какое состояние характерно для глин

Глина

Глина-это горная порода, в сухом виде она как пыль, а во влажном состоянии становится пластичной, мягкой, такой что из нее можно лепить, то есть придавать ей желаемую форму. Глина бывает различных цветов например красного, синего, зеленого, коричневого, но в большинстве случаев она все таки серого цвета.

Свойства глины состоят в том, что она пластичная, огнеупорная, водонепроницаемая. Во многих отдаленных уголках нашей земли ещё используют необожжённую глину в строительстве своих жилищ. В наше время нашлось множество различных применений глины, например:

Так же глину широко используют в медицине. Грязевые ванны очень хороши при различных заболеваниях. Глину добавляют в различные мази. Глина казалось бы грязью грязь, но это ценный продукт который очень нужен человечеству.

Состав глины

Диаметр частиц в глине менее 0,005 мм.; породы, состоящие из более крупных частиц, принято классифицировать как алеврит. Цвет разнообразен и обусловлен главным образом окрашивающими их примесями минералов-хромофоров или органических соединений. Чистая глина в большинстве серого или белого цвета, но обычна и глина красного, жёлтого, коричневого, синего, зелёного, лилового и чёрного цветов.

Происхождение

В целом по происхождению и составу породу подразделяются на:
Глины осадочные, образовавщиеся в результате переноса в другое место и отложения там глинистых и других продуктов коры выветривания. По происхождению осадочная глина делятся на морские глины, отложившиеся на дне моря, и континентальные глины, образовавшиеся на материке.

Практическое использование глины

Глины широко применяются в промышленности (в производстве керамической плитки, огнеупоров, тонкой керамики, фарфоро-фаянсовых и сантехнческих изделий), строительстве (производство кирпича, керамзита и др. стойматериалов), для бытовых нужд, в косметике и как материал для художественных работ (лепка). Производимый из керамзитовых глин путём отжига со вспучиванием керамзитовый гравий и песок широко используются при производстве строительных материалов (керамзитобетон, керамзитобетонные блоки, стеновые панели и др.) и как тепло- и звукоизоляционный материал. Это лёгкий пористый строительный материал, получаемый путём обжига легкоплавкой глины.

Источник

Всё о глине.

Глина — это мелкозернистая осадочная горная порода, пылевидная в сухом состоянии, пластичная при увлажнении.

В целом по происхождению и составу все глины подразделяются на:

— глины осадочные, образовавщиеся в результате переноса в другое место и отложения там глинистых и других продуктов коры выветривания. По происхождению осадочные глины делятся на морские глины, отложившиеся на дне моря, и континентальные глины, образовавшиеся на материке.

Среди морских глин различают:

Среди континентальных глин выделяют:

Глину окрашивает камень-создатель и соли железа, алюминия и тому подобных полезных ископаемых, оказавшихся рядом. В глине размножаются, живут и умирают разные организмы. Так и получается красная, желтая, голубая, зеленая, розовая и другие цветные глины.

Ранее глину добывали по берегам рек и озер. Или копали специально под нее яму. Затем глину оказалось возможным не копать самостоятельно, а купить у гончара, например. Во времена нашего детства обычную, красную глину, выкапывали сами, а благородную белую покупали в магазинах для художников или, особенно чистую, в аптеке. Теперь в найпоганенький лавке, торгующей косметикой, непременно есть глина. Правда, не совсем в чистом виде, а в смеси с различными моющими, увлажняющими и питательными средствами.

Глина состоит из одного или нескольких минералов группы каолинита (происходит от названия местности Каолин в Китайской Народной Республике (КНР)), монтмориллонита или других слоистых алюмосиликатов (глинистые минералы), но может содержать и песчаные и карбонатные частицы. Как правило породообразующим минералом в глине является каолинит, его состав: 47 % оксида кремния (IV) (SiO₂), 39 % оксида алюминия (Al₂О₃) и 14 % воды (Н₂0). Al₂O₃ и SiO₂ — составляют значительную часть химического состава глинообразующих минералов.

