Модель взаимодействия минеральной частицы с поровой водой

Благодаря многочисленным исследованиям в области криологии было установлено, что свойства воды, содержащейся в тонкодисперсных почвах и грунтах, отличаются от свойств воды в объеме. Основными признаками, характеризующими этот факт, являются: понижение температуры начала замерзания t) поровой воды, по сравнению с температурой замерзания воды в объеме; неполное замерзание поровой воды при температуре 13, часть воды остается в незамерзшем состоянии и является функцией отрицательной температуры, убывая с понижением последней.

Наглядно представить характер взаимодействия поровой воды с минеральной частицей тонкодисперсного грунта позволит изображение на рис. 4.3. Твердые частицы грунта, обычно состоящие из кристаллических минералов, имеют на поверхности отрицательный заряд статического электричества. Попадая в поле заряда, частицы грунта молекулы воды, являясь диполями, и растворенные в грунтовой воде катионы различных веществ ориентируются определенным образом и притягиваются к поверхности этой частицы (рис. 4.3). В результате поверхность твердой частицы покрывается монослоем молекул воды. Этот первый слой молекул воды с наружной стороны будет иметь заряд, аналогичный заряду поверхности твердой частицы, и, следовательно, станет воздействовать на близко расположенные другие молекулы воды, ориентируя их, аналогично происходит наслоение третьего и последующих слоев воды. При этом процесс наслаивания по мере удаления от поверхности затрудняется ввиду теплового движения молекул воды, обладающих тепловой энергией. С усилением теплового движения степень ориентировки будет уменьшаться. Упорядочение структуры ближайших слоев воды относительно активных центров поверхности частиц грунта приводит к изменению подвижности этой части молекул воды, что приводит к изменению ее структуры. Поэтому структура воды искажается.

Схема расположения молекул воды около отрицательно заряженной поверхности частицы грунта и график сил электромолекулярного взаимодействия между поверхностью минеральной частицы и молекулами воды [15]

Рис. 4.3. Схема расположения молекул воды около отрицательно заряженной поверхности частицы грунта и график сил электромолекулярного взаимодействия между поверхностью минеральной частицы и молекулами воды [15]

Элекгромолекулярные удельные силы взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды у самой поверхности достигают 1000 МПа [6]. По мере удаления от нее удельные силы взаимодействия быстро убывают и на некотором расстоянии уменьшаются до нуля (рис. 4.3 — график).

За пределами указанного расстояния молекулы воды не притягиваются к поверхности твердой частицы и ее свойства не отличаются от таковых для воды в объеме. Эту воду называют свободной, т. к. она свободна от сил взаимодействия с твердыми частицами. Свободными в грунте являются гравитационная и капиллярная вода. Капиллярная вода удерживается в порах грунта под действием сил поверхностного натяжения менисков. Гравитационная вода движется в толще грунтов под действием силы тяжести. Вода, адсорбированная на поверхности твердых частиц, называется связанной (она связана с твердыми частицами). Связанная вода не может перемещаться под действием силы тяжести.

По причине того, что элекгромолекулярные силы взаимодействия в пределах слоя связанной воды распределены неравномерно, этот слой принято условно делить на слой прочносвязанной и рыхлосвязанной воды. Обычно слой прочносвязанной воды принимают равным от одного до грех слоев строго ориентированных молекул воды, с большой энергией удерживаемых элсктромолекулярными силами поверхности. Свойства прочносвязанной воды ввиду наибольшего искажения ее структуры существенно отличаются от свойств свободной воды. Они соответствуют скорее твердому, а нс жидкому телу [6]. Прочносвязанная вода замерзает при температуре порядка -80 °С, обладает значительной вязкостью и упругостью, ее плотность, по мнению ряда авторов, может достигать от 1,19 г/см3 и до 1,81 г/см3, она не может передвигаться с частицы на частицу, а лишь отрываясь от частицы, при температуре выше 100 °С, переходит в пар [9]. Максимальное количество прочносвязанной воды в грунтах примерно соответствует величине максимальной гигроскопичности, т. е. той влажности грунта, которая образуется при адсорбции частицами парообразной воды, при относительной ее упругости, равной 100%. Рыхлосвязанная вода представляет собой диффузный переходный слой от прочносвязанной воды к свободной. Она обладает свойствами прочносвязанной воды, однако они выражены слабее. Это обусловлено существенным уменьшением в слое рыхлосвязанной воды электро- молекулярных сил взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды (рис. 4.3 — график). Рыхлосвязанная вода, по причине искажения ее структуры, замерзает при температуре ниже ноля, при этом, чем ближе конкретный слой рыхлосвязанной воды к поверхности минеральной частицы, тем более ориентированы молекулы данного слоя силами этой поверхности и тем ниже температура его замерзания. Максимальное количество связанной воды, которое может содержаться в грунте под влиянием сил электро- молекулярного взаимодействия с минеральными частицами грунта, называется максимальной молекулярной влагоемко- стью.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >