Основные химические и физико-химические св-ва грунтов

Направление обратимой химической реакции в грунте, протекающей при постоянном давлении, определяется знаком изобарного потенциала: если его величина отрицательна, то возможна самопроизвольная реакция, если положительна, то возможна обратная реакция, если она =0 –в грунте химич равновесие.

Растворимость грунтов – способность образовывать с другими вещ-вами растворы(гомогенные смеси переменного состава. Характеризуется концентрацией насыщенного растворов, произведением растворимости. Растворяющая способность растворителя возрастает с увеличением диэлектрической проницаемости СО₂. Растворимость минералов зависит от Т и Р(увеличение показателей приводит к увеличению растворимости).

Химическая поглотительная способность грунтов – образование в них труднорастворимых соединений в результате химического взаимодействия между твердой, жидкой и газовой фазами. Осуществляется в грунтах несколькими путями: 1. Образование труднорастворимых соединений в результате прямых хим.реакций. 2. За счет реакций ионного обмена, 3. За счет хемосорбации.

Кислотно-основные свойства грунтов – свойство грунта, обусловленное его хим.составом, активностью и распределением ионов Н⁺.

Актуальная кислотность - свободные ионы Н⁺ порового раствора грунта, находящиеся в равновесии с другими ионами. Потенциальная кислотность - ионы Н⁺, находящиеся в его поглощающем комплексе, могут замещаться металлами. Общая щелочность – показатель щелочности грунта, выявляющий общее кол-во основных компонентов рН зависит от: климата, техногенного воздействия,состава обменных катионов, химико-минерального состава, содержания солей, от минеральных грунтовых вод. Химическая агрессивность грунтов зависит от состава жидкого компонента, состава растворимых солей и их концентраций: к бетонам, к металлам.

Виды хим. Агрессивности водных растворов к бетону: выщелачивающая, магнезиальная, общекислотная, сульфатная, углекислотная.

Адсорбция – концентрирование в-ва из объема фаз на поверхности раздела между ними. Физическая адсорбция – результат проявления дисперсных сил и электростатических взаимодействий.

Хемосорбция –адсорбат вступает в хим. Реакцию с адсорбентом.

Теории адсорбции: нелокализованная(возможно перемещение адсорбата по поверхности адсорбции) и локализованная адсобция характеризуется изотермой адсорбции(график зависимости кол-ва адсорбата на тверд.теле от концентрации этого в-ва в объемной фазе)

Ионная – обменные св-ва – процесс поглощения поверхностным слоем грунта ионов из порового электролита оценивается величиной ёмкости обмена грунта. Ионные обмен – самороизвольный обратисый процесс, протекающий до установления в системе равновесия и подчиняющийся закону действующих масс.

Основные факторы ионного обмена: химико-минеральный состав грунта, его дисперсность, концентрация ионов в поровом растворе и их тип рН раствора и др.

Адгезия – прилипание жидкости или твердых частиц к разнородным твердым поверхностям. Когезия – взаимодействие молекул внутри одного тела. Аутогезия – слипание друг с другом твердых частиц одинакового состава в воздушной или жидкой среде.

Липкость грунтов – способность прилипать к внешним разнородным предметам, взаимодействующим с данным грунтом(характерно для влажных высокодисперсных грунтов) Причинами адгезии частиц грунта могут быть те же силы, которые ответственны за структурообразование грунтов.

Кольмация грунта – процесс заполнения его пустот более мелкими частицами, проходящими сквозь грунт с фильтрующимся раствором. Липкость обусловлена взаимодействием твердой компоненты грунта с внешним предметом через пленку связанной воды и воды переходного состояния. Характеризуется 3мя показателями: влажность начального прилипания, влажность максимального прилипания и максимальная липкость.

Параметры липкости грунтов зависят от внутренних факторов: химико-минеральный состав, дисперсность, сложение, влажность грунта, состав обменных катионов, состав и концентрация порового раствора.

Липкость грунтов зависит от таких внешних факторов: давление на штамп, время действия давления, температура и др.

Диффузионные св-ва. Диффузия – самопроизвольный процесс выравнивания концентрации одного в-ва в объёме другого под влиянием теплового движения атомов или молекул или более крупных частиц. Закономерности: 1. При понижении влажности замедляется диффузия растворов солей в грунтах. 2. Соли не диффундируют в почвах, если их влажность ниже максимальной гигроскопичности. 3. Катионы и анионы разных солей имеют различную скорость диффузии. 4) Пр совместной диффузии, различные ионы солей могут ускорять или замедлять скорость процесса. 5. Диффузия осложняется адсорбцией и перемещением влаги.

