Фазовый состав нескальных грунтов (минеральный скелет, вода, газы)

Грунт это 3х фазная система.

От соотношения этих фаз и зависят характеристики грунтов.

Грунт – это горные породы различного состава, слагающие верхнюю часть земли и затронутые строительной деятельностью человека.

Грунт может выступать в качестве строительных материалов и в качестве оснований зданий и сооружений. В процессе выветривания в грунтах происходит накопление всё более мелких частиц, и они начинают приобретать свойства дисперсных систем. Дисперсная система состоит из двух или более веществ распределённых в одно в другое.

Дисперсность – степень раздробленности, чем мельче частицы грунта, тем больше дисперсность этого грунта.

По степени дисперсности:

· Грубодисперсные

· Тонкодисперсные

· Коллоидные грунты

Коллоиды – тела, размер которых превышает размер молекул, но не меньше частиц способных осаждаться в воде под действием силы тяжести. Обычно размеры коллоидов меньше 0,2 мкм.

Грунт представляет собой многофазную дисперсную систему. Основные элементы грунта – твёрдые частицы, газ, вода.

Твердые частицы обычно представлены минеральными зёрнами, различными по составу и размеру, реже – разложившимися горными остатками. Размер твёрдых частиц колеблется от нескольких (см) до частиц коллоидного порядка.

Основной характеристикой твёрдых частиц является минеральный состав. Основные минералы в грунтах – полевые шпаты, слюда, кварц, глинистые минералы:

1. Встречаются в виде очень мелких кристаллов.

2. Обладают поглотительной или обменной способностью.

3. Кристаллы имеют пластинчатую форму.

4. В составе минералов есть связная вода.

Основные глинистые минералы – коалинит. Относительно стойкий, небольшая набухаемость, малая обменная способность.

Монтмориллонит – высокая дисперсность, размеры не превышают 1мкм, большая пластичность, способность в 10-20 раз увеличиваться в объёме в результате увлажнения.

Наличие в грунтах монтмориллонита в больших количествах отрицательно сказывается на несущих характеристиках грунта при увлажнении.

Гидрослюды – отличаются изменчивостью химического состава, занимают промежуточное значение между каолинитом и монтмориллонитом.

Состав органической части грунтов представлен торфом и гумусом. Торф представляет собой грубую полуразложившуюся массу растительных остатков, в которых можно различить исходный материал.

Наличие органических веществ придаёт грунту чрезмерную влагоёмкость и пластичность.

Жидкая фаза представлена различными формами воды (жидкая, пар, лёд) с растворимыми в ней вещёствами.

Газообразные части – воздух, заполняющий поры грунта и отличающийсяпо составу от атмосферного.

Системы фазового состояния грунтов:

1. Водонасыщенный грунт (поры целиком заполнены водой)

1) Частицы грунта

2) Плёнки связанной воды

3) Свободная вода

В водонасыщенном состоянии находятся грунты расположенные ниже уровня грунтовых вод (это двухфазная система)

2. Водонасыщенный грунт включающий пузырьки газа.

4) Пузырьки газа

Поведение этих грунтов мало отличается от водонасыщенных, однако из-за содержания газа сжимаемость выше, чем водонасыщенность.

3. Твёрдая фаза, распределённая в водно-воздушной среде.

4. Твёрдая фаза, распределённая в газообразной среде

Вода отсутствует. В виду того что газ в таких грунтах не влияет на поведение грунта под нагрузкой, грунт рассматривается как однофазная система

Вода в порах грунтов.

Свойства грунта, которые определяются наличием в их составе воды:

- просадка лессовых грунтов при замачивании под нагрузкой;

- развитие сил морозного пучения в грунтах при замерзании;

- миграция влаги, переувлажнение и просадка мёрзлых грунтов при оттаивании под нагрузкой;

- тиксотропность глинистых грунтов – разжижение под действием динамической нагрузки;

- изменение плотности водонасыщенного грунта в результате взвешивающего действия воды;

- электроосмос или снижение количества связанной воды в результате воздействия электрического поля;

- снижение механических характеристик грунтов в результате повышения консистенции;

- набухание и усадка.

Виды поровой воды.

Вода в форме пара.