Диаметр частиц глин менее 0,005 мм; породы, состоящие из более крупных частиц, принято классифицировать как лёсс. Большинство глин — серого цвета, но встречаются глины белого, красного, жёлтого, коричневого, синего, зелёного, лилового и даже чёрного цветов. Окраска обусловлена примесями ионов — хромофоров, в основном железа в валентности 3 (красный, желтый цвет) или 2 (зеленый, синеватый).

Сухая глина хорошо поглощает воду, но намокнув, становится водонепроницаемой. После переминания и перемешивания она приобретает свойство принимать различные формы и сохранять их после высыхания. Такое свойство называется пластичностью. К тому же глина обладает связывающей способностью: с порошкообразными твердыми телами (песок) дает однородное «тесто», также обладающее пластичностью, но уже в меньшей степени. Очевидно, что чем больше в глине примеси песка или воды, тем ниже пластичность смеси.

По характеру глины делятся на «жирные» и «тощие».

Глины с высокой пластичностью называются «жирными», так как в замоченном состоянии дают осязательное ощущение жирного вещества. «Жирная» глина блестяща и скользка на ощупь (если такую глину взять на зубы, то она скользит), содержит мало примесей. Тесто», приготовленное из нее, нежное. Кирпич из такой глины при сушке и обжиге дает трещины, и во избежание этого к замесу прибавляют так называемые «отощающие» вещества: песок, «тощую» глину, жженый кирпич, гончарный бой, древесные опилки и проч.

Глины малопластичные или непластичные называются «тощими». На ощупь они шероховатые, с матовой поверхностью, и при трении пальцем легко крошатся, отделяя землистые пылинки. «Тощие» глины содержат много примеси (хрустят на зубах), при разрезании ножом не дают стружек. Кирпич из «тощей» глины непрочен и рассыпчат.

Важным свойством глины является ее отношение к обжигу и вообще к повышенной температуре: если замоченная глина на воздухе твердеет, высыхает и легко вытирается в порошок, не претерпев при этом никаких внутренних изменений, то при высокой температуре происходят химические процессы и состав вещества меняется.

При очень высокой температуре глина плавится. Температура оплавливания (начала плавления) характеризует огнеупорность глины, которая неодинакова для различных ее сортов. Редкие сорта глины требуют для обжига колоссального жара — до 2000°С, трудно получаемого даже в заводских условиях. В этом случае возникает необходимость снижения огнеупорности. Снизить температуру оплавливания можно за счет введения добавок следующих веществ (до 1% по массе): магнезии, окиси железа, извести. Такие добавки называются флюсами (плавнями).

Окраска глин разнообразна: светлосерая, голубоватая, желтая, белая, красноватая, бурая с различными оттенками.

Минералы, содержащиеся в глинах:

Минералы, загрязняющие глины и каолины:

Виды глин.

Глина появилась на земле много тысяч лет назад. Ее «родителями» считаются известные в геологии породообразующие минералы — каолиниты, шпаты, некоторые разновидности слюды, известняки и мраморы. При опрделенных условиях даже некоторые виды песка трансформируются в глину. Все известные породы, имеющие геологические выходы на поверхности земли, подвержены влиянию стихий — дождя, вихревой бури, снегов и паводковых вод.

Перепады температур днем и ночью, нагревание породы солнечными лучами способствуют появлению микротрещин. В образовавшиеся трещинки попадает вода и, замерзая, разрывает поверхность камня, образуя на ней большое количество мельчайшей пыли. Природные циклоны дробят и растирают пыль в еще более мелкую пыль. Там, где циклон меняет свое направление или просто затихает, со временем образовываются огромные скопления частичек породы. Они спрессовываются, пропитываются водой, и в результате получается глина.

В зависимости от того, из какой породы образуется глина и каким образом идет ее образование, она приобретает различные цвета. Наиболее часто встречаются желтая, красная, белая, голубая, зеленая, темно-коричневая и черная глины. Все цвета, кроме черного, коричневого и красного, говорят о глубинном происхождении глины.

