1.1.2 Органічна речовина і органо-мінеральні комплекси

У складі ґрунтів часто зустрічається органічна речовина. В осадових породах вона може знаходитися у формі скупчень (торф'яники, пласти вугілля, сланців) або розсіяному вигляді. 90% органічної речовини пов'язано з глинистими породами. Багаті органічною речовиною ґрунти характерні для відкладень водних заток, лагун, лиманів, стариць, боліт, озер і т.п. Велика кількість органічної речовини накопичується у ґрунтах.

Для органічної речовини і особливо для геліфікованої її частини - гумусу - характерні гідрофільність, висока вологоємність, висока пластичність, водопроникність, сильна стисливість і т.п.

Всі види органічної речовини, які присутні в ґрунтах, є остаточними продуктами руйнування існувавши організмів. Одні з них поступали до осадку в період його накопичення, інші проникають у вже сформовану породу. В процесі накопичення органічної речовини частина її захороняється у вигляді більш-менш повних фрагментів, що успадковують структуру початкових органічних форм (детритна органіка); частина руйнується до молекулярно-дисперсного рівня з переходом у водний розчин, а значна частка органічні речовини розкладається і переходить в геліфіковану колоїдну масу. Чим більше такої геліфікованої маси, тим вище ступінь розкладання органічної речовини і тим сильніше її вплив на властивості ґрунтів.

Розкладання органічних залишків починається практично зразу ж після їх відкладення за рахунок окислювальних мікробіологічних процесів. В першу чергу розпадаються легкі мікроорганізми і компоненти живих і рослинних тканин, такі як вуглеводи, білки, частина жирів; більш стійкими до мікробіологічному і хімічному розпаду є віск і лігніни. В результаті складних процесів розкладання і синтезу органічних залишків йде накопичення легкогідролизуємих низькомолекулярних з'єднань, бітумів і гумінових речовин. Низькомолекулярні з'єднання і бітуми не роблять істотного впливу на властивості ґрунтів: перші - унаслідок високої рухливості, а другі - через низьку реакційну активність по відношенню до твердого і рідкого компонентів ґрунту. Крім того вміст як низькомолекулярних з'єднань, так і бітумів в більшості ґрунтів невеликий. В той же час гумінові речовини, які мають гідрофільні властивості і велику реак­ційну здатність по відношенню до мінералів твердої компоненти ґрунту, можуть істотним чином впливати на властивості ґрунту. Тому при вивченні органічних сполук в інженерно-геологічних цілях найбільшу увагу надають саме цій групі органічних речовин.

Гумінові речовини є основним складовим компо­нентом гумусу. В їх склад входять гумінові кислоти і гумін, які не мають кислотних властивостей. Гумінові кислоти - загальна форма існування органічної речовини в умовах геліфікації. Ними можуть бути названий всі гідрофільні високомолеку­лярні продукти руйнування органічної речовини, здатні пе­реходити у водний розчин і осідати з нього. По будові гумінові кислоти можна характеризувати як мономірні високомолекулярні утворення з конденсуючим ароматичним ядром і складним кисне- і азотовмісними бічними радикалами, уявленими азидними, карбоксильними гідроксільними (у тому числі феноловими) і метаксільними група­ми. Кількісний зміст кожній з перелічених груп є непостійним і змінюється залежно від умов утворення гумінових кислот.

Істотне значення має той факт, що утворення гумінових кислот не є компактними, а мають «губчасту будову» з безліччю мікропор. Цим в значній мірі визначається їх водоутримуюча здатність і сорбційні властивості. Аналогічні закономірності спостерігаються при розгляді торфів і вугілля. У міру «дозрівання» вугілля ступінь конденсованості аро­матичних кілець в них зростає і разом з цим втрачаються їх гідрофільні властивості.

Органо-мінеральні комплекси. В процесі розкладання органі­чних залишків частина органічної речовини набуває молекулярно-дисперсний стан і переходить у водний розчин. Це найбільш низькомолекулярна і рухома частина органічної речовини, яка має в основному кислотні властивості. Присутність мінеральних речовин, особливо глинястих мінералів, що мають достатню сорбційну активність, сприяє сорбції цієї частини органічної речовини на поверхні частинок і утворенню органомінеральних комплексів.

Механізм утворення таких комплексів в різних умовах не однаковий. В мінералізованих розчинах органічні молекули спочатку взаємодіють з катіонами (Са2+, Mg2+, Na+, K+) з утворенням металоорганічних іонів (гуматов), причому в цих реакціях можуть брати участь як кар­боксильні, так і фенолові групи. Позитивно заряджені металоорганічні іони сорбуют­ься переважно неорганічних, головним чином на базальних поверхнях глинястих мінералів, де в результаті нестехіометрічних заміщень в тетраедричної або октаедричної сітці структури утворюється дефіцит позитивного заряду.

В слабомінералізованих середовищах у присутності органічних з’єднань кислотного типу характер сорбції органічних молекул змінюється. Утворення органомінеральних комплексів в цих умовах йде на бічних сколах глинястих мінералів, які несуть позитивний заряд в місцях розриву зв'язків. Зі зростанням дисперсності глинястих мінералів площа бічних сколів зростає, що приводить до зростання сорбціоної здатності мінералів.

