Проницаемость глинистых минералов

17.06.2018
Проницаемость (permeability) оказывает решающее влияние на многие инженерно-геологические свойства осадочных пород, например на скорость уменьшения коэффициента пористости в зависимости от возрастания вертикального давления на осадочные породы и на соотношение напряжения сдвига и скорости приложения сдвигающих усилий.

Коэффициент фильтрации k песков, состоящих из более или менее изометрических зерен, зависит в основном от эффективного размера зерен D10 и коэффициента пористости е. Поэтому коэффициент фильтрации k таких песков можно приблизительно рассчитать с помощью полуэмпирических формул, например k = 200 D10в2 e2.

Глинистые минералы, встречающиеся в природных горных породах, обычно очень тонкозернистые, вследствие чего они стремятся заполнить поровые пространства между алевритовыми, песчаными и гравийными зернами. В результате глинистые минералы уменьшают проницаемость природных материалов; особенно резко уменьшается проницаемость перемешанных глин, в которых нет трещин усадки, трещин отдельности, расслоения или зон скалывания. Если в песках содержится хотя бы несколько процентов чешуйчатой слюды, то приведенное выше уравнение в таком случае не имеет смысла. Проницаемость зависит от минерального состава, гранулярного состава, текстуры, коэффициента пористости, состава обменных катионов, характера жидкости и степени насыщения ею породы. Вследствие большого разнообразия факторов, определяющих проницаемость, коэффициент фильтрации k осадочных пород устанавливается иначе, чем для чистого песка, а зависимость между этим коэффициентом и коэффициентом пористости можно определить только экспериментальным путем. Однако некоторая зависимость существует между величиной коэффициента фильтрации и составом глинистых минералов.

Данные, приведенные, в табл. 5-8, указывают, что водопроницаемость кварцевого песка сильно понижается при добавке к нему слюды. Добавка 10% слюды настолько понижает водопроницаемость песка, что она становится почти равной водопроницаемости чистой слюды. Кроме того, судя по данным табл. 5-8, можно видеть, что замена в смесях слюды каолинитом приводит к дальнейшему уменьшению водопроницаемости, а в случае монтмориллонита водопроницаемость падает еще сильнее. Натриевые монтмориллониты сообщают песку меньшую водопроницаемость, чем кальциевый монтмориллонит; в том случае, когда песок содержит примерно больше 30% натриевого монтмориллонита, он становится практически водонепроницаемым. В любом случае максимальное понижение водопроницаемости отмечается тогда, когда глинистые минералы занимают половину или меньше половины объема смеси.

Данные табл. 5-9 показывают, что коэффициенты фильтрации для нонтронитов почти те же, что и для глиноземистых монтмориллонитов. Кроме того, эти данные свидетельствуют о том, что водопроницаемость нонтронита изменяется в зависимости от типа обменных катионов, которые по степени снижения водопроницаемости располагаются в следующем порядке: трехвалентное железо, магний, кальций, натрий, калий. Ламб и Мартин показали также, что двух- и четырехводные галлуазиты имеют такую же водопроницаемость, как и каолиниты.

Грэдуэлл и Беррелл отмечали, что аллофановые глинистые обладают довольно высокой водопроницаемостью, несмотря на исключительную тонкозернистость аллофана.

Как показал Самюэлс, водопроницаемость монтмориллонитовых глин изменяется в зависимости от состава обменных катионов, которые по степени снижения водопроницаемости располагаются в следующем порядке: торий, алюминий, кальций и натрий; а при увеличении вертикального давления примерно выше 1 т/кв. фут натриевые и кальциевые монтмориллониты становятся практически водонепроницаемыми (фиг. 5-15). Согласно тому же автору, водопроницаемость каолинитовых глин изменяется в зависимости от состава обменных катионов, которые по степени уменьшения водопроницаемости располагаются в следующем порядке: алюминий, кальций, натрий, а по мере возрастания вертикального давления водопроницаемость этих глин падает значительно медленнее, чем в случае монтмориллонитов. Образцы каолинита имеют некоторую водопроницаемость при давлении порядка 6 т/кв. фут (фиг. 5-15).

Как показали Уинтеркорн и Мурмэн, водородная, кальциевая и магниевая разновидности глинистого грунта, состоящего из иллита и монтмориллонита, имеют почти одну и ту же водопроницаемость, которая меньше водопроницаемости калиевой модификации при коэффициенте пористости меньше 1,3, тогда как при коэффициенте пористости больше 1,3 водопроницаемость магниевой разновидности интенсивно увеличивается и значительно превосходит водопроницаемость кальциевой модификации.

