CC BY
60
УДК 631.48: 631.434
ОПРЕДЕЛЯЮЩАЯ РОЛЬ ПРОЦЕССОВ КОНТАКТООБРАЗОВАНИЯ В ФОРМИРОВАНИИ СВОЙСТВ УКРЕПЛЕННЫХ ГРУНТОВ
Е.А. Фоменко, мл. науч. сотр., А.Г. Ольгинский, профессор, д.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Определено, что в результате одинакового отрицательного поверхностного заряда контактирующих минералов грунта и гидратов неорганических вяжущих, укрепление грунта является малоэффективным. Была рассмотрена эффективность укрепления грунтов посредством предварительного физико-химического управления процессами контактообразования, основанное на использовании разбавленных растворов электролитов для предварительной активации грунтов.
Ключевые слова: электроповерхностные свойства грунтов, знак электрического заряда, физико-химическое управление, растворы электролитов.
Введение
Физико-механические свойства и долговечность нижнего конструктивного слоя дорожной одежды в виде укрепленного грунта являются определяющими для эксплуатационной надежности земляного полотна и дорожного покрытия в целом. Эти свойства зависят от структуры укрепленного грунта и, главным образом, грунтовой зоны контакта (ГЗК). Процессы смачивания и адсорбции являются первичными при формировании адгезионных контактов и ГЗК, между минеральными составляющими грунта (МСГ) и гидратами, образующимися при использовании портландцемента, извести и извести с золой или шлаками. Они зависят от адсорбционных и электроповерхностных свойств МСГ и вяжущего, обусловливающих особенности ГЗК и структуры укрепленного грунта.
Анализ публикаций
Расщепление связей = Si - О - Si = кварца или силикатов в процессе образования МСГ и дальнейших механических воздействий на грунт (механическая активация) сопровождается гидроксилированием минеральной поверхности, адорбцией потенциало-определяющих ионов Н+ и ОН-. Катионы, поступающие в грунт с жидкой фазой при укреплении грунтов минеральными вяжущими, участвуют в ионном обмене с протонами Н+. Кроме того, они способны компенсировать отрицательный заряд минеральной поверхности (рис. 1).
Участвующие в контактообразовании цементных материалов - укрепленных грунтов и бетонов, твердые частицы гетерогенных систем характеризуются различающимися на несколько порядков величинами удельной поверхности. По отношению к жидкой
фазе минералы грунта ведут себя по разному, обусловливая протекание конкурирующих процессов адсорбции, капиллярного впитывания и «поверхностного осмоса». Наши данные о кинетике связывания гидроксида кальция подтверждают этот вывод [1].
— 81 — ОН — 81 ^
I I \
0 + Са2+ ^ О Са 2+ + 2ОН"
1 I /
— 81 — ОН — 81 /
Рис. 1. Взаимодействие кварца (силикатов) с Са(ОН)2 в жидкой фазе при укреплении грунтов минеральными вяжущими
Основные минералы грунта проявляют максимальную адсорбционную способность в первые 4-8 суток. В первую группу входят глинистые минералы (каолинит (кривая 4, рис. 2), во вторую - полевые шпаты (микроклин (кривая 3, рис. 2) в третью -кварц и кальцит (кривые 1, 2 рис. 2). Пылеватые частицы из этих минеральных образований активно адсорбируют гидроксид кальция до 5 суток, после чего процесс плавно затухает. Величина поглощения в возрасте 28 суток составляет соответственно 14; 12; 8 мг/г.
Ко второй группе можно отнести также полускальные грунты - песчаник глинистый и известняк. Первый характеризуется глинистым природным цементом, второй - пелитоморфной структурой с примесью глинистых минералов. Их пы-леватые частицы достаточно активно адсорбируют до 14 суток, а уже к 25 суткам они поглощают до 17 - 18,5 мг/г гидроксида кальция, т.е. больше, чем минеральная пыль минералов первой группы.
Рис. 2. Кинетика связывания гидрата окиси кальция дисперсными минералами: 1 - кварц, 2 - кальцит, 3 - микроклин, 4 - каолинит
Цель и постановка задачи
Глинистые минералы в порядке увеличения адсорбционной способности располагаются в группу: слюды - каолинит - гидрослюда - монтмориллонит. Этот факт следует учитывать поскольку для грунтов отдельных областей Украины типичны мономинеральные глины, диминеральные, а также пестрые, состоящие из гидрослюды, каолинита и сильнонабухающих минералов монтмо-риллонитовой группы.