Цвета глины определяются присутствием в ней следующих солей:

Различно окрашеные глины.

Также мы можем привести промышленную классификацию глин, которая основывается на оценке этих глин по совокупности ряда признаков. К примеру, это внешний вид изделия, цвет, интервал спекания (плавления), стойкость изделия к резкой смене температуры, а также прочность изделия к ударам. По данным признакам можно определить название глины и ее назначение:

Практическое использование глины.

Гончарное производство.

Глина является основой гончарного, кирпичного производства. В смеси с водой глина образует тестообразную пластичную массу, пригодную для дальнейшей обработки. В зависимости от места происхождения природное сырьё имеет существенные различия. Одно можно использовать в чистом виде, другое необходимо просеивать и смешивать, чтобы получить материал, пригодный для изготовления различных предметов торговли.

В природе эта глина имеет зеленовато-коричневую окраску, которую придает ей оксид железа (Fe2O3), составляющий 5-8% от общей массы. При обжиге в зависимости от температуры или типа печи глина приобретает красную или белесую окраску. Она легко разминается и выдерживает нагрев не более 1050-1100 С. Большая эластичность этого вида сырья позволяет использовать его для работ с глиняными пластинами или для моделирования небольших скульптур.

Ее месторождения встречаются во всем мире. Во влажном состоянии она светло-серая, а после обжига приобретает белесый цвет или цвет слоновой кости. Белой глине свойственна эластичность и просвечиваемость из-за отсутствия в ее составе оксида железа.

Глина используется для изготовления посуды, кафеля и предметов сантехники или для поделок из глиняных пластин. Температура обжига: 1050-1150 °С. Перед глазурованием рекомендуется выдерживать работу в печи при температуре 900-1000 °С. (Обжиг неглазурованного фарфора называется бисквитным.)

Глина для керамики представляет собой белую массу с умеренным содержанием кальция и повышенной пористостью. Ее натуральный цвет — от чисто-белого до зеленовато-коричневого. Обжигается при низких температурах. Рекомендуется необожженная глина, так как для некоторых глазурей однократного обжига недостаточно.

Майолика — это вид сырья из легкоплавких пород глины с повышенным содержанием белого глинозема, обжигается при низкой температуре и покрывается глазурью с содержанием олова.

Название «майолика» происходит от острова Майорка, где ее впервые использовал скульптор Флорентино Лука де ла Роббиа (1400-1481). Позднее эта техника имела широкое распространение в Италии. Керамические предмета торговли из майолики называли также фаянсовыми, так как их изготовление началось в цехах по производству фаянсовой посуды.

Основу этого сырья составляют шамот, кварц, каолин и полевой шпат. Во влажном состоянии оно имеет черно-коричневый цвет, а после сырого обжига — цвет слоновой кости. При нанесении глазури каменная керамика превращается в прочное, водостойкое и несгораемое изделие. Она бывает очень тонкой, непрозрачной или в виде однородной, плотно спекшейся массы. Рекомендуемая температура обжига: 1100-1300 °С. При ее нарушении глина может рассыпаться. Материал используют в различных технологиях изготовления гончарных предметов торговли из пластинчатой глины и для моделирования. Отличают предмета торговли из красной глины и каменную керамику в зависимости от их технических свойств.

Глина для фарфора.

Глина для фарфоровых предметов торговли состоит из каолина, кварца и полевого шпата. Она не содержит оксида железа. Во влажном состоянии имеет светло-серый цвет, после обжига — белый. Рекомендуемая температура обжига: 1300-1400 °С. Этот вид сырья обладает эластичностью. Работа с ним на гончарном круге требует больших технических издержек, поэтому лучше использовать готовые формы. Это твердая, непористая глина (с низким во-допоглощением. — Ред.). После обжига фарфор становится прозрачным. Обжиг глазури проходит при температуре 900-1000 °С.

