10.2. Анализ влияния электролитов на увлажнение и прочность неуплотненной глины.

В отличие от уплотненной глины в неуплотненной глине поры имеют значительные размеры, в которые способны вместе с водой проникать как гидратированные ионы, так и макромолекулы полимеров. В зависимости от вида электролитов результаты взаимодействия проникших в поры глины ионов могут быть различными. Как отмечено выше, все электролиты можно разделить на три группы: щелочные, кислотные и нейтральные.

При взаимодействии щелочных электролитов (невысокой концентрации) с глинистыми частицами происходит активация последних (смотри часть 1,

п 4.3)

SiOH+NaOH  SiO^- +H₂O+Na⁺,

в результате чего объемная энергия глины возрастает, увеличивается «всасывание» воды, повышается влажность, понижается пластическая прочность глины.

С увеличением концентрации щелочи количество катионов в растворе возрастает , увеличивается плотность эффузивного слоя и при

н екоторой критической концентрации электролита происходит постепенная дезактивация глинистых частиц, в результате чего толщина гидратного слоя воды вокруг частиц понижается, понижается влажность глины, повышается ее пластическая прочность глины.

Степень гидратации и дегидратации для различных щелочных электролитов при повышении их концентрации различна. Она зависит от гидрофильности катионов, силы взаимодействия их с анионами раствора и растворимости электролитов.

Рис.10.1. Зависимость влажности глинистых образцов К₂ помещенных в раствор щелочных электролитов от концентрации последних: 1- в раствор NaOH, 2 - в раствор Na₂SiО₃, 3- раствор Na₂СО₃, 4 - в раствор Na₃РO₄.5 - раствор Ва(ОН)

На рис. 10.1. показан график зависимости гидратации и дегидратации образцов неуплотненной глины, помещенных в растворы различных щелочных электролитов (этот и последующие графики построены по экспериментальным материалам В.Д. Городнова)

Исследования показывают, что наиболее активно гидратация протекает при введении в раствор щелочей NaOH, КОН, Ва(ОН)₂, менее активно (вследствие меньшей концентрации гидроксильных групп в растворе) для щелочных солей и совсем неактивно для слаборастворимых оснований Са(ОН)₂.

Активность дегидратации зависит от плотности и активности катионов в диффузном слое вокруг глинистых частиц, концентрации и активности анионов электролитов. В растворах щелочных солей при гидролизе образуется значительное количество достаточно активных анионов НРО₄^2-, Н₂РО₄^-, НСО₃^- и т.д., снижающих активность катионов.

В растворах хорошо растворимых щелочей (например, растворах NaOH с растворимостью 108 г. на 100мл. воды) после гидратации частиц концентрация катионов быстро возрастает, дегидратация глинистых частиц протекает интенсивно.

В растворах менее растворимых щелочей Ba(OH)₂ (с растворимостью 39 грамм на 100 мл. воды), количество катионов в растворе значительно меньше. Да и катионы более гидрофильны и менее подвижны. Поэтому, несмотря на большую валентность катионов, нейтрализация глинистых частиц происходит слабее, область дегидратации значительно растягивается.

При взаимодействии нещелочных электролитов с глинистыми частицами гидратация частиц не возможна, даже при малой концентрации электролита в результате нейтрализации потенциала глинистых частиц наблюдается их дегидратация.

Активность взаимодействия катионов с глинистыми частицами в соответствии с исследованиями К.К. Гедройца (см. часть 1, п. 4.4.) зависит от их валентности и ионного радиуса. Для почв, грунтов (в том числе и глинистых) вследствие малого ионного радиуса наибольшую активность проявляет ион водорода Н⁺, а наиболее сильным нещелочным электролитом являются кислоты, активно нейтрализующие потенциал частиц, интенсивно понижающие влажность глины.

