Поглощение воды и набухание глин

17.06.2018
На фиг. 5-2—5-4 представлены кривые скорости поглощения воды для ряда неуплотненных воздушносухих мономинеральных глин в образцах с размером частиц меньше 200 меш. Согласно этим данным, монтмориллонит имеет очень высокую емкость поглощения воды, причем сначала поглощение происходит медленно, а по прошествии примерно 10 мин скорость поглощения сильно увеличивается. Вначале медленное поглощение воды, вероятно, обусловлено низкой проницаемостью этой глины. Другие глинистые минералы по степени увеличения емкости адсорбции воды располагаются в следующем порядке: аттапульгит, кальциевый монтмориллонит, плохо упорядоченный иллит, плохо упорядоченный каолинит, упорядоченный каолинит и упорядоченный иллит. Емкость поглощения галлуазитов колеблется в тех же пределах, что и у каолинитов. На основании приведенных данных можно судить о том, что эти глины в течение первых немногих минут быстро поглощают воду, а затем — очень медленно, если происходит вообще дальнейшее поглощение. Чем больше поглощенной воды содержат глинистые минералы, тем с меньшей скоростью идет дальнейшее поглощение.

Миленц и Кинг указывали на то, что поглощение воды глинами приводит к их вспучиванию или разбуханию и что интенсивность набухания колеблется в зависимости от состава и количества глинистых минералов, состава обменных катионов глинистых минералов, содержания электролитов в воде, размера пор и структуры порового пространства, структуры минералов, содержания воды, вертикального давления и, возможно, от других факторов.

На фиг. 5-19 приведены результаты изучения смесей вайомингского бентонита (натриевого монтмориллонита), каолинита и песка, которые указывают на большую способность натриевого монтмориллонита к набуханию. При вертикальном давлении 1 фунт/кв. дюйм величина набухания образца натриевого монтмориллонита, заключенного в стакане, составила 66% после 33-дневного насыщения водой, и при окончании эксперимента набухание, очевидно, еще продолжалось. Набухание смеси, состоящей из 25% натриевого монтмориллонита и 75% песка, в тех же условиях составило 24%. Набухание смеси, состоящей из 25% монтмориллонита, 25% каолинита и 50% мелкозернистого песка, за тот же период дало 33,5%. Интенсивность набухания этой смеси выше, чем первой смеси, вследствие ее более плотного сложения, что привело к большей эффективности набухания монтмориллонитовой составляющей. Подобная картина наблюдается и для смесей, содержащих по 10% бентонита.

В табл. 5-10 показаны величины свободного набухания различных глинистых минералов. По уменьшению интенсивности набухания эти глинистые минералы располагаются в следующем порядке: монтмориллонит, иллит, галлуазит, каолинит. Миленц и Кинг отмечают, что интенсивность набухания монтмориллонитовых глин уменьшается, если натрий замещается другими одновалентными ионами или двух- и трехвалентными ионами. Бейвер и Уинтеркорн наблюдали, что интенсивность набухания вайомингского бентонита (натриевого монтмориллонита) снижается, если натрий замещается литием, калием, кальцием, магнием и водородом (указаны в порядке снижения). Эти же исследователи отмечали, что интенсивность набухания глинистого грунта, представленного смесью иллита и монтмориллонита, изменяется в зависимости от состава обменных катионов, которые по уменьшению степени набухания этого грунта располагаются в следующем порядке: литий, натрий, кальций, барий, водород, калий. Миленц и Кинг сообщают, что интенсивность набухания натриевого монтмориллонита в различных жидкостях обычно возрастает по мере увеличения диэлектрической постоянной жидкости.

Хендрикс, Нельсон и Александер показали, что монтмориллониты, насыщенные различными обменными катионами, различаются по интенсивности набухания отчасти в зависимости от относительной влажности, при которой они подвергаются набуханию. При относительной влажности 5% обменные катионы в порядке уменьшения степени набухания располагаются следующим образом: магний, кальций, литий, стронций, барий, водород, натрий, цезий и калий, а при относительной влажности 40% — кальций, стронций, магний, водород, литий, барий, натрий, калий и цезий. При относительной влажности 90% расположение катионов по степени уменьшения набухания следующее: кальций, водород, литий, стронций, барий, натрий, калий и цезий. Эти данные указывают на то, что магниевые, кальциевые, литиевые, стронциевые и бариевые монтмориллониты жадно поглощают воду при очень низкой относительной влажности. Однако из этих данных не видно, чтобы при избытке воды литиевые и натриевые монтмориллониты набухали сильнее, чем монтмориллониты, насыщенные другими обменными катионами (см. фиг. 5-2).