На фиг. 5-16 представлены диаграммы зависимости коэффициента фильтрации от коэффициента пористости, составленные Самюэлсом. Как и следовало ожидать, по мере возрастания коэффициента пористости водопроницаемость возрастает. Это увеличение небольшое в случае присутствия натрия в качестве обменного катиона (для натриевого монтмориллонита водопроницаемость практически не увеличивается).

Из практики использования буровых растворов известно, что аттапульгитовые глины обладают весьма хорошей водопроницаемостью. Коэффициенты фильтрации этих глин, вероятно, приближаются к таковым каолинитовых глин.

Куэрк и Шофилд показали, что в электролитах существует некоторая начальная концентрация, специфичная для каждого иона, ниже которой снижается проницаемость глинистых грунтов. Это вполне понятно, поскольку известно, что замещение одного иона другим не будет полным, прежде чем влияние замещающего иона не станет наиболее эффективным. Известно также, что присутствие какого-либо иона в больших количествах может оказать противоположное воздействие на физические свойства пород по сравнению с тем, которое оказывают малые концентрации того же иона.

Проницаемость каолинитовых глин может значительно понизиться при снижении размера частиц и увеличении удельной поверхности. При увеличении удельной поверхности от 30 до 240 м2/т проницаемость каолинитовой глины уменьшается в 3,5 раза.

Майкле и Лин, а позднее и Уодлич показали, что проницаемость глинистых материалов изменяется в зависимости от природы жидкости и что проницаемость сильно снижается по мере увеличения полярности жидкости.

Обсуждение


Можно полагать, что глинистые минералы вследствие очень малых размеров частиц должны вызывать уменьшение проницаемости зернистых материалов. Можно думать, кроме того, что при одинаковом размере частиц частицы чешуйчатые сильнее снижают проницаемость, чем частицы удлиненной, волокнистой или угловатой формы. Так, аттапульгитовые глины имеют большую проницаемость, чем монтмориллонитовые; галлуазитовые глины более проницаемы, чем каолинитовые, а аллофановые глины, сложенные частицами угловатой формы, относительно проницаемы даже тогда, когда они очень тонкозернистые. Можно полагать, что слабо упорядоченный каолинит имеет меньшую проницаемость, чем хорошо окристаллизованные его разности, вследствие их более легкого расщепления на очень мелкие частицы, что обычно свойственно плохо окристаллизованным минералам.

Изменения проницаемости, вызванные колебаниями состава обменных катионов, можно отчасти объяснить диспергирующим воздействием этих катионов. В тех случаях, когда в качестве обменного катиона присутствует натрий, уменьшение проницаемости пород частично обусловлено диспергирующим воздействием этого катиона, что приводит к уменьшению размера частиц глинистых минералов.

Предполагается, что обменные катионы, помимо диспергирующего воздействия, оказывают влияние на проницаемость пород, регулируя природу и мощность пленок воды, адсорбированной на поверхностях глинистых минералов. Мощные слои воды, адсорбированные на поверхностях чешуек монтмориллонита, насыщенного натрием, препятствуют фильтрации воды по двум причинам: 1) вследствие уменьшения диаметра нор и 2) вследствие того, что затруднено движение жидкой воды вдоль поверхности слоя слабо ориентированных молекул воды, которые, вероятно, располагаются в самых внешних слоях адсорбированной воды.

Майкле и Лин считали, что понижение проницаемости по мере увеличения полярности молекул жидкости можно объяснить только диспергирующим влиянием. Известно, что полярные жидкости обладают тенденцией к адсорбции на поверхностях частиц глинистых минералов. Любая такая адсорбция неизбежно приведет к уменьшению размера пор, что в свою очередь вызовет понижение проницаемости.

Следует указать, что из-за исключительно низкой проницаемости монтмориллонитовые глины, особенно натриевые, имеют большое значение в строительстве в качестве добавок в тело плотины и др., когда необходимо сделать их как можно менее проницаемыми. Значительно большая проницаемость натриевых монтмориллонитов по сравнению с кальциевыми разновидностями позволяет строителю добиться повышения водонепроницаемости монтмориллонитовых грунтов при помощи обработки их соответствующими обменными катионами. Такая обработка грунтов была проведена при сооружении водоема на острове Трежер у Сан-Франциско.