Водяной пар является одной из составных частей грунтовой атмосферы. Количество водяного пара в приземном слое воздуха весьма изменчиво и обычно колеблется от десятых долей до нескольких процентов. Содержание пара в грунтовой атмосфере несколько выше. Однако общее количество водяного пара в грунте не превышает 0,001% от всего веса грунта. Несмотря на это, вода в форме пара играет большую роль в процессах, протекающих в грунтах, так как она, во-первых, является единственной формой воды, которая способна передвигаться в грунте при незначительной его влажности, и, во-вторых, потому, что путем конденсации пара на поверхности грунтовых частиц образуются другие виды воды.

Передвижение водяного пара возможно как со всей массой газообразной компоненты, так и независимо от ее движения под влиянием разности упругости паров в различных слоях грунта. В последнем случае движение будет проходить от слоя с большей упругостью к слою с меньшей упругостью. В большинстве случаев газообразная компонента в грунте полностью насыщена водяными парами; относительная влажность ее тогда равна 100%. Если пары воды находятся в состоянии насыщения, т. е. имеют максимальную упругость при данной температуре, то передвижение их определяется только величиной температуры и будет направлено от слоя с более высокой к слою с более низкой температурой.

Парообразная вода в грунте находится в постоянном динамическом равновесии с другими видами воды (в частности, с гигроскопической водой) и с парами воды в атмосфере. При определенных условиях парообразная вода конденсируется.

Конденсация паров воды может происходить под влиянием падения температуры — термическая конденсация, и в силу молекулярного взаимодействия паров воды с грунтовыми частицами — молекулярная конденсация. В том случае, когда молекулы парообразной воды адсорбируются на поверхности грунтовых частиц, образуется гигроскопическая вода.

Вода в твердом состоянии.

Гравитационная вода является источником других видов воды в грунте; ее химический состав сказывается на составе этих видов. При температуре грунта ниже O°C гравитационная вода замерзает и содержится в грунте в виде льда. Лед может содержаться в грунте в виде отдельных кристаллов или в виде прослоев чистого льда, достигающих местами значительной мощности. Кристаллы льда в большинстве случаев играют роль цемента, скрепляющего минеральные частицы друг с другом. Благодаря присутствию льда резко изменяются свойства грунта.

Свойства мерзлых рыхлых пород очень чувствительны к изменению температуры, особенно при переходе ее через нуль градусов, так как при этом резко изменяется содержание незамерзшей воды. Изменение количества незамерзшей воды влияет на большую часть физических и химических свойств дисперсных мерзлых грунтов.

При промерзании дисперсных и особенно глинистых пород происходит миграция влаги и льдовыделение, которые резко изменяют строение грунтов, что также влияет на их физические и механические свойства. Следует иметь в виду, что повторные замерзания и оттаивания дисперсных пород могут приводить к необратимым изменениям структуры (и в том числе дисперсности) и их свойств (увеличивается количество свободной воды, возрастает фильтрационная способность, изменяется прочность, электрические свойства и т. д.).

Влажные песчаные грунты при промерзании резко изменяют свои свойства даже при близких к нулю отрицательных температурах; глинистые же грунты при замерзании изменяют свои свойства более монотонно и плавно и в более значительном диапазоне отрицательных температур. Неразрушенные скальные породы при промерзании изменяют свои физические и механические свойства в наименьшей мере. Изучением свойств мерзлых грунтов занимается мерзлотоведение.

Кристаллизационная вода и химически связанная вода.

Кристаллизационная вода и химически связанная (конституционная) вода принимают участие в строении кристаллических решеток различных минералов. Кристаллизационная вода входит в состав минералов типа CaSO4•2H2O (гипс). Кристаллизационная вода, участвуя в построении кристаллической решетки минералов, сохраняет свою молекулярную форму. Химически связанная вода входит в гидраты типа гидроокисей Ca(OH)2. Молекулы ее в результате химической реакции распадаются на ионы H+ и ОН-. Химически связанная вода не сохраняет своего молекулярного единства.

Химически связанная вода по сравнению с кристаллизационной водой более прочно связана с другими молекулами кристаллических решеток. Удаление из минералов химически связанной воды возможно только путем их -нагревания при высокой температуре, превышающей 200°С. Кристаллизационная вода может быть выделена из минералов при более низких температурах. Значительное количество кристаллизационной воды, содержащейся в гипсе (16% из общего содержания ее в гипсе — 20,93%), выделяется уже после 32-часового нагревания при температуре 82°C. Удаление кристаллизационной воды из минералов заметно отражается на многих их химических и физических свойствах. Выделение химически связанной воды из минералов приводит к их распаду.

Поиск по сайту: