ПРИРОДА И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОТНОСТИ СВЯЗАННОЙ ВОДЫ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ
Т.Г. Макеева, Л.В. Гончарова, В.А.Трофимов, Ю.М. Егоров
Плотность связанной воды является необходимой характеристикой при получении различных расчетных величин: проницаемости, сжимаемости, диэлектрической проницаемости и потерь, плотности твердой фазы глинистых грунтов (экспресс-метод В.Я.Калачева) и ряда других физико-химических показателей (толщины водной пленки и т.д.).
Сведения о величине плотности связанной воды, определенной разными методами даже на одинаковых минеральных поверхностях, в основном, мономинералах достаточно противоречивы. Определение плотности связанной воды в дисперсных системах прямыми методами вызывает значительные сложности, обусловленные методическими и теоретическими аспектами. Разработана оригинальная расчетная методика определения плотности связанной воды в глинистых грунтах [1].
Плотность связанной воды в глинистых грунтах не является постоянной величиной, а определяется дисперсностью, минеральным составом, видом и содержанием катионов и формами их нахождения в грунтах, содержанием карбонатов и органического вещества. Плотность воды во всем интервале связанной воды (при различных категориях связанной воды) соответствует плотности связанной воды и является постоянной величиной в пределах одного минерального состава - мономинеральных грунтов и в пределах одной дисперсности -полиминеральных грунтов и не зависит от температуры, а определяется энергией связи с гетерогенной поверхностью соответствующей величине слоевого заряда, до температуры структурной неустойчивости, величина которой сдвинута в высокотемпературною область по сравнению температурой фазового перехода свободной воды при условии отсутствия трасляционного упорядочения в пленке связанной воды.
Получен ряд изменения плотности связанной воды во всем интервале связанной воды по соподчинению обменных катионов в глинистых грунтах, который подобен ряду по емкости обмена, по диэлектрической проницаемости и по поверхностной проводимости:
Li+ < Na+ < K+ < < Zn2+ < Mn2+ < Mg2+ < Ca2+ < < Al3+ < Fe3+
Ряд обратной последовательности катионов - для величины толщины водной пленки во всем интервале связанной воды соответствующий ряду по набуханию.
Установлено неизвестное ранее явление (природа) изменения плотности связанной воды дисперсной системой, заключающееся в том, что при гидратации дисперсных систем, с определяемыми параметрами поверхности (величина слоевого заряда, диэлектрическая проницаемость) происходит изменение плотности связанной воды в соответствии с величиной слоевого заряда дисперсных систем, обусловленное энергетической неоднородностью гетерогенной поверхности и молекулярно-структурным состоянием воды.
Плотность связанной воды в дисперсных системах является сложным физическим явлением. Для более глубокого понимания установленного явления изменения плотности связанной воды в дисперсной системе предлагается формула плотности связанной воды:
 ,
где Wmg - максимально-гигроскопическая влажность; S - удельная поверхность; z - валентность катиона; F - число Фарадея;  - диэлектрическая проницаемость связанной воды; T - абсолютная температура; С- концентрация катионов- (ионов гидроксония) и анионов -(гидроксидов) воды в пределах ДЭС. Математическая основа модели не противоречит полученным экспериментальным данным и адекватно отражает явление (природу) и закономерности изменения плотности связанной воды в дисперсных системах.
В мономинеральных глинистых грунтах - плотность связанной воды соответствует величине слоевого заряда элементарной ячейки минералов, Х или удвоенному значению заряда формульных единиц минералов x по классификации Номенклатурного комитета АIРEA, и определяется их кристаллохимическими особенностями. Составлена классификация по плотности связанной воды глинистых мономинеральных грунтов в соответствии с типом слоя 1:1 и 2:1 , группы и величины слоевого заряда слоистых силикатов. Рассчитана толщина водной пленки мономинеральных глинистых грунтов различного генезиса и минерального состава, соответствующая X-1 -дебаевскому радиусу экранирования катионов, т.е.толщине ДЭС дисперсных систем.
В полиминеральных глинистых грунтах плотность связанной воды соответствует величине заряда гетерогенной поверхности раствор-порода, об изменении которого можно судить по изменению кислотно-основного равновесия и по диэлектрическим свойствам. В более глинистых дисперсных грунтах (глины, суглинки) плотность воды определяется величиной слоевого заряда минералов группы смектита. В менее глинистых грунтах (суглинки, супеси) - величиной слоевого заряда минералов группы иллита. Сдвиг рН в кислую область приводит к повышению, сдвиг рН в щелочную область - к уменьшению плотности связанной воды грунтов. Получены уравнения регрессии изменения плотности связанной воды в зависимости от дисперсности глинистых грунтов и от вида и содержания металлов.
Список литературы
1. Макеева Т.Г., Гончарова Л.В., Трофимов В.А., Егоров Ю.М. Расчетная методика определения плотности жидкой фазы в полиминеральных глинистых грунтах.// Доклады VIII Межд. конф. <Новые идеи в науках о Земле>. РГГРУ. 2007. С.83-86.
|