Изменение объема при увлажнении землистых материалов при одном и том же минеральном составе в значительной мере зависит от их первоначальной плотности (причем по мере уменьшения первоначальной плотности степень набухания уменьшается) и от текстурных и структурных особенностей. Например, в опытах Миленца и Кинга изменение объема монтмориллонитового грунта при насыщении сухого образца водой колебалось от 2 до 21,6% при изменении объемного веса сухого грунта от 74,1 до 96,5 фунт/куб. фут. Давление набухания при сохранении постоянного объема в этих же образцах колебалось от 5,1 до 146,6 фунт/кв. дюйм. Эти же исследователи отмечают, что если разбухающая глина подвергается первоначально большому вертикальному давлению, то возникает громадное давление набухания. Они показали, что в натриевом монтмориллоните давление набухания достигает величины 540 фунт/кв. дюйм, если первоначально глина была уплотнена под давлением 5000 фунт/кв. дюйм, а затем увлажнялась по прошествии некоторого времени после снятия нагрузки, в течение которого происходила релаксация образца. При первоначальном давлении 3000 фунтов, дюйм вместо 5000 развивалось меньшее давление набухания. Результаты опытов по уплотнению глин и глинистых сланцев с ненарушенной текстурой, содержащих иллитовые или монтмориллонитовые минералы в глинистых фракциях, свидетельствуют о том, что потенциальное давление таких пород, развиваемое при их гидратации, достигает 15 т/кв. фут. Доусон сообщил, что давление набухания, развиваемое бентонитовыми глинами в замкнутых камерах, достигает 15 т/кв. фут, составляя обычно 1—6 т/кв. фут. Этот же исследователь показал, что давление набухания сильно понижается, если бентониты сначала в течение небольшого периода времени свободно набухают; следовательно, именно начальное поглощение воды приводит к возникновению очень высокого давления набухания. Холц и Гибс отмечают, что давление набухания значительно уменьшается после слабого разбухания глин и глинистых сланцев и что, кроме того, набухание сильно сокращается даже при очень слабом увеличении вертикального давления.

Большие исследования, проведенные инженерным корпусом дивизии Миссури-Ривер армии США, показали, что способность к набуханию глин с высокой емкостью катионного обмена резко меняется при изменении химического состава просачивающихся вод. Согласно Голдбергу и Клайну, давление набухания натриевого монтмориллонита при добавке к нему 8% гидроокиси кальция уменьшается с 9 до 5 фунт/кв. дюйм, а давление набухания монтмориллонитового и иллитового грунта при добавке к нему того же вещества уменьшается от 7 до 1,5 фунт/кв. дюйм.

Обсуждение


Согласно Миленцу и Кингу, набухание глинистых пород обусловлено двумя причинами: 1) релаксацией эффективного сжимающего напряжения вследствие увеличения капиллярных пленок и 2) осмотическим поглощением воды глинистыми минералами с разбухающей кристаллической решеткой. Высокая способность монтмориллонитовых глин к набуханию обусловлены тем, что в монтмориллонитах вода адсорбируется между отдельными силикатными слоями. Натриевый монтмориллонит вследствие своей способности к адсорбции очень мощных слоев воды на всех силикатных слоях обладает, видимо, наибольшей способностью к набуханию, что действительно имеет место.

Согласно Терцаги, уплотненные глины с большим числом пластичности при поглощении воды иногда вспучиваются. Во многих случаях это обусловлено набуханием монтмориллонита, содержание воды в котором уже сильно снизилось в результате уплотнения осадков. Однако, по-видимому, вспучивание отмечается и в таких глинистых грунтах, которые не содержат разбухающих глинистых минералов. Такие глинистые грунты обычно сложены почти нацело иллитом и хлоритом с очень небольшой примесью неглинистых минералов. Очевидно, текстура этих грунтов может быть такова, что она не становится равновесной при уплотнении под давлением, в результате грунты, после того как снимается давление и вода начинает свободно поступать в них, вспучиваются. Эта добавочная вода не приводит к разбуханию решетки глинистых минералов, однако, вероятно, она служит смазкой между частицами и может ослабить напряжения. Такие разбухающие уплотненные почвы заслуживают детального изучения.