Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




29.04.2019


25.04.2019


22.04.2019


11.02.2019


17.01.2019


29.12.2018


29.12.2018


04.12.2018


25.10.2018


26.09.2018





Яндекс.Метрика
         » » Поглотительная способность песчаных и глинистых пород

Поглотительная способность песчаных и глинистых пород

13.12.2017

Одним из выдающихся достижений науки о почвах и осадочных породах является открытие способности поглощения ими различных твердых, жидких и газообразных веществ, ионов, молекул и коллоидных частиц из окружающей среды. Поглощение в горных породах, особенно в глинистых, имеет сложную природу и обычно состоит из нескольких совместно протекающих процессов. К.К. Гедройц предложил различать пять видов поглощения: механическое, физическое, физико-химическое, химическое и биологическое.

Механическое поглощение проявляется в поглощении мелких частиц, взвешенных в воде, при се фильтрации через породу. Этот вид поглощения свойствен главным образом различным песчаным породам. Oн широко распространен в природе и часто используется в строительной практике, например при устройстве различных водозаборов, фильтров, дренажей, для очистки воды от различных механических взвесей — тонкодисперсных глинистых частиц и т. д. В этом состоит положительная роль механического поглощения. Однако механическое поглощение часто оказывает и отрицательное влияние на свойства песчаных пород, например, когда вследствие кольматацин породы (заполнения пор мелкими частицами) изменяется ее водопроницаемость. В результате этого фильтры и дренажи выходят из строя. При механическом поглощении происходит загрязнение песчаных, песчано-гравийных покрытий на дорогах, поэтому они становятся влагоемкими, снижается их прочность, повышается деформируемость, начинаются явления пучения при промерзании, происходят и другие изменения. Учет и оценка возможности развития механического поглощения представляют большой практический интерес.

Физическое поглощение проявляется в адсорбции частицами породы на своих поверхностях тех или иных веществ. Выше было отмечено, что тонкодисперсные породы обладают большой поверхностной энергией и как всякие дисперсные системы стремятся ее уменьшить. Это может осуществляться за счет адсорбции частицами породы из окружающей среды молекул различных соединений, растворенных в воде, воды, газов и мелких частиц. Мерой адсорбции является поверхностное натяжение воды, которое изменяется в зависимости от температуры воды и от присутствия в ней различных веществ. Поверхностное натяжение чистой воды при температуре 20 °C равно 72,5*10в-7 H*м. Если в воде присутствуют поверхностно-активные вещества, например органические, поверхностное натяжение воды уменьшается, так как такие вещества концентрируются у поверхности раздела фаз, т. е. адсорбируются положительно. Неорганические соединения — соли, кислоты, основания и некоторые другие — обычно повышают поверхностное натяжение воды. Такие вещества адсорбируются отрицательно, их концентрация у поверхности раздела фаз (частица — вода) меньше, чем в воде, удаленной от частицы и расположенной между частицами.

Под влиянием адсорбции на поверхности минеральных частиц образуются различные пленки, изменяется их окраска, а также породы в целом, изменяется гидрофильность частиц и пород и соответственно их свойства. Вещества, адсорбируемые отрицательно, легче вымываются, выщелачиваются из породы. Поверхностно-активные вещества, адсорбируемые на поверхности твердых пород, понижая поверхностное натяжение воды, одновременно понижают твердость пород и облегчают их разрушение при бурении, дроблении и т. д. П.А. Ребиндер объясняет это явление тем, что адсорбируемые молекулы, связываясь с поверхностными ионами кристаллической решетки минералов, ослабляют силы связей между ионами, способствуют образованию микротрещин или расширению существующих трещин.

Положительная адсорбция используется для диагностики глинистых минералов (метод окрашивания органическими красителями), для снижения гидрофильности пород путем их гидрофобизации посредством пропитывания битумными эмульсиями и другими веществами. При седиментации осадков адсорбция способствует сохранению взвешенных частиц в воде в устойчивом состоянии, т. е. препятствует коагуляции и образованию агрегатов.

Физико-химическое поглощение заключается в способности породы обменивать некоторую часть поглощенных катионов или анионов, распределенных в диффузном слое глинистых коллоидных частиц, на эквивалентное количество катионов, находящихся в соприкасающемся с ним растворе. Поглощаемые из раствора катионы под влиянием электростатических и молекулярных сил входят в соединение с минеральной фазой породы, а вместо них в раствор переходит из диффузного слоя твердой фазы породы эквивалентное количество других катионов. Между катионами диффузного слоя минеральной фазы породы и катионами раствора всегда устанавливается равновесие.

