1.2.2. Зв'язана вода

Частинки ґрунту оточені декількома концентричними шарами води, які утримуються з різною силою. Чим ближче шар до ґрунтової частинки, тим з більшою силою він утримується під дією поверхневих сил. Ці стосується і зв'язаної води в ґрунтах. Зв’язана вода складає 42% від всієї во­ди, що міститься в земній корі. Особливо багато її міститься в гли­нястих породах.

Прочнозв’язана вода. Шари води, утворюється безпосередньо на поверхні частинок в результаті процесів адсорбції молекул води з пари, отримали назву прочнозв’язаної, або гігроскопічної води.

Віджимання адсорбованої зв'язаної води починається при тиску 20 - 50 МПа, тобто адсорбована вода міцно утримується мінеральними частинками, тому може бути названий прочнозв’язаною.

Прочнозв’язана вода неоднорідна. Вона підрозділяється на два різновиди, що розрізняються за своєю енергією зв'язку з поверхнею мінералів: вода острівної і поліслойної адсорбції. Вода острівної адсорбції адсорбується найбільш активними адсорбційними центрами поверхні (у глинястих мінералів це розірвані валентні зв'язки на сколах і обмінні катіони). Виникаючі при цьому іон-дипольні зв'язки мають високу енергію взаємодії (40 - 130 кДж/моль). Цей різновид прочнозв’язаної

води утворюється при відносній вологості повітря до 20 - 30%, і загальна її кількість складає 1/10 - 1/5 частина від мак­симальної гігроскопічності.

Вміст прочнозв'язаної води в ґрунтах визначається їх хі­міко-мінеральним складом і дисперсністю. Особливо великий вплив на вміст прочнозв’язаної води має мінеральний склад ґрунтів. Прочнозв’язана вода за структурою відрізняється від вільної води. Наявність силового поля поверхні мінералів обумовлює підвищену орієнтацію молекул води поблизу поверхні, тобто придає структурі зв'язаної води впорядкованість. Характер цієї впорядкованості інший, ніж в структурі льоду. Крім того, наявність катіонів поблизу поверхні частинок, які активно притягують молекули води, певним чином деструктують покрив зв'язаної води, що утворюється, і, таким чином, ще більше ускладнює її структуру. Все це утрудняє побудову єдиної моделі прочнозв’язаної води.

Слабкозв’язана вода. До слабкозв’язаної води відноситься вода, що утворюється при капілярній конденсації і осмо­тичних процесах. Капілярна вода підрозділяється на капілярно - роз'єднану і власне капілярну. Капілярно-роз'єднана вода називається також водою кутів пір, або стиковою водою. Вона звичайно утворюється в місцях зіткнення час­тинок і звужених ділянок пір. В пісках міститься 3 - 5% цього виду води, в пісковинах 4 - 7%. Даних про кількісний вміст капілярно - роз'єднаної води в глинястих ґрунтах немає. Можна тільки припускати, що вона знаходиться в тісному взаємозв'язку з адсорбо­ваною і осмотичною водою. Ділянки, займані капілярно - роз'єднаною водою ізольовані один від одного і займають незначний простір по відношенню до всього об'єму пір.

При збільшенні вологості ґрунту капілярні пори без остачі за­повнюються водою. В цьому випадку йде утворення капі­лярної і підвішеної води, залежно від того, з'єднується вона з рівнем ґрунтових вод чи ні.

Власно-капілярна вода підіймається догори від рівня ґрунтових вод. При зменшенні кількості капілярної води при внутрішньогрунтовому випаровуванні спостерігається відновлення її за рахунок підйому по капілярних порах нової частини ґрунтової води подібно тому, як це відбувається в капілярній трубці, опущеній одним кінцем у воду.

