Файл: Общее мерзлотоведение..pdf

Представления об искажении структуры воды под влиянием активных центров поверхности позволили А. А. Ананяну дать молекулярно-кинетическую трактовку процессов связывания воды в тонкодисперсных горных породах, закономерностей ее кристал­ лизации при их замерзании.

Количественная оценка взаимодействия воды с тонкодисперс­ ными горными породами осложняется тем, что они являются сложными пористыми системами; их поверхность, активная при взаимодействии с водой, изменяется в зависимости от физико­ химических особенностей, в частности природы обменных катио­ нов, состава и концентрации норового раствора, расклинивающего действия тонких водных пленок, процессов увлажнения и иссу­ шения, замерзания и оттаивания и других факторов.

Для промерзающих тонкодисперсиых горных пород в процессах связывания воды существенное значение имеет гидрофильность льда. Наличие квазижидкой пленки на поверхности кристаллов льда, которое было постулировано М. Фарадеем, Д. Н. Тиндалем еще в середине прошлого столетия, в настоящее время обосновано теоретически и доказано экспериментально [9, 17].

При выделении категорий воды в мерзлых тонкодисперсных горных породах наиболее важным классификационным призна­ ком является агрегатное состояние воды. Академик В. И. Вер­ надский [1] подразделял природные воды на три основные группы: газообразные (пары воды), жидкие (растворы) и твердые (льды). Категории воды, выделенные А. Ф. Лебедевым, по существу, развивали и дополняли классификацию В. И. Вернадского, учи­ тывая специфику водных свойств почв и грунтов.

Фазовый состав воды при замерзании тонкодисперсных горных пород. В мерзлых тонкодисперсных горных породах содержание воды в жидкой фазе зависит не только от величины и качественных особенностей активной поверхности их твердых составляющих, но и от содержания и состава водно-растворимых соединений и термодинамических параметров, определяющих состояние си­ стемы температура — давление.

Первые сведения о наличии частично мерзлых и немерзлых

ми, а изменяются с изменением внешних воздействий, нахо­ дясь в динамическом равновесии с последним». Справедливость этого принципа была экспериментально подтверждена лаборатор­ ными калориметрическими исследованиями 3. А. Нерсесовой, а для тонкодисперсных пород в природных условиях — А. А. Ананяном, Ф. Г. Бакулиным, И. Н. Вотяковым и др. Для основных ви­

31

дов пород были получение кривые, характеризующие зависимость содержания незамерзшей воды от величины отрицательной тем­ пературы (рис. 3, а). Эти кривые показывают, что замерзание воды происходит в определенном диапазоне темнератур: сначала за­ мерзает свободная, затем рыхлосвязаниая, а при достаточно низких температурах — прочносвязапная.

Н. А. Цытович [11] выделяет три температурные области фа­ зовых переходов воды в мерзлых грунтах:

1) область значительных фазовых превращений, где измене­ ние количества незамерзшей воды на 1° составляет более 1%;

2)область переходную, где изменения содержания незамерз­ шей воды на 1° колеблется в пределах 0,1—1%;

3)область практически замерзшего состояния, где фазовые превращения воды на 1° не превышают 0,1%.

Для большинства незаселенных грунтов области фазовых пе­ реходов воды выражены достаточно четко: в области значительных фазовых превращений количество пезамерзшей воды обычно со­ ответствует влажности от максимальной молекулярной влагоемко - сти до влажности набухания; в переходной области содержание незамершей воды соответствует диапазону влажностей от макси­ мальной молекулярной влагоемкости до гигроскопической влаж­ ности. При температуре ниже —70° С в большинстве пород про­ исходит полное замерзание жидкой фазы, а при —193,8° С неза-

32

мерзшая вода не обнаружена даже в высокоднсперсной моптмориллонитовой глине

Величина внешнего давления также оказывает влияние на содержание незамерзшей воды в мерзлых грунтах, особенно в температурной области значительных фазовых превращений. При этом следует учитывать возможность возникновения больших напряжений на контактах минеральных частиц и льда при дей­ ствии незначительных внешних нагрузок. Увеличение содержания незамерзшей воды вследствие приложения давления подтверждено и более поздними данными зарубежных ученых.

Фазовый состав воды в тонкодисперсных горных породах зависит, кроме того, от хода изменения температуры — наблю­ дается гистерезис: количество незамерзшей воды в цикле замер­ зания влаги выше, чем в цикле оттаивания [11]. Б. А. Савель­ ев [4, стр. 151] связывает это с влиянием менисковых сил.

Содержание и состав водно-растворимых соединений также существенно влияют на количество незамерзшей воды.

Последнее, как указывалось выше, является специфической особенностью, отличающей незамерзшую воду в мерзлых тонко­ дисперсных породах от связанной воды в талых породах. Степень влияния водно-растворимых соединений на содержание незамерз­ шей воды в тонкодисперсных мерзлых породах определяется ко­ личеством и составом этих соединений и проявляется как непо­ средственно в понижении температуры замерзания порового раст­ вора, так и в уменьшении потенциала и толщины водных оболочек коллоидных частиц грунтов.

