Обсуждение пластичности глин по Аттербергу

Как уже отмечалось при рассмотрении керамических свойств глин, пластичность определяется совместным влиянием сил притяжения между частицами и смазывающим свойством жидкости, заключенной между этими частицами; иначе говоря, пластичность зависит от формы и размера частиц, от величины расстояния, на котором они будут находиться, и от величины сил притяжения между частицами, а также от физического состояния жидкости. Кроме того, если жидкость представлена водой, то, как отмечалось выше, ближайшие к чешуйке слои молекул воды, адсорбированные на соответствующих поверхностях глинистых чешуек, строго ориентированы, так что при очень малых содержаниях вода полностью связана и поэтому не обладает смазывающими свойствами. Смазывание частиц водой и, следовательно, пластичность будут иметь место тогда, когда слои адсорбированной воды станут достаточно толстыми и внешние части этих слоев уже утратят строгую ориентировку, именно такая вода и будет оказывать смазывающее воздействие. Из сказанного, конечно, не следует, что внешние слои адсорбированной воды представлены совершенно неориентированными молекулами, хотя конфигурация этих слоев воды будет меняться под действием небольшой силы.

Нижний предел пластичности, как представляется в свете вышеизложенной концепции, — это некоторое определенное количество воды, которая может адсорбироваться поверхностями частиц. Такое количество воды лишь немного превышает полностью связанное, а слои адсорбированной воды еще не настолько раздвигают частицы, чтобы силы притяжения между ними резко ослабли. Кроме слоев ориентированных молекул воды, непосредственно адсорбированных на поверхностях частиц, должно присутствовать некоторое количество поровой воды, находящейся в жидком или полужидком состоянии, размещенной в порах таким образом, чтобы она могла вызвать слабое смазывающее воздействие. Трудно оценить толщину слоев воды и количество поровой воды при нижнем пределе пластичности, так как невозможно точно определить площадь адсорбирующих поверхностей. Однако толщина слоя адсорбированной воды, по-видимому, равна толщине 5—10 молекулярных слоев, а содержание поровой воды, вероятно, составляет около 20% в случае монтмориллонита и большую часть всей воды в случае некоторых каолинитовых глин.

Верхний предел пластичности — количество воды, молекулы которой имеют какую-либо определенную ориентировку и которая не настолько разделяет частицы, чтобы между ними вообще исчезли силы притяжения, а кроме того, вода, находящаяся в порах, по крайней мере частично жидкая. При верхнем пределе пластичности относительное количество связанной воды уменьшается, а жидкой воды возрастает по сравнению с нижним пределом пластичности. Можно полагать, что это различие наименьшее у натриевых и литиевых монтмориллонитов и большее у глинистых минералов.

Число пластичности представляет собой некоторое количество воды, избыточное по отношению к связанной воде, однако не вызывающее столь существенного раздвигания частиц, чтобы между ними полностью исчезли силы притяжения. Число пластичности указывает на пределы колебаний в содержании воды, молекулы которой имеют слабо выраженную ориентировку, а конфигурация их изменяется под воздействием небольшой силы.

Высокие значения пределов пластичности монтмориллонитов обусловлены их способностью диспергироваться на исключительно мелкие частицы с громадной удельной поверхностью, обладающей адсорбционными свойствами. Исключительно большие значения пределов пластичности натриевого и литиевого монтмориллонитов являются результатом интенсивного диспергирующего воздействия натрия и лития, в результате чего глинистые частицы распадаются на чешуйки, толщина которых приближается к толщине элементарной ячейки. Эти катионы слабо связывают частицы, и поэтому слои воды достигают очень большой толщины, хотя фактически такие катионы, по-видимому, не способствуют развитию более строгой ориентировки молекул воды. Слои ориентированных молекул воды, сближающиеся друг с другом от поверхностей, лежащих одна против другой, вероятно, соединяются и тем самым оказывают какое-то связующее воздействие. Однако, как показали Гофман и Хаусдорф, при больших содержаниях воды, которые имеют место при верхнем пределе пластичности, многие частицы еще соприкасаются друг с другом краями, так что нет необходимости прибегать к воде как к единственному связующему агенту.