Осмотические св-ва: Осмос – движение растворителя через полупроницаемую перегородку, причиной которого является наличие градиента концентрации.

 

Растворимость грунтов

Растворимостью грунтов называется их способность образовывать с другими веществами растворы, т.е. гомогенные смеси переменного состава. Растворение рассматривается как комплексный процесс химической и физической природы1 *, который в современной физической химии описывается в рамках теории растворов. Растворимость минералов в жидкостях при бесконечно большом разбавлении описывается законом Генри и условиями фазового равновесия.

Количественно растворимость характеризуется максимальным количеством грунта (или минерала), способным растворяться в данном растворителе при определенных Р и Т, т.е. концентрацией насыщенного, или равновесного, раствора, измеряемой, например, в мг/л, в молярной (кмоль/м3) или моляль- ной (кмоль/1000 кг) формах.

Грунт является многокомпонентной системой, то его растворимость в целом определяется растворимостью отдельных компонентов: твердых, газообразных и жидких. Растворы могут быть жидкими, газовыми и твердыми, при этом, если термин «раствор» не уточняется, то имеется в виду жидкий раствор. Поровый воздух в грунтах представляет собой газовые растворы.

Растворимость минералов и веществ в грунтах удобно также характеризовать особой величиной — произведением растворимости (ПР). Произведением растворимости называется произведение молярных концентраций (активностей) катионов и анионов минерала или вещества в его насыщенном растворе. Так, для минерала вида АхВ его произведение растворимости будет:

ПР = [А]^х [В]^y, где [А] и [В] — соответственно концентрации катионов и анионов (обычно моль/л).

Правило ПР: в изобарно-изотермических условиях величина ПР является постоянной.

 

Согласно диффузионно-кинетической теории скорость растворения грунта зависит от прямого и диффузионного растворения и описывается уравнением

(dm/dt) = a (С_н— C)S,

где т — масса грунта, перешедшего в раствор; t — время растворения; a — коэффициент, отражающий скорость растворения; С_н, С — соответственно концентрации вещества в насыщенном и данном растворе; S — площадь поверхности растворения. Величина а в природных грунтовых водах меняется в пределах 10 ^-9 — 10 ^-4 м/с и определяется вкладом кинетической (a_к) и диффузионной (a) составляющих 1/a = 1/a_к + 1/a_д.

Растворимость грунтов определяется следующими основными факторами: химико-минеральным составом, структурно-текстурными особенностями, типом и свойствами растворителя, участием биоты, термодинамическими параметрами.

 

По степени растворимости минералы можно разделить на четыре группы. Однако в инженерно-геологических целях важно знать наиболее растворимые разности, к которым относятся прежде всего галоидные грунты, содержащие галит, сильвин и другие, некоторые типы карбонатных грунтов (известняк, доломит, мел, мергель), а также сульфатные грунты, содержащие гипс, ангидрит и др.

 

Структурно-текстурные особенности грунтов влияют на растворимость двояко. Во-первых, растворимость повышается с уменьшением размера слагающих их минералов: крупнозернистые или крупнокристаллические разности пород медленнее растворяются, чем их мелкозернистые аналоги, так как у них поверхность растворения S меньше. Во-вторых, растворимость грунта зависит от растворимости его кристаллизационно-цементационных структурных связей, поскольку цемент на контактах частиц (обломков, зерен и др.) обычно более растворим, чем сами частицы.

 

к засоленным грунтам по содержанию легко- и среднерастворимых солей относят:

 

крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем менее 40% или с пылевато-глинистым менее 30% и с солями в количестве более 2% (по массе); крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем более 40% и солями более 0,5% (по массе);

крупнообломочные грунты с пылевато-глинистым заполнителем более 30% и солями более 5%;

песчаные грунты с содержанием солей более 0,5%; пылевато-глинистые с содержанием солей более 5%.

 

Растворимость твердых компонентов грунта обусловлена растворимостью составляющих его отдельных минералов и твердых органических примесей. Наличие и состав растворенных газов в поровом растворе грунтов влияет на растворимость. Растворимость минералов зависит от термодинамических параметров среды: Р и Т.

 

Температурная зависимость растворимости твердых тел (х^р) в жидкости описывается уравнением Шредера:

 

In х^р = DНпл (Т-Т пл)/RTTпл,

где D Н — теплота плавления (в кал/моль); Тпл — температура плавления; Т — температура; R — газовая постоянная. Это уравнение соблюдается лишь для идеальной растворимости.