В незасоленных тонкодисперсных мерзлых горных породах количество воды в жидкой фазе зависит, помимо температуры и давления, от величины и качественных особенностей активной поверхности их твердых составляющих, взаимодействующих с во­ дой: дисперсности и ультрапористости, химического и минерало­ гического состава глинистой фракции, природы обменных катионов.

Величина удельной поверхности тонкодисперсных горных по­ род изменяется в широких пределах — от нескольких квадрат­

удельной поверхности минерального скелета подтверждено опытами 3. А. Нерсесовой по определению количества не­

и лишь при —5° снижалось до 2%.

Следует отметить, что в опытах был использован чистый квар­ цевый песок, содержащий 99,9% ЭЮг, но, очевидно, в его тонкой фракции (<[ 0,001 мм) находилось небольшое количество кол-

Т а б л и ц а 1

Водные свойства п макроагрегатный состав моиомпнералышх глин в зави­ симости от природы обменных катионов * (данные 3. А. Нерсесовой)

* В каолине преобладающим минералом является каолинит, в аскангеле — монтмориллонит.

лоидных частиц НгЭЮз, поэтому увеличение количества незамерз­ шей воды обусловлено не только возрастанием величины удель­ ной поверхности, но и наличием новых активных центров.

Зависимость фазового состава воды в тотгкодпсперсных горных породах от качественных особенностей минерального скелета: ми­ нералогического и химического состава п физико-химических осо­ бенностей, в частности природы обменных катионов, трудно просле­ дить в «чистом виде», так как они взаимосвязаны с дисперсностью. Известно, что если в тонкой фракции содержатся минералы группы монтмориллонита пли если обменные катионы представлены одновалентными ионами, особенно Na-иопом, дисперсность резко возрастает. В случае многовалентных обменных катионов проис­ ходит агрегирование и коагуляция тонкой фракции и величина удельной поверхности уменьшается.

Значение природы обменных катионов в формировании вод­ ных свойств талых тонкодисперсных горных пород и в процессах связывания ими воды общепризнано и обосновано многочислен­ ными экспериментальными данными. 3. А. Нерсесова [11] изу­ чала закономерности изменения фазового состава воды при за­ мерзании каолинитовой и монтмориллонитовой глин с различным составом обменных катионов. В случае каолинитовой глины об­ менные катионы не оказывают существенного влияния на дис­ персность и водные свойства (табл. 1). Соответственно кривые изменения количества незамерзшей воды в зависимости от темпе­ ратуры почти совпадают, и лишь вблизи 0° С Na-каолин содер­

жит большее количество незамерзшей воды, чем Са-каолин (см рис. 3, б).

31

В моитмориллоинтовой глтю — аскангеле — дисперсность и все водные свойства в олень сильной: степени зависят от природы обменных катионов (см. табл. 1). Когда в обменном состоянии находится Na-пон, аскангель является высокоднсперсной г л и н о й с содержанием коллоидной фракции более 50%; при многовалент­

уменьшается. Это находит отражение в зависимости содержания незамерзшей воды от температуры в образцах аскангеля с различ­ ными обменными катионами (см. рис. 3, б).

Во всем диапазоне отрицательных температур количество не­ замерзшей воды имеет наименьшее значение в Fe-аскангеле и наибольшее в Na-аскангеле, Са-аскангель занимает промежуточ­ ное положение. Указанная закономерность хорошо согласуется с водными свойствами образцов аскангеля, насыщенных различ­ ными катионами (см. табл. 1). Очевидно, сильно развитая внут­ ренняя поверхность (ультрапористость) Na-аскангеля обуслов­ ливает значительно большие количества иезамерзшей воды по сравнению с Са-аскангелем при всех значениях отрицательной температуры. В случае Fe-аскангеля, когда коагуляция и агрегиро­ вание выражены евде сильнее, чем в Са-аскангеле, количество иезамерзшей воды соответственно уменьшается. Аналогичные дан­ ные были получены 3. А. В1ерсесовой [111 для ряда суглинков и глин с различным составом обменных катионов.

Качественные особенности минерального скелета тонкодиеперсных горных пород приобретают особое значение при трак­ товке процессов кристаллизации в них воды на основе представ­ лений об искажении структуры воды под влиянием активных центров поверхности.

Представления об энергетической неоднородности л активных центрах поверхности тонкодисперсных горных пород и ее дина­ мичности под влиянием различных воздействий общепризнаны и широко используются. Однако методы определения поверхности, активной при взаимодействии с водой, не разработаны. В случае мерзлых тонкодисперсных горных пород это осложняется, кроме того, гпдрофилыюстью одной из основных составляющих — льда. Наличие квазижидкой пленки на поверхности льда имеет особое значение для всех физических процессов, протекающих в промер­ зающих и мерзлых тонкодисперсных горных породах, а также при формировании их свойств. Одним из наиболее актуальных вопросов физико-хпмин мерзлых тонкодисперсных горных по­ род является разработка методов оценки активной поверхности их твердых составляющих, в том числе и льда.

Переохлаждение воды в замерзающих горных породах. М. И. Сумгин [12] писал: «Известно, что кристаллизация дистиллированной воды в широких сосудах при нормальном давлении обычно про­ исходит при 0°, но лишь при известных обстоятельствах вода находится в переохлажденном состоянии и остается жидкой и