Пересування власно-капілярної води залежить від діаметра капілярів. В мікрокапілярах (0,1 - 10 мкм) капілярне підняття води відбувається поволі і на велику висоту, в макрокапілярах (0,01 - 1 мм) - швидко і на невелику висоту. Це походить від різного співвідношення в капілярах прочнозв’язаної і капілярної води. Утворення прочнозв’язанной води може уповільнювати її підняття по капіляру.

Підвішена вода частіше за все зустрічається в пісках. Вона виникає як в однорідній, так і в шаруватих товщах при промочуванні їх зверху. В однорідній товщі утворення підвішеної вологи залежить від гранулометричного складу піску і його початкової вологості. В грубозернистих пісках підвішена вода не утворюється. Відрізняється від власно-капілярної тим, що вона не має безпосереднього зв'язку з рівнем ґрунтових вод, унаслідок чого не може живитися ними. В такому стані воду в ґрунті можна порівняти з водою в капілярі, нижній кінець якого не опущений у воду. В сухих пісках підвішена вода утворюється у верхніх горизон­тах: потужність її вимірюється сантиметрами, рідше дециметрами.

В шаруватих товщах підвішена вода утворюється на межі двох шарів, різних по гранулометричному складу. Підвішена вода здібна до висхідного пересування у рідкий формі при випаровуванні з поверхні промоченого ґрунту. Вологість, при якій припиняється висхідне пересування капіляр­ної води, називається вогкістю розриву капілярів. Найбільша кількість підвішеної вологи, яка може утрумуватися грантом, називається найменшою вологоємністю, або водоутримуючою здатністю ґрунту.

Вологість ґрунту, у якого всі капілярні пори заповнені водою, називають капілярною вологоємністю. Слід мати на увазі, що при вологості, рівній капілярній вологоємності в ґрунті крім капілярної води буде присутня прочнозв’язана вода, яка розташовується навкруги ґрунтових частинок і значно зменшує діаметр пір, доступний для пересування капілярної води. Пересування капілярної води в ультра­порах взагалі відсутнє, оскільки вони зайняті зв'язаною водою.

Капілярна вологоємність різних ґрунтів визначається вели­чиною їх капілярної пористості і зрештою їх складом і структурою. Капілярна вода, подібно гравітаційній, передає гід­ростатичний тиск. Вона відрізняється від гравітаційної і стоїть ближче до зв'язаної води. Капілярна вода замерзає при температурі нижче 0°С, причому температура її замерзання залежить від діаметра пір, в яких вона знаходиться.

Осмотична вода утворюється в результаті відмінності в кон­центрації іонів, що знаходяться в поровому розчині і поблизу ґрунтових частинок. Вирівнювання концентрації іонів призводить до того, що утворюється ще один вид води молекули якого пов'язані з катіонами дифузного шару іонів і, таким чином, утримуються поблизу частинок. Осмотична вода - це вода з незначним рівнем енергії зв'язку (<0,4 кДж/моль). Вона слабко пов’язана з поверхнею частинок і тому відноситься до слабозв'язаної води. Густина осмотичної води наближається до густини вільної води; температура її замерзання -1,5°С, що значно вище, чим температура замерзання ряду різновидів капілярної води.

Загальний зміст прочнозв’язанной, капілярної і частини осмотичної води у більшості глинястих ґрунтів обумовлює їх вологість, яка знаходиться в межі між максимальною гігроскопічністю і вологістю нижньої межі пластичності. Ця вологість близька до максимальної молекулярної вологоємність ґрунтів (Wmmc).

При вологості, відповідній максимальній молекулярній вологоємності, в ґрунті міститься максимальна кількість капіляр­них менісків, але не досягається максимального вмісту всієї зв’я­заної води. У глинястих ґрунтів утворення осмотичної води про­довжується і при вологості, значно перевищуючий максималь­ну молекулярну вологоємність. Тому утворення максимальної кількості зв'язаної води в глинястих ґрунтах стає можливим тільки при вологості набрякання або вологості верхньої межі пластичності (WL).