношению к воде выражается в образовании связанной воды. При образовании последней (главным образом прочносвязаниой воды) наб­людается выделение теплоты, которая получила название теплоты смачивания. Она обычно выражается в малых калориях (кал/г). В процессе гидратации грунтовых частиц молекулы воды при переходе их в связанное состояние теряют часть своей кинетической энергии, которая переходит в тепловую. Это даст основание считать, что ве­личина теплоты смачивания есть функция количества прочносвязанпой

воды.

Коэффициент корреляции между максимальной гигроскопичностью и теплотой смачивания близок к единице и равен 0>95±0,01, а между гигроскопичностью и теплотой смачивания — 0,97+0,01. Между теп­лотой смачивания и максимальной гигроскопичностью установлено постоянство отношения, равное 0,517. Таким образом, теплота смачи­вания в зависимости от минерального состава, дисперсности и состава обменных катионов будет изменяться так же, как й максимальная гигроскопичность.

Теплота смачивания является свойством дисперсных грунтов, ха­рактеризующим их «актшшость» в процессе гидратации, зависящую от их минерального и гранулометрического состава, состава обменных катионов и от тех условий, в которых находится грунт. Величина теп­лоты смачивания может изменяться от 0—1 кал/г (для песков) до 8— 26 кал/г (для глин).

Липкость грунта проявляется при влажности, большей, чем №_мг; наибольшего значения она достигает у глинистых грунтов. Липкость глин растет с увеличением внешнего давления и уменьшением влаж­ности, ее максимальное значение в большинстве случаев достигается при максимальной молекулярной влагоемкости (рис. 12).

Рис. 12 Зависимость липкости грунта от влажности (по В.Я. Калачеву .1974))

1-начальное прилипание , 2-максимальное прилипание ,3-максимальная липкость грунта.

Липкость грунта зависит от категорий воды, содержащейся в грун­те, особенностей его химико-минеральной части, площади контакта грунта с предметом и др. Величина липкости глинистых грунтов при определенном соотношении их особенностей с внешними факторами может достигать 0,02—0,05 МПа. Поэтому липкость грунта является одним из факторов, определяющих условия работы ковшов, дорожных и почвообрабатывающих машин. Прилипание грунта к поверхности емлеройных и транспортных машин и механизмов вызывает снижение их производительности при выполнении вскрышных работ на карьерах, при разработке котлованов и т. п. Это свойство также важно при оценке качества грунтов в дорожном строительстве и при оценке про­ходимости территории.

Пластичность грунта. Под пластичностью грунта понимается его способность иод воздействием внешних условий изменять форму (де­формироваться) без разрыва сплошности и сохранять приданную ему форму после того, как действие внешней силы устранено. Это свойство грунта характеризует возможность проявления в нем остаточных де­формаций, обусловленных содержанием в дисперсных грунтах осмоти­ческой связанной воды, позволяющей частицам передвигаться относи­тельно друг друга без разрыва сплошности.

Г1 лает] 1 ч I [«ость свой ств см та в ькчжод 11 с п epci i ы м Осп я шы м) r.py.i i та м. При инженерно-геологических исследованиях она характеризуется двумя влажностнымн показателями:

!) верхним пределом пластичности или нижним пределом текучес­ти (Wf), представляющим собой граничную влажность (выраженную в процентах), при превышении которой грунт переходит из пластич­ного состояния в текучее;

2) нижним пределом пластичности (№_р), представляющим собой граничную влажность между полутвердым и пластичным состояниями грунта; он характеризует минимальную влажность, при которой части­цы способны перемещаться относительно друг друга без нарушения сплошности грунта.