Таким образом, физико-химическое поглощение породы проявляется в ее способности обменивать одни катионы на другие. Поэтому такой вид поглощения называют также обменным. Он характерен преимущественно для глинистых пород. Так как обменная, поглотительная, способность пород обусловлена главным образом их тонкодисперсной частью, эту часть породы принято называть поглощающим комплексом.

В природных условиях в обменном состоянии в глинистых породах встречаются главным образом катионы K+, Na+, Ca2+, Mg2+, реже H+, Fe3+, Al3+ и еще реже некоторые анионы. Из анионов хорошо поглощаются такие, которые образуют с катионами нерастворимые или малорастворимые соединения, напри-мер анионы фосфорной, кремневой, угольной и других кислот.

В глинистых породах морского происхождения в сольватном слое преобладает кальций, а в подчиненном количестве присутствует натрий. У глин, отложившихся в пресноводных бассейнах, и глинистых пород субаэрального происхождения умеренного пояса, где они хорошо промываются атмосферными и подземными водами, растворимые соли вымываются и в сольватном слое преобладает главный компонент пресных вод — кальций. В глинистых породах, отложившихся в жарких засушливых областях, в составе поглощенных катионов часто преобладает натрий.

По преобладанию в поглощенном комплексе того или иного катиона различают натриевые, кальциевые и другие глины (Na-глина, Са-глина и т. д.). Глины, содержащие обменный водород, называют ненасыщенными, а не содержащие его, — насыщенными.

Мерой обменной способности пород является емкость поглощения, или емкость обмена, которая характеризуется общим количеством катионов (или анионов), поглощенных (или обменных) породой в данных условиях. Емкость поглощения обычно выражают в миллиграмм-эквивалентах на 100 г сухой породы. Она зависит от минерального состава породы. Так, например, монтмориллонит может обладать емкостью поглощения от 60 до 120 мг*экв на 100 г сухой породы, гидрослюды — от 20 до 40, а каолинит от 3 до 15. Породы, содержащие монтмориллонит, обладают поэтому свойствами, обусловленными в значительной степени поглощенными катионами. Такие породы оказываются очень чувствительными ко всем изменениям состава окружающей среды. Так как каолинит обладает незначительной способностью поглощения (обмена) катионов, то на свойства пород, содержащих каолинит, этот фактор оказывает относительно небольшое влияние. Гидрослюды в этом отношении занимают промежуточное положение. Если емкость поглощения породы невелика, не больше 5—10 мг*экв на 100 г, то определять состав обменных катионов практически не имеет смысла, так как влияние их на свойства породы будет незначительным.

Следовательно, обменная поглотительная способность пород зависит в первую очередь от минерального состава поглощающего комплекса. В известной мере она зависит и от их дисперсности. Как правило, чем выше дисперсность пород, тем выше емкость поглощения и их физико-химическая активность. Замечено, что у частиц размером 0,002 мм и мельче обменная способность резко увеличивается по сравнению с более крупными частицами. Однако следует учитывать, что степень дисперсности является важным, но не единственным фактором, определяющим обменную способность породы. Так, кроме степени дисперсности и минерального состава пород интенсивность обменных реакций зависит также от особенностей окружающей среды. Установлено, что чем выше минерализация окружающей водной среды н больше ее объем (более высокая влажность, порода более интенсивно промывается водой), тем выше интенсивность обменных процессов.

Большое значение имеет также состав ионов, находящихся в воде, так как энергия поглощения, или, точнее, энергия обмена, у разных ионов неодинакова. Ионы, имеющие большую валентность, а следовательно, и более высокий электрический заряд, обладают большей энергией поглощения, энергичнее вытесняют из поглощенного состояния (из диффузного слоя) другие ноны, но сами переходят в раствор с трудом, так как их электростатическое взаимодействие с дисперсными частицами более сильное. Ионы, имеющие меньшую валентность и, следовательно, меньший электрический заряд, менее активно участвуют в обменных реакциях и легко удаляются из поглощенного комплекса. К.К. Гедройц установил, что одновалентные ионы обладают меньшей обменной способностью, чем двухвалентные, а последние меньшей, чем трехвалентные, в соответствии с их различной энергией поглощения. По своей энергии поглощения различные ионы располагаются примерно следующим образом:

Fe3+ > Al3+ > H+ > Ca2+ > Mg2+ > К+ > Na+.

Среди ионов одной валентности большей энергией поглощения обладают ионы с большим радиусом и меньшей степенью гидратации, так как электростатические силы притяжения таких ионов к поверхности частиц выше. Среди одновалентных ионов исключительное положение занимает водород, он обладает более высокой энергией поглощения, чем двухвалентные ионы.

Из приведенного ряда видно, что наибольшей обменной способностью обладают ионы, имеющие большую энергию поглощения и менее легко диссоциирующие в водных растворах. Ионы, легко диссоциирующие в воде, имеющие меньшую энергию поглощения, обладают и меньшей обменной способностью.

На обменную способность пород некоторое влияние оказывает и реакция среды. С повышением щелочности среды (повышение pH) обменная способность в отношении катионов увеличивается, а с повышением кислотности уменьшается. Это объясняется тем, что некоторые коллоиды (гидроокислы железа, алюминия) обладают амфотерными свойствами, т. е. свойствами изменять свой отрицательный заряд на положительный с повышением кислотности среды. В кислой среде они оказываются одноименно положительного заряженными с катионами и поэтому неспособны их поглощать.

Таким образом, природа обменных процессов (физико-химического поглощения) сложная и принципиально отличная от простого физического поглощения. При физико-химическом поглощении ноны переходят в состав поверхностного (диффузного) слоя частиц в результате обмена ионов поглощающего комплекса породы на ионы окружающей среды. Изменения концентрации раствора окружающей среды при этом не происходит. При физическом поглощении ионы или вещества только концентрируются на поверхности частиц вследствие адсорбции с одновременным изменением концентрации раствора окружающей среды.

Физико-химическое поглощение оказывает большое влияние на физико-механические свойства глинистых пород. Зная емкость поглощения породы и состав поглощенных ионов, можно приближенно судить о свойствах пород и их возможных изменениях при изменении физико-химических условий. Это влияние, однако, в настоящее время может быть охарактеризовано только качественно. Точной количественной зависимости свойств пород от состава поглощенных катионов пока не установлено. Так, например, монтмориллонитовая глина, содержащая в виде обменного (поглощенного) катиона натрий, может адсорбировать в 2—3 раза больше воды, чем подобная же глина, содержащая кальций. Натриевая монтмориллонитовая глина обладает значительно большей набухаемостью, сжимаемостью, пластичностью, значительно меньшей прочностью (сопротивлением сдвигу), меньшей водопроницаемостью, чем кальциевая монтмориллонитовая глина. Натриевые монтмориллонитовые глины менее гидростойки, они легко размокают в воде, более быстро и сильно диспергируются, чем подобные глины, содержащие обменный кальций.

Аналогичные изменения свойств в зависимости от поглощенных катионов наблюдаются и у каолинитовых, и у гидрослюдистых глин. Влияние магния на свойства глин сходно с влиянием кальция. Из одновалентных катионов личин имеет большее влияние, чем натрий, а калий меньшее. Влияние трехвалентных катионов (Fe. Al) на свойства глин изучено еще недостаточно. Как известно, эти катионы снижают их гидрофильность. повышают гидростойкость, уменьшают пластичность, создают большую связность. Ненасыщенные (водородсодержащие) глины по своим свойствам занимают промежуточное положение между кальциевыми и натриевыми. Однако более детально влияние водорода на свойства глин пока еще не выяснено.

Таким образом, изучение состава обменных (поглощенных) катионов и емкости поглощения имеет большое практическое значение при оценке свойств глинистых пород. Изучение этих характеристик пород имеет также большое общегеологическое значение, так как состав обменных катионов указывает, в каких условиях — морских, лагунных или континентальных — происходило накопление тех или иных глинистых отложений.

Химическое поглощение проявляется в образовании химических соединений в породе в результате взаимодействия составляющих ее частей с окружающим или насыщающим ее раствором. При таких реакциях возникают и накапливаются нерастворимые в данных условиях соединения, цементирующие песчаные и глинистые породы, образующие различные конкреции и стяжения, выполняющие поры, пустоты и трещины. Химическое поглощение нередко вызывает изменение окраски породы, появление разводов, пятен, налетов и других образований на поверхности частиц, слагающих породы, на обнаженных поверхностях пород, на плоскостях трещин и т. д. Все такие явления изменяют внешний облик пород, их физическое состояние, водопроницаемость, водоустойчивость, прочность и деформируемость. Поэтому учет, оценка и прогноз возможного развития процессов химического уплотнения и укрепления пород представляют определенный практический интерес.

Биологическое поглощение характеризуется образованием и накоплением в породе различных веществ в результате жизнедеятельности микроорганизмов, растений и животных. Развивающиеся таким образом биогенные процессы, подобно химическим процессам, вызывают изменение внешнего облика пород, физического состояния, свойств и состава. Роль биологического поглощения особенно заметна на начальных стадиях формирования пород.

Из сказанного следует, что различные виды поглощения в песчаных и глинистых породах имеют большое значение для понимания природы свойств и прогноза их изменения.