Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




26.11.2019


20.11.2019


01.11.2019


01.11.2019


25.09.2019


14.09.2019


14.09.2019


08.09.2019


03.09.2019


26.08.2019





Яндекс.Метрика
         » » Структурные связи в глинистых породах

Структурные связи в глинистых породах

13.12.2017

Глинистые породы в зависимости от степени развития структурных связей и их прочности могут занимать определенное промежуточное положение между жидко- или вязкотекучими и твердыми телами. Структурные связи в этих породах возникают в результате взаимодействия между ионами и атомами кристаллических решеток минералов, слагающих частицы, а также между ними и ионами, атомами и молекулами цементирующего вещества пород. С физической точки зрения эти связи обусловлены силами молекулярного (ван-дер-ваальсовы силы), ионного, атомного и магнитного притяжения и отталкивания между частицами и частично капиллярными силами.

Следовательно, связность глинистых пород возникает в результате как непосредственного взаимодействия между частицами, так и при их цементации («склеивании») различными веществами, образующими пленки (слои) на их поверхности или заполняющими поры.

Как следует из современных теоретических представлений, при непосредственном сближении частиц возникают молекулярные упругие силы сопротивления сжатию, сдвигу и растяжению. Если по поверхности частиц кроме молекулярных сил действуют и другие, они усиливают или ослабляют их взаимодействие. Силы притяжения и отталкивания изменяются с изменением расстояния между частицами. При увеличении его они ослабевают, однако сохраняются до некоторых пределов в виде сил дальнодействия («эстафетный механизм»), За пределами силового поля поверхностные силы равны нулю.

По исследованиям Б.В. Дерягина, существуют три характерных случая соотношения потенциалов сил, действующих по поверхности частиц.

1. Потенциалы поверхностных сил сближающихся частиц равны по величине и знаку. Между частицами всегда действуют силы отталкивания.

2. Потенциалы поверхностных сил различны по знаку. Между частицами на всех расстояниях действуют силы притяжения.

3. Потенциалы поверхностных сил одинаковы по знаку, но различны по величине. При этом соотношении потенциалов силы отталкивания действуют при больших расстояниях между частицами, но переходят в силы притяжения при малых расстояниях между ними.

Величина и знак поверхностных сил зависят как от строения кристаллической решетки частиц, так и от состава и минерализации окружающей их водной среды. Хорошо известно, например, что прибавление электролита в глинистую суспензию усиливает взаимодействие частиц, вызывает их коагуляцию (слипание) и образование агрегатов.

Любая глинистая частица стремится к той или иной гидратации, а это вызывает набухание породы. Если сдерживать нaбухание, можно определить его силу. Набухание является следствием свойств физически связанной воды оказывать расклинивающее давление (взаимного отталкивания) в слое между поверхностями твердых частиц. При увлажнении глинистых пород или изменении состава и минерализации поровых вод изменяются величина и знак поверхностных сил взаимодействующих частиц, и их агрегатов и соответственно изменяется связность породы в целом.
На рис. IV-22 приведены кривые распределения поверхностных сил в пределах силового поля тонкодисперсной частицы. Кривая 1 отвечает случаю, когда поверхностные силы за пределами сил упругого отталкивания создают только эффект притяжения между частицами. Кривая 2 относится к случаю, когда силы отталкивания действуют на больших расстояниях, переходят затем при уменьшении расстояния в силы притяжения, вплоть до появления сил упругого отталкивания. Кривые 3 и 4 характеризуют случаи, при которых между частицами на всех расстояниях превалируют силы отталкивания разной природы.

Так как в глинистой породе распределение частиц по размерам, форме, минеральному составу и степени влажности имеет статистический характер, полная энергия взаимодействия между частицами складывается из соотношения сил притяжения и отталкивания, которое определяет в каждом случае равновесие системы. Кроме того, наряду с непосредственным действием поверхностных сил между частицами на связность и свойства пород существенное влияние оказывают силы, возникающие в результате цементации породы.

Рассматривая силы взаимодействия между отдельными частицами, из которых складывается суммарная энергия связности породы, важно отметить, что на равнодействующей поверхностных сил могут выделяться определенные силовые барьеры ближнего и дальнего действия. Например, на рис. IV-23, а равнодействующая сил притяжения и отталкивания показывает, что при сближении частиц превалируют силы отталкивания, а с удалением частиц друг от друга начинают преобладать силы притяжения, которые затем уменьшаются до нуля. В этом случае для того, чтобы частицы сблизились до полного соприкосновения, надо преодолеть силовом барьер, создающийся силами отталкивания на близких расстояниях. На рис. IV-23, б видно, что если преодолеть силовой барьер отталкивания дальнего действия, то взаимодействие частиц будет определяться силами притяжения. Величина и характер действия силовых барьеров определяются не только кинетической энергией частиц, по и особенностями слоев водной среды, их разделяющих. Быстрое слипание (коагуляция) частиц наступает при исчезновении силовых барьеров отталкивания дальнего действия.

