Файл: Воронкевич, С. Д. Газовая силикатизация песчаных пород.pdf

ДО

Следует при этом учитывать, что, во-первых, подавляющее большинство песчаных пород, попадающих в сферу инженер­ ной деятельности человека, является кварцевыми, полевошпа­ тово-кварцевыми, кальцитово-кварцевыми и глауконитовокварцевыми (кварц или два минерала составляют >80% час­ тиц) , а во-вторых, что в зоне гипергенеза в результате про­ цессов выветривания, почвообразования и геохимической деятельности подземных вод песчаные породы обычно обога­ щаются гидроокислами железа, гумусом, каолинитом, гидро­ слюдой и вторичными карбонатами и гипсом. Эти органиче­ ские и минеральные образования присутствуют в песчаных породах в виде примесей либо в виде аутигениых пленок на зернах другого минерального состава и зачастую почти пол­ ностью обеспечивают физико-химическую активность песча­ ных пород.

Особенности минерального состава определяют и химиче­ ский состав песчаных пород (табл. 3). Химико-минеральный состав главной составной части песчаных пород обычно свя­ зан с их генезисом. Так, например, химико-минеральный со­ став флювиогляциальных песков отличается непостоянством. Химический состав древнеаллювиальных песков европейской части С С С Р характеризуется высоким содержанием ЭіОг (как правило, более 95%).

Химический состав различных гранулометрических фрак­ ций так же, как и минеральный, неодинаков. Наиболее бога­ тыми кремнекислотой являются обычно средние, а в некото­ рых случаях мелкие песчаные фракции.

ХАРАКТЕР ПОВЕРХНОСТИ ПЕСЧАНЫХ ЗЕРЕН

Основными элементами поверхности зерен являются рельеф, обусловленный в значительной степени формой зерен, химический состав и строение поверхностной пленки зерен.

От формы обломочных частиц зависит суммарная поверх­ ность зерен породы в единице объема, способная взаимодей­ ствовать с цементирующим веществом. В общем случае при прочих равных условиях поверхность песчаных частиц тем меньше, чем ближе их форма к шару. Наименьшей суммар­ ной поверхностью обладают пески с изометричными и хорошо окатанными зернами, а наибольшей — пески, слабоокатан­ ные с угловатыми зернами или пески, подвергшиеся корро­ зии с зернами неправильной «изъеденной» формы.

В песчаных породах прослеживается связь округлостиугловатости зерен с их размером. В крупных фракциях ■ сосредоточиваются зерна преимущественно округлой формы, во фракциях 0,5—0,1 мм встречаются округлые и угловатые частицы. Мелкие фракции (<0,1 мм) состоят в основном из угловатых зерен, а частицы <0,01 мм вообще теряют спо­

11

собность окатываться. Степень окатывания, безусловно, зави­

поверхности силикатов, пришел к выводу о высокой химиче­ ской устойчивости горных пород в связи с образованием за­ щитных поверхностных пленок кремниевой кислоты. Эти плен­ ки могут достигать толщины нескольких десятков ангстрем.

Наличие железистых и железистоорганических пленок, по­ данным А. Ф. Тюлина, определяет во многом свойства почв. Исследования А. Ф. Тюлина и Т. А. Маломаховой (1954) по созданию искусственных пленок на кварцевом песке и гли­ нистых минералах позволили высказать предположение о- происхождении железистых пленок путем выветривания сили­ катов или в процессе адсорбции и прочного закрепления водно-растворимых соединений железа на поверхности час­ тиц. Железистые новообразования чрезвычайно широкораспространены в песчаных грунтах. Состав этих новообра­ зований весьма разнообразен. В гумусовых горизонтах при­ сутствуют скопления окислов вместе с гумусом. Н . М . Стра­ хов и Э. С. Залманзон (1955), изучая распределение аутигеи- ио-минералогических форм железа в осадочных породах, установили существование четырех основных форм: сульфит­ ной (пирит и марказит), карбонатной (сидерит, анкерит и глауконит), окисной (гидрогетит, гематит) и силикатной. По данным А. М. Цехомского (1965), железистые пленки состоят преимущественно из свободной гидроокиси цемента, гетита и гидрогематита. Толщина пленок колеблется от 0,05 до 0,5 мк. Вещество пленки может быть окристаллизованно или же на­ ходиться в коллоидно-аморфном или метастабильном со­ стоянии.

Таким образом, в песках, как правило, имеет место каче­ ственная неравноценность между минеральной поверхностью песчаных частиц и их ядром.

При закреплении песков химическими веществами каче­ ство минеральной поверхности во многом определяет резуль­ таты закрепления. Поверхностные пленочные образования оказывают большое влияние на обменную способность мине­ ралов. Наличие пленок окиси железа, по Е. М. Сергееву, обусловливает адсорбцию глинистых частиц.

В. М . Фридланд и И . Г. Цюрупа (1966) исследовали влияние окислов железа на обменные свойства кварца, као­ лина, биотита, мусковита и т. д. Ими выяснено, что образуе­ мые на частицах железистые пленки приводят к увеличению

12

обменной емкости поверхностно-инертных минералов (квар­ ца, каолинов) и уменьшению обменной способности аморф­ ной кремнекислоты и поверхностно-активных минералов, например слюд. Чистые препараты гидроокиси железа обла­ дают обменной способностью. Максимальной емкостью обме­ на обладала гидроокись железа (58 мг-экв на 100 г), высу­ шенная при температуре 25° С.

В структурном отношении пленка может быть представле­ на плотным изотропным веществом, чешуйчатым и рыхлой хлопьевидной массой. По распределению и взаимосвязи с зернами наблюдаются три типа пленки: 1) вещество концент­ рируется на выпуклых частях зерна в виде пятен, примазок различной величины и толщины; 2) скопления в углублениях, созданных без участия вещества пленки, прожилки и включе­ ния по следам прежней коррозии; 3) вещество концентри­ руется на корродированной им же поверхности зерен, затеки, прожилки гнезда. Третий тип распределения вещества пленки особенно типичен для зерен полевого шпата.

Главными химическими компонентами вещества пленки являются окись кремния, глинозем и окись железа. Осталь­ ные окислы играют второстепенную роль. Для пленки харак­

и щелочноземельные окислы находятся преимущественно в составе минералов алюмосиликатного комплекса, а некоторое количество щелочных земель — в виде самостоятельных ми­ нералов. Окислы железа составляют значительную часть пленки, достигая 60—65%, редко содержание их уменьшает­ ся ниже 10%. Присутствует железо обычно в форме свобод­ ной гидроокиси, образуя такие минералы, как гематит, гетит, гидрогематит, гидрогетит, лимонит. Возможны комплексные металлоорганические соединения, особенно в составе вещест­ ва пленок песков, подвергшихся процессу почвообразования.

По минерально-химическому составу различают две груп­ пы пленок: силикатную и железистую. В состав силикатной пленки входят один или несколько глинистых минералов, а также глауконит и хлорит. Основная роль в железистых пленках принадлежит минералам железа, иногда марганца. Вещество пленки может быть в кристаллическом, коллоидно­ аморфном или метастабильном состоянии. Количественное соотношение вещества пленки, имеющего ту или иную степень окристаллизованности, у различных песков неодинаково. Ясной зависимости степени покрытости пленкой зерен раз­ личной крупности нет, но в большинстве случаев наблюдает­ ся некоторое увеличение количества зерен, покрытых пленкой, при переходе от крупной фракции к мелкой.

13