Меньшие значения пределов пластичности у монтмориллонитов, насыщенных различными катионами (но не натрием и литием), обусловлены более сильным связующим воздействием этих катионов, вызывающих образование слоя связанной воды определенной толщины. Эти катионы не способствуют диспергации частиц монтмориллонита, удерживая их вместе, особенно потому, что слои воды не достигают такой толщины, при которой эти частицы полностью разъединились бы.

В монтмориллонитах влияние адсорбированных катионов заключается в их диспергирующем воздействии и в воздействии на слои ориентированных молекул воды. У других глинистых минералов частицы прочно связываются вместе (подобно тому как калий связывает частицы иллита). Изменение состава обменных катионов почти не вызывает расщепления частиц и увеличения удельной поверхности. Поэтому влияние катионов проявляется главным образом в связывании частиц и в воздействии на природу адсорбированной воды. Вследствие этого литий и натрий оказывают противоположное воздействие на изменение пределов пластичности этих глинистых минералов и монтмориллонита. Например, в иллитах катион натрия по сравнению с катионом кальция ослабляет притяжение между частицами настолько, что они должны располагаться очень близко одна к другой, чтобы между ними имели место соответствующие силы сцепления; кроме того, натрий обусловливает уменьшение толщины слоя строго ориентированных молекул воды — результирующее воздействие катиона натрия выражается в понижении пределов пластичности иллита.

Поскольку натрий и литий очень слабо влияют на характер слоя ориентированных молекул воды, а ориентировка молекул воды обусловлена особенностями строения поверхностей чешуек глинистых минералов, степень ориентировки, видимо, будет постепенно уменьшаться по мере удаления от поверхности. Вследствие этого отсутствует резкий переход от ориентированных молекул воды к неориентированным, и в результате, когда в качестве адсорбированных катионов присутствуют натрий или литий, пределы пластичности выражены не четко.

Другие адсорбированные катионы также сказываются на характере слоя ориентированных молекул воды, как и поверхности частиц глинистых минералов. Такие катионы могут окружаться оболочкой молекул воды с определенной конфигурацией, в результате чего слой строго ориентированной воды развивается только до некоторой определенной и строго фиксированной толщины, которая зависит от характера обменного катиона. Поэтому пределы пластичности глин, насыщенных такими катионами, имеют вполне определенные значения.

Влияние монтмориллонита в том случае, когда он образует смешаннослойные сростки с другими глинистыми минералами, заключается главным образом в его диспергирующем воздействии. Наличие монтмориллонита в таких сростках и агрегатах приводит к тому, что они легко расщепляются. Кроме того, если глина сложена такими смешаннослойными минералами, то катионы натрия и лития усиливают их диспергацию, изменяя тем самым пределы пластичности. Иллит в смешаннослойных иллит-монтмориллонитах оказывает противоположное воздействие на изменение пределов пластичности. Можно полагать, что присутствие иллита в виде сростков с монтмориллонитом в большей степени обусловит уменьшение верхнего предела пластичности, чем нижнего, так как диспергирующее воздействие монтмориллонита проявляется сильнее при высоком содержании воды. Следует отметить, что поведение монтмориллонита в смешаннослойных образованиях, возможно, будет не таким, как в искусственных смесях монтмориллонита с различными глинистыми минералами. Причина этого заключается в том, что в смешаннослойных образованиях монтмориллонитовые частицы не только сами диспергируются, но вызывают появление ослабленных зон в слоях вмещающего глинистого минерала, что приводит к его расщеплению на более мелкие частицы. Поэтому вряд ли пределы пластичности искусственных смесей чистых глинистых минералов будут такими же, как у природных глин и глинистых пород, имеющих аналогичный минеральный состав.