Различные предмета торговли из фарфора, сформованные и обожженные при температуре 1400 °С.

Крупнопористые крупнозернистые керамические материалы применяются для изготовления крупногабаритных предметов торговли в строительстве, архитектуре малых форм и т. п. Эти сорта выдерживают высокие температуры и термические колебания. Их пластичность зависит от содержания в породе кварца и алюминия (кремнезема и глинозема. — Ред.). В общей структуре много глинозема с высоким содержанием шамота. Температура плавления колеблется от 1440 до 1600 °С. Материал хорошо спекается и дает незначительную усадку, поэтому используется для создания больших объектов и крупноформатных настенных панно. При изготовлении художественных объектов не следует превышать температуру в1300°С.

Цветная глина — это глиняная масса с содержанием оксида или красочного пигмента, представляющая собой гомогенную смесь. Если, проникая глубоко в глину, часть краски останется во взвешенном состоянии, то может нарушиться ровный тон сырья. Как цветную, так и обыкновенную белую или пористую глину можно приобрести в специализированных магазинах.

Приготовление керамической массы требует большого внимания. Ее можно составить двумя способами, которые дают совершенно разные результаты. Более логичный и надежный путь: вносить красящие вещества под давлением. Более простой и, разумеется, менее надежный метод: подмешивать красители в глину рукой. Второй способ применяется, если нет точных представлений об окончательных результатах окраски или же есть необходимость повторить какие-то определенные цвета.

Техническая керамика.

Для изготовления цемента сначала добывают карбонат кальция и глину из карьеров. Карбонат кальция (приблизительно 75 % количества) измельчают и тщательно перемешивают с глиной (примерно 25 % смеси). Дозировка исходных материалов является чрезвычайно трудным процессом, так как содержание извести должно отвечать заданному количеству с точностью до 0,1 %.

Эти соотношения определяются в специальной литературе понятиями «известковый», «кремнистый» и «глиноземистый» модули. Поскольку химический состав исходных сырьевых материалов вследствие зависимости от геологического происхождения постоянно колеблется, легко понять, как сложно поддерживать постоянство модулей. На современных цементных заводах хорошо зарекомендовало себя управление с помощью ЭВМ в комбинации с автоматическими методами анализа.

Правильно составленный шлам, подготовленный в зависимости от избранной технологии (сухой или мокрый метод), вводится во вращающуюся печь (длиной до 200 м и диаметром до 2—7 м) и обжигается при температуре около 1450 °C — так называемой температуре спекания. При этой температуре материал начинает оплавляться (спекаться), он покидает печь в виде более или менее крупных комьев клинкера (называемого иногда и портландцементным клинкером). Происходит обжиг.

В результате этих реакций образуются клинкерные материалы. После выхода из вращающейся печи клинкер попадает в охладитель, где происходит его резкое охлаждение от 1300 до 130 °C. После охлаждения клинкер измельчается с небольшой добавкой гипса (максимум 6 %). Размер зерен цемента лежит в пределах от 1 до 100 мкм. Его лучше иллюстрировать понятием «удельная поверхность». Если просуммировать площадь поверхности зёрен в одном грамме цемента, то в зависимости от толщины помола цемента получатся значения от 2000 до 5000 см² (0,2—0,5 м²). Преобладающая часть цемента в специальных емкостях перевозится автомобильным или железнодорожным транспортом. Все перегрузки производятся пневматическим способом. Меньшая часть цементной продукции доставляется во влаго- и разрывостойких бумажных мешках. Хранится цемент на стройках преимущественно в жидком и сухом состояниях.