В природних умовах, очевидно, йдуть обидва процеси утворення органо-мінеральних комплексів. Інтенсивність їх розвитку визначається умовами середовища, а також адсорбційної здатністю глинястих мінералів, яка залежить від дисперсності і дефектно­сті кристалічної структури. З глинястих мінералів найбільшу поглинальну здатність до органічних молекул має вермикуліт і монтморилоніт, потім гідрослюда і каолініт.

В багатьох ґрунтах вміст органічної речовини більше, ніж може бути сорбованою мінеральною частиною і глинястими мінералами. В цьому випадку існуючі «первинні органо-мінеральні частинки» служать початком утворення більш крупних агрегатів. Кінцеві розміри таких органо-мінеральних комплексів залежать від кількості і ступеня розкладання органічної речовини і особливостей фізико-хімічних умов, в яких відбувається процес.

При великому вмісті гумінових кислот і достатній кількості глинястих мінералів, що мають високі сорбційні властивості (монтморилоніт, вермикуліт), гумінові кислоти можуть утворювати на поверхні глинястих частинок в слабокислому середовищі структуровані оболонки з певним орієнтуванням гідрофільних і гідрофобних груп. Такі оболонки служать пластифікатором ґрунтів. При утворенні комплексів поверхня частинок і адсорбовані органічні молекули помітно модифікуються, що обумовлює специфічні поверхневі і інші фізико-хімічні властивості з'єднань, що утворюються. Для них характерна підвищена водоутримуюча і обмінна здатність, ослаблення контактних взаємодій за рахунок підвищення стабілізації частинок і збільшення відстані між ними на контактах коагуляції. Все це зрештою приводить до істотної зміни міцності і деформаційних властивостей в порівнянні з глинами, позбавленими органічних речовин.

Вивчення органічної речовини в органо-мінеральних комплексах глинястих порід різного віку і ступеня літифікації показує, що його склад закономірно змінюється в ході літогенезу. Показником цього служить помітне збільшення нерозчинних фракцій гумінових кислот, що пов'язано з хімічним перетворенні органічної речовини а також зміцненням його зв'язку з мінеральною частиною породи. Хімічні перетворення молекул гумінових кислот в ході літогенезу йдуть у напрямі утворення термодинамічно більш стійких молекулярних форм. При цьому вміст в структурі гумінових молекул ароматичних атомних груп збільшує кількість бічних радикалів і пов'язаних з ними функціональних груп зменшується. Поступова карбонатизація гумінових кислот веде до спрощення будови їх молекул, зменшенню гідрофобності і обмінної здатності, що аналогічно процесу вуглеутворення. Одночасно зростає міцність зв'язку органічних молекул з поверхнею частинок, а реакційна здатність органо-мінеральних комплексів знижується. Це сприяє поступовому зменшенню фізико-хімічної активності, гідрофільності, обмінної здатності, пластичності і зміцненню структурних зв'язків.

1.1.3. ЛІД

При негативних температурах порова волога ґрунтів кристалізується і переходить в лід. Лід є однією з головних частин твердої компоненти мерзлих ґрунтів. Лід - специфічна форма, істотно відмінна за своїм складом і властивостям від мінералів і органічних сполук. Існує декілька поліморфних форм структури льоду. В звичайних термодинамічних умовах (температурі менш 0°С і атмосферному тиску) лід має гексагональну структуру (лід I). Зв'язок між киснем і воднем усередині молекул води на 40% іонна і на 60% - ковалентна, а зв'язок між молекулами води в структурі льоду - водневий. Відстань водень - кисень усередині молекули води і між двома сусідніми мо­лекулами зв'язаними водневим зв'язком складає відповідно 1,00 і 1,76 А.

Енергія водневих зв'язків в структурі льоду дорівнює 18,8 кДж/моль. При наближенні до точки плавлення водневі зв'язки частково руйнуються, що приводить до поступового зниження міцності кристалів льоду і збільшенню їх повзучості. При руйнуванні близько 16% водневих зв'язків відбувається повний перехід води з твердого в рідкий стан.

Наявність водневих зв'язків впливає на кристали льоду. Кристалізація льоду з переходом молекул води до більш рихлої (в порівнянні з водою) гексагональної упаков­ки супроводиться зниженням густини фази, що утворюється. Тому густина льоду в середньому на 9% нижче за густину води і складає 0,91 г/см3 (при 0°С). На відміну від всіх породоутворюючих мі­нералів, лід відноситься до молекулярних кристалів, що характери­зуються значно меншим міжмолекулярним зв'язком, чим внутримолекулярні. Тому для кристалів льоду характерні пластичні деформації. Лід має високу діелектричну проникність, яка на 20 - 30% вище, ніж у води. Завдяки наявності на поверхні кристалів льоду перехідного шару лід - вода (при температурах від 0°С до декількох десятків граду­сів) лід проявляє разом з об'ємною і значну поверхневу електропровідність.

Наявність льоду в ґрунтах визначає їх будову і багато специфічних властивостей. Будучи цементом мінеральних сполук мерзлих ґрунтів і додаючи структурі ґрунту підвищену міцність, лід в той же час відноситься до найбільш термодинамічно нестійкої частини твердої компоненти, швидко реагуючої на зміни зовнішніх умов. Тому мерзлі ґрунти розглядаються як найбільш динамічні системи і властивості яких багато в чому обумовлені утвореннями льоду.