Актуальность. Известно, что прочность глинистых грунтов во многом определяется прочностью структурных связей. Изучением структурных связей занимались такие видные ученые, как Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. [1], Кульчицкий Л.И., Усьяров О.Г.[2], Осипов В.И. [5], Соколов В.Н [9]. Однако вопросы влияния минерального состава глин на формирование структурных связей раскрыты недостаточно полно. Поэтому целью данной работы является установление закономерностей изменения электрокинетического потенциала поверхности частиц глины в зависимости от их минерального состава.
Объект исследований: глинистые суспензии различного состава. Глины монтмориллонитовые и каолинитовые (дисперсная фаза). В качестве поровой жидкости использовали дистиллированную воду (дисперсионная среда).
Подготовка образцов. Для измерений были приготовлены водные растворы глины с влажностью 92% и 60%, что соответствует 8% и 40% твердой компоненты. Для этого навеску глины вносили в цилиндр с водой, тщательно перемешивали и оставляли для установления равновесия системы, после чего отбирали пробу. Всего было подготовлено 20 проб.
Методика.Структурные (размер частиц) и электрокинетические характеристики (электрокинетический потенциал, или дзета-потенциал) глины в воде измеряли с помощью анализатора частиц субмикронного размера и дзета-потенциала DelsaNanoC (Bruker). Измерение размера частиц проводили в ячейке с кварцевой кюветой, а определение дзета-потенциала частиц – в проточной ячейке. В основе измерений размеров частиц и электрокинетических характеристик лежат методы фотонно-корреляционной спектроскопии (PCS), основанные на принципе динамического рассеяния света и электрофоретического светорассеяния [10].
Наряду с измерением структурных и электрокинетических характеристик исследуемых глинистых систем осуществляли мониторинг размеров частиц во времени, критерием которого служило время аккумулирования (аccumulationtimes). Это время накопления данных, выражается в условных единицах. По умолчанию (настройки прибора) используется величина 70, т.е. когда величина светорассеяния составляет порядка 10000 импульсов в секунду, что соответствует примерно 20 мин. За это время осуществляли измерение размера и электрокинетического потенциала частиц в пробе.
Определение полидисперсности (П) осуществлялось на основании распределения интенсивности в зависимости от размеров частиц согласно [3]. Кроме того, изучался минеральный состав глин по методике [7].
Результаты исследований и их обсуждение. Результаты определения минерального состава глин приведены в таблице 1. Из таблицы 1 видно, что в монтмориллонитовых глинах содержание минерала монтмориллонит составляет 41%, в каолинитовых глинах — каолинит 74%.
Таблица 1
Минеральный состав глин
|
Минерал |
Монтмориллонитовая, содержание, % |
Каолинитовая, содержание, % |
|
Кварц |
20,1 |
19,0 |
|
Монтмориллонит |
41,4 |
|
|
Хлорит-монтмориллонитовое смешаннослойное образование |
13,3 |
|
|
Плагиоклазы |
11,8 |
|
|
КПШ |
5,0 |
|
|
Кальцит |
8,4 |
|
|
Каолинит |
|
73,9 |
|
Иллит (гидрослюда) |
|
7,1 |
|
Сумма |
100 |
100 |
На рисунке 1 приведены данные мониторинга размеров частиц монтмориллонитовой (а) и каолинитовой глины (б) в воде, позволяющие оценить размерный диапазон частиц дисперсной фазы.
а 
б
Рис. 1. Результаты определения размеров частиц монтмориллонитовой (а) и каолинитовой глины (б) в воде во времени (при аккумулировании)
Так, из рисунка 1 видно, что размер частиц монтмориллонитовой глины в исследуемом растворе изменяется с 0,8 до 2,8 мкм, а в каолинитовой глине – в пределах 0,5–6,0 мкм. Для установления среднего диаметра частиц глин проведена первичная обработка данной информации, которая представлена в виде дифференциальной зависимости интенсивности рассеивания излучения от размера частиц монтмориллонитовой (а) и каолинитовой глины (б) в воде (рис. 2). При этом высота каждого пика представляет собой процент (% количество) от общей интенсивности рассеяния и пропорциональна интенсивности рассеяния, вызванного частицами определенного размера.