Пределы пластичности чистых монтмориллонитовых глин, насыщенных одним и тем же катионом, могут очень сильно различаться. Ясно, что эти колебания пределов пластичности обусловлены различиями в составе и строении самих силикатных слоев минерала. По-видимому, эти различия заключаются в замещении одних катионов другими в решетке, что определяет различную диспергируемость, различную способность адсорбированных катионов к ионизации и различные величину и распределение сил притяжения, которыми обладают поверхности глинистых минералов. На основании данных, приведенных в работе Фостер, можно думать, что максимальное набухание и, вероятно, максимальная диспергация глинистого минерала имеют место тогда, когда замещения в решетке приводят к возникновению результирующего отрицательного заряда величиной 0,7—1,10 мэкв/г. При большей величине заряда силы притяжения становятся достаточно большими, чтобы удержать частицы вместе; при меньшей величине заряда количество адсорбированных катионов слишком мало, чтобы их гидратация могла привести к заметному разделению частиц. Фостер сообщила, что в монтмориллонитах, изученных ею, набухание уменьшалось по мере увеличения степени замещения алюминия железом и магнием, а также по мере увеличения содержания трехвалентного железа. Однако, как она отмечает, необходимы дополнительные исследования для выяснения зависимости набухания и диспергируемости монтмориллонитов от характера заселения кристаллической решетки катионами.

Данные о том, как влияют различия в составе других трехслойных минералов на пределы их пластичности, пока отсутствуют. Изменения в составе силикатных слоев, видимо, почти не сказываются на пластичности этих минералов, если только эти изменения не приводят к образованию минерала, промежуточного по составу между двумя минеральными видами (например, как в случае вермикулита и хлорита), или не вызывают изменения морфологии частиц. Уивер описал иллит, частицы которого имеют удлиненную форму, тогда как обычно иллит встречается в виде чешуек изометрической формы; иллитовая глина, состоящая из удлиненных частиц, вероятно, будет обладать большей влагоемкостью.

Сравнительно высокие пределы пластичности аттапульгита обусловлены его волокнистым строением, что обеспечивает высокую влагоемкость аттапульгитовых глин. Аттапульгит встречается в виде пакетов, состоящих из многочисленных волокон, в которых отдельные силикатные пакеты минерала прочно связаны между собой. Как только такие агрегаты подвергаются механическому воздействию, они расщепляются на большое число индивидуальных волокон. Поэтому пределы пластичности аттапульгита сильно колеблются в зависимости от способа подготовки образцов для изучения.

Известно, что выветривание глин обычно приводит к увеличению пределов пластичности Такое увеличение может определяться изменением состава обменных катионов и даже образованием новых глинистых минералов, например монтмориллонита за счет иллита. Кроме того, увеличение пределов пластичности может быть вызвано чисто физическими явлениями, возникающими вследствие многократного чередования увлажнения и усыхания глин, в результате чего связи между частицами и агрегатами настолько ослабнут, что глины будут легче диспергироваться. Несомненно, что на дневной поверхности в глинах возможны и другие изменения, например в них может накопиться органическое вещество или содержащееся в глинах железо может подвергнуться окислению; все это также сильно сказывается на изменении пластических свойств глин.

Довольно высокие пределы пластичности галлуазитов промежуточной стадии гидратации по сравнению с двух- или четырехводными галлуазитами объясняются, по-видимому, тем, что в них имеют место неравновесные условия, возникающие тогда, когда не все поверхности галлуазитевых частиц покрываются слоем воды однородной толщины. Поэтому в случае галлуазита, находящегося в промежуточной стадии гидратации, когда слои воды, расположенные между частицами, имеют различную толщину, эти частицы легче подвергаются разделению. Подобная картина имеет место и в монтмориллоните: при некотором определенном соотношении катионов натрия и кальция частицы будут особенно легко диспергироваться, легче, чем в тех случаях, когда в качестве адсорбированного катиона присутствует только натрий или только кальций.