Источник

ГЛИНИСТЫЕ ПОРОДЫ И ИХ СВОЙСТВА

Введение

Глины являются одним из наиболее распространенных типов горных пород, слагающих до 11% всего объема земной коры. С ними часто приходится иметь дело при возведении фундаментов зданий и строительстве различных инженерных сооружений. Они повсеместно используются как сырье для производства керамики, кирпича, цемента, а также в качестве наполнителя при изготовлении резины, бумаги, буровых растворов и т.д. Глины обладают высокой адсорбционной способностью, и их успешно применяют для очистки масел, красок, вина, отбеливания тканей, а также как естественные экологические барьеры для борьбы с распространением техногенных загрязнений.

Несмотря на столь широкое использование глин и длительный опыт строительства на них, все еще существует много вопросов, связанных с особенностями поведения глинистых пород. Об этом наглядно свидетельствуют многочисленные деформации различных инженерных сооружений, происходящие в результате уплотнения, набухания, усадки, разжижения и размокания глинистых пород в их основаниях. По данным Геологической службы США, прямые и косвенные убытки, причиняемые этими негативными явлениями в различных государствах мира, достигают сотен миллиардов долларов и соизмеримы с потерями от крупных катастрофических явлений (землетрясений и наводнений).

Какова же природа свойств глинистых пород и чем объясняются столь специфические особенности их поведения?

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ ПОРОД

Глины образованы чрезвычайно мелкими по размеру микрокристаллами глинистых минералов, которые во многом определяют свойства этих пород. Глинистые минералы относятся к группе слоистых и слоисто-ленточных силикатов. Высокая дисперсность глинистых минералов является их естественным физическим состоянием. Обычно размер микрокристаллов этих минералов в глинах не превышает нескольких микрон. Частицы глинистых минералов имеют преимущественно пластинчатую форму, однако встречаются также частицы в виде полосок, трубочек, иголочек [4].

Высокая физико-химическая активность глинистых минералов обусловлена не только малым размером, но и особенностями их кристаллического строения. В основе кристаллической структуры глинистых минералов лежит контакт тетраэдрических и октаэдрических элементов. Первый элемент образован кремнекислородными тетраэдрами, состоящими из атома кремния и четырех окружающих его атомов кислорода. Отдельные тетраэдры, соединяясь друг с другом, создают непрерывную двухмерную тетраэдрическую сетку.

Другим структурным элементом глинистых минералов является октаэдр, образованный шестью атомами кислорода или гидроксильными группами. В центре октаэдра может располагаться атом алюминия, железа или магния. Отдельные октаэдры, соединяясь, образуют двухмерную октаэдрическую сетку. Благодаря близости размеров тетраэдрические и октаэдрические сетки легко совмещаются друг с другом с образованием единого гетерогенного слоя. Связь между гетерогенными слоями у глинистых минералов может быть различной в зависимости от особенностей строения слоя и его заряда. У некоторых глинистых минералов она достаточно прочна и обеспечивается взаимодействием атомов кислорода и гидроксильных групп (водородная связь) или катионами, располагающимися в межслоевом пространстве (ионно-электростатическая связь). У других минералов связь между слоями менее прочная и обусловлена молекулярными силами.

В первом случае глинистые минералы имеют более жесткую кристаллическую структуру, то есть такую, когда молекулы воды и обменные катионы не могут проникать в межслоевое пространство кристалла. У минералов с жесткой кристаллической структурой (каолинит, гидрослюда, хлорит, палыгорскит) внутрикристаллическое набухание (расширение межслоевого расстояния при взаимодействии с молекулами воды) отсутствует. Во втором случае глинистые минералы (монтмориллонит, нонтронит) имеют раздвижную кристаллическую структуру. При гидратации таких минералов молекулы воды и обменные катионы могут проникать в межслоевое пространство и существенно увеличивать межслоевое расстояние, обусловливая этим большое внутрикристаллическое набухание.

Помимо описанных глинистых минералов в природе также широко распространены так называемые смешанослойные минералы, образующиеся в результате упорядоченного или неупорядоченного чередования набухающих и ненабухающих структурных слоев (монтмориллонит-гидрослюда, монтмориллонит-хлорит). По своим свойствам смешанослойные глинистые минералы занимают промежуточное положение между минералами с жесткой и раздвижной кристаллическими структурами.

Глинистые минералы обладают ярко выраженными ионно-обменными свойствами, что совместно с малым размером частиц и высокой удельной поверхностью (суммарной площадью поверхности частиц в единице массы породы) определяет их повышенную адсорбционную способность. Это замечательное свойство позволяет использовать глины как природные высокоэффективные сорбенты для защиты почв, грунтов и подземных вод от техногенных загрязнений.

Чрезвычайно важным моментом при взаимодействии частиц глинистых минералов с водой является формирование вокруг их поверхности двойного электрического слоя (ДЭС) [1, 2]. Внутренняя часть ДЭС образована отрицательно заряженной поверхностью глинистой частицы, а внешняя состоит из адсорбционного и диффузного слоев гидратированных катионов. Структура ДЭС во многом зависит от pH и концентрации солей раствора, в котором он формируется. Из-за кристаллохимических особенностей строения глинистых минералов при изменении pH раствора наблюдается перезарядка торцевых участков глинистых частиц. Подобный эффект связан с амфотерными свойствами бокового скола октаэдрической сетки, который ведет себя подобно гидроокиси алюминия.

Толщина диффузного слоя зависит от состава и концентрации солей в водном растворе, окружающем частицы глинистых минералов. Она максимальна при отсутствии солей и резко сокращается по мере увеличения их концентрации. Подобное поведение ДЭС в различных физико-химических условиях является одним из главных факторов, регулирующих процессы структурообразования в глинистых осадках, и оно оказывает сильное влияние на формирование свойств глинистых пород в ходе их геологического развития.

Структура глинистых пород

Другим важным фактором, определяющим свойства глинистых пород, является их структура. Под структурой понимают размер, форму, характер поверхности и количественное соотношение структурных элементов, их ориентацию в пространстве и тип структурных связей [3].

В зависимости от состава и структуры глинистой породы между частицами могут существовать такие виды взаимодействий, как гравитационные, магнитные, молекулярные, электростатические, ионно-электростатические, силы поверхностного натяжения и силы, обусловленные химическими связями. Эти силы действуют не по всей межфазной границе частиц, а только в местах их непосредственных контактов. Характер индивидуальных контактов, а также их количество являются важными показателями структуры породы, от которых зависят ее прочностные и деформационные свойства.

В глинах между минеральными частицами возможно формирование трех типов контактов: коагуляционных, переходных и фазовых. Коагуляционные контакты преобладают у молодых глинистых осадков и слабоуплотненных глин. Их характерной особенностью является наличие между частицами тонкой равновесной пленки жидкости (связанной воды), толщина которой зависит от физико-химических факторов, достигая нескольких десятков нанометров. Притяжение частиц в коагуляционном контакте обусловлено дальнодействующими молекулярными, магнитными и электростатическими взаимодействиями. Важными особенностями коагуляционных контактов являются малая прочность и обратимый характер разрушения. После разрушения они могут быстро восстанавливаться. С этим связано явление тиксотропии молодых глинистых осадков, заключающееся в потере прочности при динамических воздействиях и ее восстановлении после снятия таких воздействий.

Переходные контакты распространены в водонасыщенных плотных глинистых породах, а также в не полностью водонасыщенных глинах, находящихся в сухом и слабовлажном состояниях. Они характеризуются небольшой (точечной) площадью соприкосновения и образованием между частицами относительно прочной связи за счет действия ионно-электростатических и химических (валентных) сил. Отличительной особенностью переходных контактов является их обратимость по отношению к воздействию воды, то есть способность переходить в коагуляционные контакты при увлажнении породы и восстанавливаться при высыхании.

В ходе геологического развития глинистых пород наблюдаются закономерная смена типов контактов и изменение их прочности. Так, при гравитационном уплотнении молодые глинистые осадки превращаются в пластичные глины. При этом происходит преобразование коагуляционных контактов в переходные. Дальнейшее уплотнение глин на больших глубинах при высоких давлениях и температурах приводит к трансформации переходных контактов в фазовые и формированию таких прочных глинистых пород, как аргиллиты и глинистые сланцы.

Как правило, глинистые породы, характеризующиеся присутствием того или иного типа контактов, обладают определенными свойствами. Таким образом, зная прочность этих контактов, можно оценить величину и тип структурных связей и дать прогноз прочностного поведения глинистой породы в различных условиях.

СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ ПОРОД

Зная факторы, определяющие свойства глинистых пород, и методы оценки минерального состава и микроструктуры, попытаемся объяснить природу некоторых важных и весьма специфических свойств глин, имеющих большое значение в жизни людей.

Под набухаемостью понимают способность глинистых пород увеличивать объем в процессе взаимодействия с водой или водными растворами [1]. Процесс набухания сопровождается увеличением влажности, объема породы и возникновением давления набухания.

Набухаемость глинистых пород является их важным свойством, которое необходимо учитывать при проведении строительных работ и эксплуатации инженерных сооружений. Недооценка набухающей способности глин может привести к серьезным последствиям и авариям. На рис. 2 показана деформация гражданского здания в поселке Черноморском Краснодарского края, последовавшая после набухания глинистых грунтов, на которых оно было построено. Максимальный подъем фасада здания составил

Глинистые породы, обладающие преимущественной ориентацией структурных элементов, характеризуются ярко выраженной анизотропией набухания. Наибольшее набухание отмечается в направлении, перпендикулярном ориентации частиц. В ходе процесса набухания происходит существенная перестройка исходной микроструктуры глинистой породы. На рис. 3, а показано изменение микроструктуры монтмориллонитовой глины при набухании. Контакт с водой происходил по верхней границе образца (вдоль линии А), нижняя часть образца соответствовала сухой зоне Г. По мере впитывания влаги в породу происходили гидратация, разрушение и диспергация исходных микроагрегатов монтмориллонитовых частиц (зона В ). В дальнейшем частицы разворачивались по направлению действия осмотического давления и формировались новые морфологические элементы в виде вертикальных и наклонных каналов (зона Б ), которые в плане соответствовали ячеистой микроструктуре (рис. 3, б ). Данный процесс сопровождался трансформацией переходных контактов в коагуляционные.

Подобные изменения микроструктуры обусловливают высокую пористость набухших глин, которая в конце процесса набухания может достигать 85-90%. Степень набухания (относительное изменение объема) описанной монтмориллонитовой породы за 94 ч набухания составила 350 %!

Под физико-механическими свойствами горных пород понимают их реакцию на действие внешних нагрузок. Физико-механические свойства горных пород можно разделить на деформационные и прочностные.

Деформационные свойства пород характеризуют их поведение под нагрузками, не приводящими к разрушению. В результате воздействия давления на породу она деформируется, что выражается в изменении ее объема и формы. Особенно ярко деформационные свойства проявляются во влажных пластичных глинах. В них под влиянием внешних нагрузок начинаются процессы уплотнения и существенного изменения объема. Так, при возведении и последующей эксплуатации сооружений может происходить значительная осадка пород, достигающая нескольких сантиметров, а иногда и более. Поэтому одними из главных вопросов, которые предстоит решать при строительстве на глинистых породах, являются прогноз осадки сооружения и оценка критических условий деформирования пород оснований, при превышении которых может наступить разрушение самого сооружения.

Есть несколько путей решения такой задачи. Наиболее точно осадка породы может быть проанализирована при штамповых испытаниях, когда на поверхность исследуемого массива породы устанавливают металлический штамп размером до 0,5 м2 и на него с помощью специального домкрата ступенями подают давление. Нагрузка увеличивается до тех пор, пока штамп не начинает опускаться в исследуемую породу. По данным описанного полевого эксперимента можно установить такой важный деформационный показатель, как модуль деформации, характеризующий величину осадки глинистой породы при заданном давлении.

Определение сжимаемости пород может также проводиться и в лабораторных условиях при компрессионных испытаниях небольших по размеру образцов. В результате этих экспериментов определяется модуль деформации, с помощью которого можно рассчитать осадку глинистой породы под действием веса сооружения.

К сожалению, знание только деформационного поведения глинистых пород является недостаточным для решения проблемы устойчивости инженерных сооружений и прогноза поведения пород в различных условиях. Поэтому помимо деформационных свойств глинистых пород необходимо знать и их прочностные свойства.

Прочность пород характеризует их способность сопротивляться внешним усилиям вплоть до полного разрушения и определяется при критических (разрушающих) нагрузках, действующих на породу в момент ее разрушения.

Особую трудность представляет рассмотрение прочностных свойств глинистых пород в связи с их специфическим поведением при взаимодействии с водой. Хорошо известна потеря прочности при увлажнении глин, когда они из плотных и высокопрочных пород превращаются в пластичные или жидкотекучие тела. На рис. 4 показана фотография оползня в глинистых породах, происшедшего в 1995 году вблизи небольшого городка Ла-Канчита в Калифорнии (США). Оползень объемом

400 000 м3 сформировался на крутом откосе вследствие интенсивного увлажнения в зимнее время склоновых отложений. Разрушено девять зданий, 100 семей были эвакуированы из зоны бедствия. Финансовые потери в результате оползня составили около 24 млн долларов.

Несмотря на то что начиная с конца XVIII века проектировщики и строители использовали уравнение (1) и параметры j и с для оценки прочности массивов глинистых пород, в рамках этой теории оказалось чрезвычайно сложно объяснить влияние различных факторов на прочность глин. Решить эти задачи помогает физико-химическая механика дисперсных грунтов. Использование физико-химических принципов для изучения прочности глинистых пород осуществляется на базе всестороннего анализа их состава и микроструктуры. Эти данные являются основой для выбора соответствующей физико-химической модели глинистой породы, которая позволяет рассчитать прочность индивидуальных контактов и определить тип структурных связей между частицами породы. В свою очередь, знание характера структурных связей, а также минерального состава глинистой породы дает возможность решать любые прогнозные задачи по оценке изменения прочностного поведения глин в тех или иных условиях.

В рамках физико-химической механики дисперсных грунтов процесс формирования катастрофического оползня в Ла-Канчите можно объяснить следующим образом. В результате увлажнения глинистых пород, слагающих склон, произошла трансформация более прочных переходных контактов в коагуляционные, сопровождающаяся существенным ослаблением структурных связей. Уменьшение прочности структурных связей привело к резкому повышению сдвиговых напряжений и началу сдвиговых деформаций по наиболее ослабленным участкам склона. В ходе нарастания сдвиговых деформаций в глинах, находящихся в пределах зоны сдвига, происходила переориентация глинистых частиц и шло формирование поверхностей скольжения.Необходимо отметить, что на начальных стадиях оползневого процесса ширина зоны сдвига в глинистых породах имеет микроскопические размеры и обычно не превышает 10-100 мкм. После достижения сдвиговыми деформациями критической величины устойчивость склона была нарушена и произошло смещение крупного оползня.

Описанный процесс можно было бы довольно точно спрогнозировать используя физико-химический подход к оценке прочностного поведения глинистых пород, изменяющегося в результате воздействия повышенной влажности и трансформации типа контактов между глинистыми частицами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье рассмотрены лишь некоторые особенности состава, структуры и свойств глинистых пород. Тем не менее даже из этого краткого сообщения видно, что природа свойств глин чрезвычайно многолика и сложна. Решению многих проблем, связанных с такими породами, помогает использование современных методов исследования, разработанных в грунтоведении и физико-химической механике дисперсных пород. Применение этих методов позволяет объяснить влияние многих факторов на свойства глин и спрогнозировать изменение их свойств в условиях изменяющейся окружающей среды.

ЛИТЕРАТУРА

Источник