20.07.2018
В ходе возведения частного жилого здания и разработке интерьера, необходимо принимать во внимание все требования, которые...


20.07.2018
Биметаллическими радиаторами называют батареи, созданные из нескольких сплавов: стального и алюминиевого. Сталь применяют с целью...


19.07.2018
Гибка металла, в особенности, листового, считается технологичной процедурой, в ходе которой из прокатного листа можно получить ту...


18.07.2018
Металлические изделия самой разной функциональности для краткости называются метизы. Группа охватывает широчайший ассортимент,...


18.07.2018
Сегодня на рынке выбор покрытий для пола является попросту колоссальным, среди самых востребованных вариантов следует отметить...


17.07.2018
Инверсионная крыша является «кровлей наоборот». Если говорить простыми словами, то основным её отличием, сравнивая со стандартной...



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.