а 
б
Рис. 2. Зависимость интенсивности рассеивания излучения от размера частиц монтмориллонитовой (а) и каолинитовой глины (б) в воде
Из рисунка 2 видно, что система «монтмориллонитовая глина – вода» представлена частицами средним диаметром Rм=1,62 мкм и среднеквадратичным отклонением Sм=0,37 мкм. В системе «каолинитовая глина – вода» наблюдается две группы разных по размеру частиц. Первая группа сложена частицами размером Rк1=4,22 мкм и Sк1=1,09 мкм, вторая группа представлена частицами меньшего размера Rк2=0,79 мкм и Sк2=0,11 мкм.
Таким образом, с позиций размера частиц пробы, представленные монтмориллонитовыми глинами, более однородны и в 2 раза меньше, чем пробы, представленные каолинитовой глиной. Данный вывод подтверждается также значением параметра степени полидисперсности (П), который для монтмориллонитовой глины П=0,25, а для каолинитовой глины полидисперсность увеличивается до П=1,35.
Электрокинетический потенциал (дзета-потенциал, ζ-потенциал). Для определения энергии на поверхности частиц глины в воде был измерен электрокинетический потенциал (дзета-потенциал), значения которого представлены в таблице 2.
Из таблицы 2 видно, что дзета-потенциал имеет отрицательный заряд. Это говорит о том, что молекулы воды (противоионы) не полностью компенсируют отрицательный заряд глинистой частицы при формировании адсорбционного слоя коллоида. Следует отметить, что измеренные значения ζ-потенциала характеризуют энергетическое состояние на поверхности адсорбционного (неподвижного) слоя коллоида. Поэтому, чем большее значение принимает дзета-потенциал, тем большую мощность диффузионного (подвижного) слоя формирует коллоид.
Таблица 2
Электрокинетические и энергетические параметры
|
Наименование грунта |
Массовая концентрация, % |
Средний размер частиц, мкм |
Энергия молекулярного взаимодействия, -Um×1016, Дж/м2 |
ζ-потенциал, мВ |
|
Монтморилло-нитовая глина |
8 |
1,62 |
1,15 |
-16,8±1,3 |
|
40 |
1,62 |
>0,58 |
-3,5±0,6 |
|
|
Каолинитовая глина |
8 |
0,79 |
17,78 |
-30,0±1,8 |
|
4,22 |
0,63 |
|||
|
40 |
0,79 |
>8,89 |
-5,6±0,4 |
|
|
4,22 |
>3,12 |
Сопоставление ζ-потенциалов монтмориллонитовой и каолинитовой глин показало, что численные значения дзета-потенциала в каолинитовой глине в 2 раза выше, чем в монтмориллонитовой. При этом с повышением влажности смеси дзета-потенциал увеличивается.
Энергия молекулярного взаимодействия. В таблице 2 приведены данные молекулярного взаимодействия глинистых частиц, рассчитанные согласно [7]. Из таблицы 1 видно, что в исследуемых смесях наблюдается молекулярное притяжение коллоидов как монтмориллонитовой, так и каолинитовой глин, о чем свидетельствуют отрицательные значения Um. Результаты исследований не противоречат данным [1, 5, 9]. Силы взаимного притяжения (Um) между частицами могут преобладать над электростатическими силами отталкивания в случае, когда ζ -потенциал системы будет меньше 30 мВ (табл. 1). Отсюда видно, что электрокинетический потенциал (ζ -потенциал) играет существенную роль в формировании прочности структурных связей в смеси: чем меньше ζ-потенциал, тем выше силы взаимного притяжения (Um) между частицами, а, значит, и прочность структурных связей смеси (рис. 3).
Рис. 3. Схема взаимодействия коллоидов: 1 – минеральная частица глин; 2 – адсорбционный слой; 3 – диффузионный слой
Заключение
1. Экспериментально установлено, что частицы монтмориллонитовой глиной более однородны и в 2 раза меньше по размеру, чем частицы каолинитовой глины.
2. Дзета-потенциал в каолинитовой глине в 2 раза выше, чем в монтмориллонитовой глине, но не превышает 30 мВ.
3. В исследуемых системах преобладающими являются силы молекулярного притяжения. Это характерно как для монтмориллонитовой, так и для каолинитовой глин, о чем свидетельствуют значения ζ<30мВ.
4. Прочность структурных связей в монтмориллонитовой глине выше, чем в каолинитовой глине. Об этом свидетельствуют меньшие значения дзета-потенциала и энергии молекулярного притяжения.
Рецензенты:
Ибламинов Р.Г., д.г.-м-н., зав. кафедрой минералогии и петрографии Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь;
Осовецкий Б.М., д.г.-м-н., профессор кафедры минералогии и петрографии Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.