В не меньшей степени, чем адсорбция, ответственна за характер процессов контактообразова-ния в укрепленном грунте, электрическая природа поверхности минералов грунта и гидратов, которая зависит от их кристаллической природы и проявляется в жидкой фазе неорганических вяжущих.
Роль процессов контактообразования в формировании свойств укрепленных грунтов
Согласно [2] для основного минерала песчаных грунтов - кварца - характерно присутствие на поверхности гидроксильных групп и адсорбированной воды. При контакте с водой происходит частичная диссоциация гидроксильных групп с потерей водорода и приобретением отрицательного заряда за счет легкого разрушения связей ОН с энергией разрыва 4,35 эВ по сравнению с Si-O (7,20 эВ).
Диссоциация гидроксильных групп на поверхности полевых шпатов при контакте с водой обусловит приобретение поверхностью отрицательного заряда. Появление отрицательного заряда также объясняется уменьшением степени кова-лентности и прочности связи с кремне- и алюмокислородными тетраэдрами (согласно зависимости электроотрицательности элементов и степени ковалентности [3]) в полевых шпатах в направлении Са^а-К-вые типы.
В зависимости от степени сочленения октатетраэд-рических сеток, минералы группы слюд (мусковит, биотит, флогопит, серицит) могут различаться по знаку поверхностного заряда. Так, например, фло-
гопит и биотит проявляют положительный заряд в зависимости от степени компенсации отрицательного заряда тетраэдрических сеток. В резуль-
Л 13+ Л К 2+ Т"1 3+
тате замещения А1 на Mg и ге октаэдриче-ские сетки мусковита несут избыточный отрицательный заряд, который суммируется с таким же по знаку зарядом тетраэдрической сетки.
В большой степени генетические условия образования слюд имеют существенное значение в формировании дзета-потенциала, как, например, в зависимости от восстановительных или окислительных условий электрокинетический потенциал серицита и флогопита колеблется от отрицательных до положительных значений [2], что объясняется степенью компенсации зарядов в пакетах, катионами щелочных и щелочноземельных металлов, нейтрализующих в слюдах отрицательно заряженные тетраэдрические слои. Легко представить, что при выветривании («выщелачивании») в грунтах, мигрирующие катионы обогащают поверхностные зоны слюд, изменяя знак заряда на положительный.
Глинистые минералы - каолинит (галлуазит, диккит), монтмориллонит (бейделит, нонтронит), гидрослюды (гидробиотит, гидромусковит, глауконит) относятся к силикатам, основу которых составляют тетраэдрическая кремнекислородная и октаэдрическая А1 + или Mg2+- О6+- ОН- сетки. В них, подобно слюдам, катионы Mg2+, Ге3+, А13+ не полностью справляются со своей ролью компенсаторов. Обменные катионы №+ и Са2+ также не устраняют дисбаланс и не могут изменить отрицательный заряд. С широко развитым у глинистых минералов изоморфизмом связан ряд вторичных особенностей их состава, строения и электрокинетического потенциала. В результате нестехиометрического замещения катионов происходит нарушение кристаллической структуры с появлением избыточного отрицательного заряда, по величине которого глинистые минералы располагаются так: каолинит < монтмориллонит < гидрослюда [4]. Только на боковых сколах глин наблюдается положительный заряд [2].
Оценка прочности связи Ге3+- О6+ в гидроксидах железа (гетит, лепидокрокит) и А13+- О6+ в гидроксидах алюминия (диаспор, бемит) производилась на основании зависимости степени ковалентной связи от величины разности электроотрицательности элементов. Причем, с увеличением степени ковалентности возрастает прочность связи [3]. С учетом этого, кова-лентность связи Ге3+ - О6+ и А13+- О6+ составляет 44,7 и 40,7 %, соответственно в то время как в гидрок-сильной группе - 66,05 %. Следовательно, прочность связи в первых случаях в 1,5 раза больше, чем прочность связи в гидроксильной группе, что свидетельствует о большой возможности проявления положительного заряда у рассмотренных гидрокси-дов. Следует отметить, что гидроксид железа (лимонит) и гидроксид алюминия (гидраргиллит) характеризуются недостаточной компенсацией отрицательного заряда катионами, поэтому их поверхность будет обладать отрицательным зарядом.
