Типы структурных связей в мерзлых грунтах
РАЗДЕЛ 5. Микростроение мерзлых грунтов.
Процессы структурообразования в криолитозоне являются результатом взаимодействия многих составляющих криогенеза. Эти процессы формируют пространственное соотношение компонентов мерзлых грунтов и определяют, в конечном счете, их микростроение (т. е. совокупность микроструктуры и микротекстуры). Микростроение дисперсных мерзлых грунтов складывается из особенностей их структурных элементов (частиц скелета и их агрегатов, включений льда) и характера связей между ними.
Характеристика структурных элементов мерзлых грунтов
Основные структурные элементы дисперсных мерзлых пород (рис. 5.1):
‒ минеральные зерна песчаной и алевритовой размерности и их агрегаты образуют скелет породы;
‒ глинистые частицы и органоминеральные коллоиды составляют матрикс породы;
‒ лед составляет цемент породы или включения, которые формируют криогенную текстуру;
‒ органика (растительные и животные остатки, микроорганизмы) относится к включениям породы;
‒ пористость определяется как пустотное пространство аналогично немерзлым дисперсным отложениям.
Рис. 5.1. Структурные элементы дисперсных мерзлых пород.
Типы структурных связей в мерзлых грунтах
Анализ структурообразования дисперсных отложений в криолитозоне базируется на общей теории структурообразования коллоидных систем ДЛФО, названной по первым буквам фамилий ее основных разработчиков – отечественных ученых Б.В. Дерягина и Л.Д. Ландау и нидерландских Е. Фейрвейя и Т. Овербека. Большую роль в развитии этой теории сыграли работы П.А. Ребиндера, в последнее время эта теория успешно применена и развита для глинистых грунтов В.И. Осиповым [1979] и В.Н. Соколовым [1988]. Одним из главных постулатов теории является понятие структурных связей, которые связывают отдельные составляющие в единую систему с определенными свойствами; в то же время сами связи есть результат сложных взаимодействий различной природы и энергии.
В мерзлых грунтах выделяется несколько различных по характеру связей.
Связи химической природы (кристаллизационные). К этой группе относятся, во-первых, внутрикристаллические связи различных минералов, во-вторых, кристаллические связи включений льда в мерзлых породах. Первые осуществляются на уровне валентных электронов атомов и проявляются на крайне малых расстояниях (сотые – тысячные доли нанометров). Вторые характеризуются в основном водородной связью, которая по своей прочности существенно уступает другим типам химических связей, что и определяет прочностные и реологические свойства льда.
Связи электростатической природы (кулоновские). Эти связи действуют за счет появления на поверхности частиц некомпенсированных электрических зарядов, обусловленных кристаллохимическим строением дисперсных минералов (особенно глин), их гидратацией, а также трением или разрушением. Они наиболее активны в маловлажных грунтах и могут выступать как силы притяжения или силы отталкивания. Электростатическое притяжение обусловлено ионно-электростатическими силами, возникающими вследствие взаимодействия отрицательно заряженных частиц с находящимися в растворе катионами, а также между разноименно заряженными поверхностями глинистых частиц. Электростатические силы притяжения действуют на расстояниях от 0,5 до 3,0 нм, а их величина сильно варьирует. Для двух монтмориллонитовых частиц в сухом состоянии она составляет около 3⋅10–11 Н, но в благоприятных условиях для полиминеральных глин может достигать (2–6)·10–6 Н, при этом величина электростатических сил резко уменьшается с увеличением влажности грунтов (усилие лапки мухи составляет приблизительно 10–10 Н).
Связи молекулярной природы (ван-дер-ваальсовые) определяют силы притяжения электромагнитной природы, действующие между отдельными атомами и молекулами, особенно в тонкодисперсных грунтах, обладающих большой удельной поверхностью. Но в некоторых случаях, когда взаимодействие дисперсных частиц с водой больше, чем друг с другом, они могут выступать и как отталкивающие. Они обладают достаточным дальнодействием (до 100 нм) и играют важную роль в процессах формирования микростроения рыхлых отложений при их седиментогенезе в водной среде. Величина молекулярных сил зависит от размера, формы частиц и расстояния между ними.
Связи магнитной природы. Появление этих связей обусловлено присутствием железа в кристаллической решетке некоторых минералов, а также наличием пленок и корочек ферромагнитных минералов на поверхностях дисперсных частиц. Связи магнитной природы всегда выступают как силы притяжения. Исследования Ю.Б. Осипова [1968] показали, что в условиях естественного геомагнитного поля они составляют всего лишь 10–15 Н.
Связи капиллярной природы. Влажные дисперсные грунты, а также мерзлые с большим количеством незамерзшей воды имеют значительное количество капиллярных менисков, приводящих к возникновению капиллярных сил, проявляющихся как силы притяжения. Связи капиллярной природы зависят от некоторых других факторов: количества влаги, формы частиц, величины поверхностного натяжения, и могут достигать довольно больших значений (до (1–5)⋅10–7 Н).
Указанные типы связей образуются и являются определяющими в формировании структуры и свойств немерзлых дисперсных грунтов. Однако при промерзании в грунтах образуются так называемые льдоцементационные связи, которые по своему значению в мерзлых грунтах выходят на первое место.
Льдоцементационные связи образуются между частицами скелета и включениями льда и определяются силами адгезии, под которыми подразумевается сцепление, складывающееся из сил механического сцепления включений льда с элементами скелета и молекулярных сил сцепления, по своей природе сходных с молекулярными связями частиц в немерзлом грунте. Величина сил механического сцепления зависит от характера поверхности частиц скелета и формы агрегатов. Она увеличивается у частиц с шероховатой и особенно губчатой поверхностью по сравнению с гладкой, а также у частиц грунтов с преобладанием агрегатов сложной, извилистой формы.
Величина молекулярных сил сцепления определяется взаимодействием льда и органоминерального скелета. А поскольку лед и поверхность частиц и агрегатов в мерзлых породах всегда разделяются жидкой прослойкой незамерзшей воды, эта величина зависит, прежде всего, от температуры и может колебаться в значительных пределах. В целом льдоцементационные связи могут увеличивать прочность породы при промерзании в десятки и сотни раз в зависимости от температуры и влажности. Анализ зависимости прочности мерзлых грунтов от температуры [Врачев, Рогов, 1977] показал, что кривые прочности песка и льда ниже температуры основных фазовых переходов идут практически параллельно (т. е. рост прочности прекращается), а у глинистых грунтов прочность продолжает расти и не только за счет льдоцементационных связей. Поскольку появление этих связей вызвано изменением структуры глинистых грунтов при промерзании, их назвали криоконсолидационными. Эти связи образуются в результате выпадения солей из почвенного раствора, а также при осаждении гелей и коллоидов, и по своей природе аналогичны структурным связям в немерзлых грунтах. Прочность криоконсолидационных связей не превышает 10–20 % от общей прочности мерзлого грунта, но их роль в структурообразовании мерзлых пород весьма велика. Образование криоконсолидационных связей в мерзлых грунтах – это длительный процесс, протекающий на протяжении всего периода формирования мерзлых грунтов.