Хогентоглер указывал на то, что верхний предел пластичности примерно соответствует содержанию воды в свежеосажденных глинах. Близки к этому данные по изменению скорости поглощения воды глинистыми минералами, полученные Уайтом и Уайтом и Пичлером (см. фиг. 5-2—5-4). Эти исследователи обнаружили, что обычно вода быстро поглощается сухой глиной до тех пор, пока ее содержание не будет соответствовать верхнему пределу пластичности или несколько его превышать; в дальнейшем почти не происходит поглощения воды, за исключением тех случаев, когда в качестве адсорбированных катионов присутствуют натрий и литий. Если же присутствуют эти катионы, то обычно у верхнего предела пластичности не наблюдается резкого изменения скорости поглощения, т. е. поглощение воды продолжается и после того, как был достигнут верхний предел пластичности. Изменение скорости поглощения особенно четко выражено в кальциевых глинах, а так как многие, если не большинство, природных глин содержат кальций, верхний предел пластичности глин часто приблизительно указывает на их максимальную влагоемкость. Иначе дело обстоит в случае натриевых глин, и поэтому вытеснение натрия кальцием могло бы привести к резкому изменению их влагоемкости.

На фиг. 5-5 показана зависимость числа пластичности от верхнего предела пластичности для ряда главнейших глинистых минералов. Глины, слагаемые каким-либо минералом, различаются по гранулярному составу, составу обменных катионов и степени окристаллизованности; на фиг. 5-5 указаны возможные пределы колебаний величин пластичности для мономинеральных глин. Примеси неглинистых минералов, обычно присутствующие в большинстве природных глин и глинистых грунтах, обусловливают меньшие числа и верхние пределы пластичности, чем указанные на графике.

На этом графике можно также видеть, что верхние пределы пластичности каолинитовых, иллитовых и аттапульгитовых глин возрастают интенсивнее, чем нижние, на что указывает наклон заштрихованных полос. Такая зависимость, очевидно, не выдерживается для монтмориллонитовых глин. Заштрихованные полосы, характеризующие монтмориллониты, имеют более крутой наклон: для этих глин характер изменения нижнего и верхнего пределов пластичности почти один и тот же в противоположность каолинитовым и иллитовым глинам. Причина этого, по-видимому, заключается в способности монтмориллонита удерживать много воды в связанном состоянии и очень немного свободной, которая только и может служить смазкой.

Вышеизложенная концепция пластичности глин и глинистых грунтов, по мнению автора, хорошо объясняет сущность пределов пластичности. Это, однако, не говорит об ее универсальности. По мнению некоторых исследователей, существенное значение имеют заряды частиц, и пластические свойства можно объяснить только на основании концепций «двойного электрического слоя», принятых в коллоидной химии. Согласно этим концепциям, воде часто приписывается второстепенная роль, причем в некоторых концепциях воде отводится фактически пассивная роль, которая заключается только в разделении частиц и в воздействии посредством этого на их заряды. Считают иногда также, что фазовое состояние воды не имеет никакого значения для пластичности.

По мнению автора, можно считать установленным, что вода, адсорбированная поверхностями глинистых минералов, представлена ориентированными молекулами. Такая вода по своим физическим свойствам должна отличаться от жидкой воды. Поскольку это положение не вызывает сомнений, то можно не сомневаться, что слои ориентированных молекул воды, расположенные между частицами, могут служить связующим звеном между этими частицами; поэтому нельзя говорить о пассивности воды. При объяснении пластичности, помимо заряда частиц, должна учитываться и природа адсорбированной воды. Кроме того, учитывая природу воды, содержащейся в глинах, легко объяснить многие особенности пластичных глин и глинистых грунтов; трудно истолковать иначе, например, влияние времени на развитие пластичности и довольно постепенное изменение пластических свойств глин, содержащих натрий и литий, по сравнению с резко выраженными пределами пластичности у глин, содержащих другие катионы.