Гидратные оболочки частиц.

На рис. 2.4. представлена схема взаимодействия молекулярных сил на границе раздела твёрдой частицы и воды в электрическом поле грунтовой частицы.

Наибольшие силы притяжения испытывают ряды молекул, непосредственно соприкасающиеся с поверхностью минеральной частицы. По мере удаления от неё электромолекулярные силы значительно уменьшаются, и на некотором расстоянии молекулы воды будут уже неориентированными, находящимися в свободном от поверхностных сил состоянии.

Рис. 2.4. Схема электромолекулярного

взаимодействия поверхности минеральной частицы с водой:

1 – минеральная частица;

2 – вода прочносвязная;

3 – вода рыхлосвязная (осмотическая);

4 – вода свободная.

На рис. 2.4. схематически изображена эпюра изменения электромолекулярных сил в зависимости от расстояния до поверхности грунтовой частицы.

Величина электромолекулярных сил быстро понижается по мере увеличения расстояния от поверхности минеральной частицы и на расстоянии порядка десятых долей микрона приобретает ничтожно малую величину, не превосходящую силы тяжести элементарных частиц.

Электромолекулярные силы взаимодействия между поверхностью твёрдой частицы и молекулами воды весьма велика и составляет около 1000 МПа.

Самые близкие к минеральной частице слои в 1-3 ряда молекул воды, соприкасающиеся с твёрдой поверхностью, настолько связаны электромолекулярными силами притяжения с поверхностью, что их не удаётся удалить ни внешним давлением в несколько атмосфер, ни действием напора воды. Эти слои образуют плёнки так называемой прочносвязанной (адсорбированной) воды.

Следующие слои молекул воды, окружающей минеральные частицы будут связываться, и ориентироваться посредством ориентированных молекул воды по мере удаления от поверхности грунтовых частиц всё меньшими силами. Они образуют слои рыхлосвязанной (лиосорбированной) воды, которые поддаются выдавливанию из пор грунта внешним давлением до нескольких бар (иногда МПа).

Наконец, молекулы воды, находящиеся вне сферы действия электромолекулярных сил взаимодействия с поверхностью минеральных частиц, будут образовывать свободную воду (гравитационную, капиллярную, грунтовую).

Слои прочносвязанной и рыхлосвязанной воды образуют диффузную оболочку.

Расположенные в пределах диффузной оболочки катионы совместно с отрицательно заряженной поверхностью грунтовой частицы (рис. 2.4.) образуют так называемый двойной электрический слой. Наибольший потенциал (термодинамический ψ) будет у неподвижных анионов твёрдой частицы, снижение электрического потенциала по толщине диффузного слоя до уровня потенциала в свободном водном растворе соответствует электрокинетическому потенциалу (или, так называемому, ξ-потенциалу). Чем больше ξ-потенциал, тем больше толщина диффузной водной оболочки частицы.

Прочносвязанная вода обладает свойствами, существенно отличающимися от свойств свободной воды. Свойства её скорее соответствуют твёрдому, а не жидкому телу. Прочносвязанная вода не отделяется от твёрдых частиц даже при воздействии сил, в десятки раз превышающих силы земного притяжения, замерзает при температуре значительно ниже 0º C, имеет большую, чем свободная вода плотность, обладает ползучестью. Такую воду можно отделить от твёрдой частицы лишь выпариванием при tº выше 100º C.

Рыхлосвязанная вода представляет собой диффузный переходный слой от прочносвязанной воды к свободной. Она обладает свойствами прочносвязанной воды, но эти свойства выражены слабее.

Рассмотренные аномальные свойства связанной воды обуславливают неподвижность адсорбированных у поверхности минеральных частиц слоёв воды, мешая их свободной текучести, свойственной жидкостям, и тем самым, блокируя наиболее узкие и сужая более широкие поры между частицами грунта. В результате наблюдается значительное уменьшение водопроницаемости особенно глинистых грунтов, а при небольших гидравлических градиентах даже полная их водонепроницаемость.

Перемещение связанной воды наблюдается при увеличении внешнего давления, когда часть воды диффузных оболочек будет выжиматься из областей контактов минеральных частиц. При сжатии полностью гидратированных частиц уменьшается расстояние между катионами диффузного слоя, возникают электростатические силы отталкивания, которые уравновесят внешнее давление. При дальнейшем увеличении давления диффузные оболочки вновь сжимаются, выдавливается новая порция воды, на более близком расстоянии возникают увеличенные силы отталкивания, которые вновь уравновешивают внешнее увеличенное давление. При разгрузке вследствие преобладания сил отталкивания и электроосмотических явлений твёрдые частицы раздвинутся, и будет наблюдаться “расклинивающий эффект” тонких слоёв воды.