Гуматы, присутствующие в гумусированных грунтах, по данным Н.Н. Круглицкого с коллегами [5], диссоциируя в водной среде, характеризуются отрицательным дзета-потенциалом из-за наличия обменных катионов в наружном слое.
Исследования ряда авторов природного карбоната кальция (кальцита) различного генезиса из нескольких месторождений показали [2], что при нейтральных значениях рН его дзета-потенциал находится в пределах 5 - 49,0 мВ, а по мере роста количества минеральных примесей кварца (до 60 %) эти величины уменьшаются вплоть до отрицательных значений (-1,97 мВ).
Таблица 1 Знак электрического заряда поверхности некоторых веществ
№№ Знак заряда минералов различной природы
п/п отрицательный положительный
Минералы грунта
1 кварц -
2 глинистые минералы глинистые минералы (боковые сколы)
3 гуматы -
4 полевые шпаты -
5 слюды (мусковит) мусковит выветре-лый
6 биотит, флогопит, серицит (восстановительные условия, рН = 7,5) биотит, флогопит, серицит (окислительные условия, рН = 6,0)
7 кальцит с кварцем > 50 % и глиной кальцит
8 гидроксид Fe (лимонит) гидроксиды Fe (ге-тит, лепидокрокит)
9 гидроксид Al (гид-раргиллит) гидроксиды Al (диаспор, бемит)
Минеральные добавки
10 минералы шлаков и зол -
Гидраты неорганического вяжущего
11 гидросиликаты кальция -
12 - гидроалюминатные фазы кальция
13 - гидроксид кальция
Вывод
Из минеральных добавок, используемых для укрепления грунтов, наиболее распространены шлаки и золы. Известно, что шлаковые стекла обладают отрицательным знаком заряда поверхности [2].
Для гидратов цементного камня суммарный знак и величина заряда определяются интегральным распределением электрических зарядов поверхности клинкерных реликтов и гидратов. Они зависят от минерального состава вяжущего, химизма воды затворения, условий и продолжительности гидратации.
На стадии формирования коагуляционной структуры гидратированного цемента, преобладающее количество гидроалюминатов и гидросуль-
фоалюминатов кальция обусловливает образование суммарного положительного заряда гидратов. Дальнейшее увеличение количества гидросиликатов кальция на стадии образования кристаллизационной структуры способствует уменьшению заряда, с последующим изменением на отрицательный, что подтверждено многочисленными исследованиями [2].
Легко диссоциирующая в жидкой фазе гашеная известь (гидроксид кальция), благодаря Са2 + будет иметь положительный заряд, что обеспечит взаимодействие Са(ОН)2 с минералами грунта.
Таким образом, основные минералы грунта и минеральные примеси характеризуются преобладающим отрицательным знаком заряда (табл. 1). Тоже относится к минеральным добавкам, обеспечивающим прочность ГЗК и гидратам, укрепленных цементом грунтов. При использовании гашеной извести с золой или шлаками, а также гашеной извести, применяемой для укрепления песчаников и песков с активным кремниземом, образуются гидросиликаты кальция. Поэтому, из-за одинакового отрицательного заряда поверхности минералов грунта и гидратов не достигается полностью реализованного укрепления грунтов неорганическими «клеями». В данном случае наиболее эффективным следует считать управляемое контактообразование [2], основанное на использовании растворов электролитов для предварительной активации грунтов, предшествующей укреплению.
Литература
1. Душина А.Г., Алесковский В.Б. Ионный обмен
как первая стадия превращения твердых веществ в растворах электролитов // Журн. прикл. химии. - 1976, Т. - 49. - № 1. - С. 41.
2. Ольгинский А.Г. Оценка и регулирование стру-
ктуры зоны контакта цементного камня с минеральными заполнителями. Дисс... докт. техн. наук. - Харьков, 1994. - 397 с.
3. Поваренных А.С. Кристаллохимическая клас-
сификация минеральных видов. - К.: Наукова думка, 1966. - 547 с.
4. Теоретические основы инженерной геологии.
Физико-химические основы / Под ред. Е.М. Сергеева. - М.: Недра, 1985. - 288 с.
5. Электрокинетические характеристики гумино-
вых веществ / Н.Н. Круглицкий, В.Ю. Тре-тинник, А.С. Новаторов и др. // Украинский химич. журнал - 1972, Т. 38. - № 11. -С. 1130 - 1132.
Рецензент: В.В. Филиппов, профессор, д.т.н., ХНАДУ
Статья поступила в редакцию 2 августа 2006 г.