Важно заметить, что в каждой системе кроме сил притяжения действуют силы отталкивания. Если бы последние отсутствовали, то частицы сблизились бы с помощью сил притяжения до полного физического соприкосновения и порода превратилась бы в абсолютно твердое тело. Мягкие глинистые породы в природных условиях такими свойствами нe обладают. Их связность обусловлена совместным действием сил молекулярных, ионных, атомных, магнитных и капиллярных. Однако в зависимости от условии, в которых находится исследуемая глинистая порода, от ее состояния относительная роль тех или иных сил может быть различной (табл. IV-7). Так, например, при седиментации глинистых осадков в водной среде первоначально глинистые частицы при отсутствии заметной коагуляции либо агрегаты таких частиц при коагуляции не связаны друг с другом, движутся независимо друг от друга под действием силы тяжести, водных течений, теплового движения и т. д. В этот момент объемная концентрация дисперсной фазы мала, поэтому свойства такой системы качественно те же, что и чистой воды, хотя количественно они несколько отличны вследствие повышенной ее вязкости и плотности.
Суспензированные глинистые частицы, находясь в непрерывном движении, сталкиваются друг с другом, слипаются, вступают во взаимодействие под влиянием поверхностных сил. В свежеотложившемся глинистом осадке, образовавшем сдой ила, где объемная концентрация глинистых частиц значительно возрастает, взаимодействие частиц увеличивается. Этому способствует и то обстоятельство, что движение частиц не прекращается, а лишь переходит из поступательного в колебательное. В результате этого в свежеотложившемся осадке (даже в самых верхних его горизонтах), представляющем собой еще жидкий, вязкотекучий или липкопластичный гель, возникают структурные связи, пронизывающие всю массу осадка. Эти связи, естественно, не отличаются сколько-нибудь значительной прочностью, они легко нарушаются, например, при механическом воздействии, а затем вновь восстанавливаются. На данной стадии формирования осадка для него характерны тиксотропные превращения.

П.А. Ребиндер такие связи назвал тиксотропно-коагуляционными. При их возникновении происходит переход золя в гель, в котором наряду с большой гидратированностью появляется механическая прочность и упругость сдвигу. Тиксотропно-обратимые связи характерны для явно- или скрыто-текучего или скрыто-липкопластичного состояния осадка. Высокая гидратированность свежеотложившихся глинистых осадков ослабляет взаимодействие между глинистыми частицами, препятствует их коагуляции и обусловливает большую подвижность осадка, малую прочность и восстанавливаемость связей при их разрушении. Развитию связей препятствует также магнитное и электростатическое взаимодействие одноименно заряженных глинистых частиц. Единство противодействующих процессов и определяет состояние свежеотложившихся глинистых осадков.

По мере уплотнения глинистого осадка, сопровождающегося дегидратацией и энергичным развитием геохимических процессов, концентрация минеральных частиц и, следовательно, площадь контактов между ними в единице объема осадка увеличивается, что повышает взаимодействие между частицами, усиливает структурные связи. В результате этого резко повышается вязкость осадка, заметно изменяются его состояние и свойства и он постепенно превращается в глинистую породу. Этому способствуют возникновение и развитие явлений синерезиса — сближения частиц под влиянием поверхностных сил при частичном вытеснении воды.

Развивающиеся геохимические и особенно биохимические процессы вызывают разложение и диспергацию малоустойчивых минеральных и органических частиц и агрегатов, образование коллоидных частиц и пленок, которые при постепенной дегидратации цементируют осадок. Одновременно идут процессы кристаллизации новых минеральных образований из пересыщенных водных растворов. В результате изменяется естественный состав осадка и развиваются более прочные и жесткие структурные связи, пронизывающие весь осадок подобно металлическому каркасу в массе бетона. Такие структурные связи П.А. Ребиндер назвал кристаллизационно-конденсационными. Они образованы прочными химическими связями (главными валентностями) и обычно обладают упруго-или эластично-хрупкими свойствами. Развивающиеся жесткие цементационно-кристаллизационные связи лишают глинистую породу тиксотропных свойств. В обычных условиях под влиянием внешних усилий она необратимо разрушается, деформируется. Однако монолитность и прочность породы могут восстанавливаться при дальнейшем развитии процессов кристаллизации и цементации,

Таким образом, при литификации глинистых пород возникают и постепенно упрочняются структурные связи. Их образование — это взаимообусловленный процесс изменения состояния и вещественного состава, а следовательно, и свойств осадка, а затем и породы. Физическую природу процесса образования структурных связей можно представить следующим образом.

В глинистых осадках, как и в других гетерогенных системах, действуют силы притяжения и отталкивания между минеральными частицами. Природа этих сил, как нам представляется, имеет нечто общее с силами, удерживающими атомы, ионы и молекулы в кристаллической решетке минералов. Эти силы обусловливают взаимное притяжение частиц и образование микроагрегатов. Согласно теоретическим представлениям Б.В. Дерягина, силы притяжения между двумя частицами уменьшаются с уменьшением размера частиц, т. е.

А = 2пro,

где A — сила взаимного притяжения; r — средний радиус частиц; о — поверхностная энергия на границе раздела между частицами и промежуточной средой.

Внешней силой, противодействующей слипанию частиц, в первую очередь является сила тяжести, но она по величине пропорциональна объему частиц. При уменьшении размера частиц силы прилипания уменьшаются медленнее, чем гравитационные. В результате при определенных размерах частиц (<0,01 мм) силы прилипания оказываются большими, чем противодействующие им силы, происходит связывание частиц, образование микроагрегатов. Силы притяжения изменяются в зависимости от характера среды. Если на поверхности частиц адсорбируются молекулы среды (например, воды), силы притяжения частиц уменьшаются. Расчеты показывают, что для гидратированных частиц эти силы не превышают 0,05—0,1 МПа. При высыхании образовавшихся микроагрегатов силы прямого притяжения между частицами могут увеличиваться и достигать 0,5—1,0 МПа. Взаимному притяжению минеральных частиц кроме силы тяжести противодействуют также силы расклинивающего давления тонких пленок воды, проникающей между частицами, которые могут достигать большого значения.

Структурные связи в глинистых породах, обусловленные только молекулярными силами, не могут образовывать крупных водостойких агрегатов и микроагрегатов. На основании этого И.Н. Антипов-Каратаев сделал вывод, что взаимное прилипание частиц под влиянием молекулярных сил притяжения является лишь первой стадией формирования агрегатов. На второй стадий увеличиваются их прочность и водостойкость. В соответствии с этим Н.Я. Денисов и предложил различать в глинистых породах первичное сцепление и сцепление упрочнения. Н.Н. Маслов называет структурные связи, обусловленные молекулярными силами, связностью, а цементацию — структурным сцеплением, хотя известно, что связность и сцепление в физическом отношении одно и то же.

Увеличение прочности и водостойкости агрегатов и микроагрегатов, как это доказано многочисленными экспериментальными исследованиями, несомненно, связано с процессами склеивания и цементации минеральных частиц химическими и коллоидными соединениями, т. е. с процессами развития химических. (ионных, ковалентных, водородных) и магнитных сил.
Строение агрегатов, слагающих глинистые породы, в настоящее время изучено недостаточно. Из известных в этом отношении исследований наибольшего внимания заслуживают схемы возможного строения агрегатов, предложенные И.Н. Антиповым-Каратаевым и его сотрудниками. По этим схемам (рис. IV-24) агрегаты могут быть образованы либо в результате непосредственного прилипания минеральных частиц друг к другу под влиянием молекулярных сил, либо в результате склеивания их различными веществами: а) минеральным веществом, превращающимся из золя в гель, коагель гидратов полуторных окислов либо кремнезема; б) кристаллами солей, выпадающими при соответствующих условиях из растворов, пропитывающих породы; в) органическими соединениями, превращающимися из золя в гель.

В первой группе агрегатов основные валентные связи «клеящего» вещества нейтрализованы средой, поэтому взаимодействие минеральных частиц с «клеящим» веществом осуществляется только под влиянием молекулярных сил. Вследствие этого прочность агрегатов этой группы мала. Вторая группа может быть образована при помощи так называемых защитных поверхностных пленок, которые образуют общий кристаллический мостик промежуточного химического состава в результате химического взаимодействия цементирующего вещества с минеральными частицами. Возникающие таким образом новые механические элементы отличаются большей прочностью и водостойкостью, чем агрегаты первой группы. Третья группа агрегатов может быть образована в результате склеивания (цементации) минеральных частиц гумусовыми и другими органическими соединениями. При образовании таких агрегатов валентные (и молекулярные) связи могут распространяться либо только по внешней поверхности минеральных частиц (например, кристаллы каолинита, гидрослюд), либо полярные гумусовые соединения могут проникать в меж-пакетное пространство кристалла, например монтмориллонита, и тем обеспечивать большую прочность агрегатов. Агрегаты этой группы отличаются наибольшей прочностью и водостойкостью.

Таким образом, согласно современным представлениям образование структурных связей в глинистых породах может происходить либо в результате простого прилипания минеральных частиц друг к другу, либо в результате склеивания (цементации) их новыми минеральными или органическими веществами, сорбированными на поверхности минеральных частиц или заполняющими поры между ними.

На прочность структурных связей в глинистых породах влияют: 1) минеральный состав, 2) степень дисперсности, 3) влажность, 4) плотность, 5) состав цементирующего вещества и характер цементации. Все эти факторы являются следствием условий отложения глинистых осадков, а также результатом последующих этапов их преобразования диагенетическими и катагенетическими процессами.

При инженерно-геологической характеристике глинистых пород структурные связи следует изучать с точки зрения их природы (молекулярные, ионные, ковалентные, водородные, магнитные), вида (тиксотропно-коагуляционные, кристаллизационно-конденсационные), времени образования (сингенетические — первичные, эпигенетические — вторичные), водоустойчивости (водоустойчивые, водонеустойчивые), механической прочности (прочные — жесткие, упругие, непрочные — пластичные) и т. д.