Как показывают экспериментальные исследования В.Д. Городнова с помощью кислот можно понизить влажность глины К₂ до 0,3, чего вследствие гидрофильности других катионов достичь невозможно. На рис.10.2. показана зависимость влажности глинистых образцов в растворе соляной кислоты от ее концентрации. В противоположность действию на глинистые частицы щелочных электролитов вместо гидратации мы наблюдаем дегидратацию частиц.

Такую зависимость можно объяснить следующим образом. За счет нейтрализации заряда глинистых частиц при концентрации кислоты до 0,3% влажность глины К₂ понижается (до 30%), а при дальнейшем повышении концентрации в растворе появляется избыток анионов Cl⁺ (так как часть катионов адсорбируется глинистыми частицами), который образует

в торой слой ДЭС глинистых частиц. Происходит их постепенная активация и гидратация до нормальной влажности глины.

Рис.10.2. Зависимость влажности глинистых образцов в растворе соляной кислоты от ее концентрации

Р астворы нейтральных электролитов при малых концентрациях не вызывают экстремальных значений повышения или понижения влажности глины. Начиная с нулевой концентрации, они с увеличением концентрации, плавно понижают влажность глины до некоторого предела характерного для данного раствора. Вследствие гидрофильности катионов понизить влажность глины до нуля невозможно.

Рис. 10.3. Зависимость влажности глинистых образцов в растворе электролитов солей одновалентных металлов от концентрации последних: 1 – CaCl₂; 2 – СaSO_4; 3 – BaCl₂; 4 - KАlSO₄

И з рис.10.3 и 10.4 видно что влажности, зависит от гидрофильности катионов и анионов с увеличением гидрофильности. Эффективность электролита понижается, а с увеличением валентности катионов резко повышатеся.

Рис. 10.4. Зависимость влажности глинистых образцов в растворе нещелочных электролитовполивалентных металлов от концентрации последних: 1-CaCl₂; 2-СаSО₄; 3-ВаСl₂; 4-КАlЅО4

То же самое можно наблюдать и для электролитов с поливалентными катионами (рис.10.4).

Из рисунка 10.3 и 10.4 также следует, что при малой концетрации электролита интенсивность понижения влажности многократно выше, им при последующим повышений концетрации это можно объяснить следующим образом.

При введении раствора электролита в суспензию свежего бентонита с гидрофильной дисперсной фазы катионы активно взаимойдействует с глинистыми частицами нейтрализует их заряд, а следовательно понижают влажность образца. После установления равновесия содержания катионов в глине и растворе снижаетя до нуля. С повышением концетрации электролиа в растворе вновь появления добаланс катионов и анионов. Из раствора вновь поступаю в суцементированые влажность еще больше понижается. Но количество катионов взаимодействует с глинистыми частицами будет меньше, так как глины уже частично нейтрализованы. Поэтому темп снижения влажности снижается. Такой процесс приводит к равновесию раствора и глины и т.д.

При бурении скважины постоянно обнажаются стенки скважины и также процесса будут многократно повторяться. И при постоянной концетрации электролитов равновесие будет наблюдаться на все меньшим уровне. Эффективность раствора снижения водоотдачи будет все время снижаться с целью определения оптимальной концетрации раствора при бурении необходимо постоянно отбирать пробы раствора определять концетрацию электролиты и в случае необходимости повышать концетрации.

Прочность глинистых пород находится в прямой зависимости от их влажности. Глинистые частицы, как отмечено, связаны между собой пленками воды. Прочность же пленок зависит от энергии межмолекулярного взаимодействия (U) каждой молекулы воды с глинистыми частицами.

Глинистые частицы породы находятся на относительно небольшом расстоянии друг от друга, и каждая молекула воды взаимодействует одновременно не с одной (как в буровом растворе), а с целым рядом близлежащих глинистых частиц. Энергию взаимодействия молекул воды с этими частицами можно определить суммированием энергий взаимодействий молекулы воды с каждой частицей в отдельности, например, с помощью интегрирования.

Приближенный расчет в предположении аддитивности (суммирования) энергии межмолекулярных взаимодействий как отмечено выше был проведен Буром и Гамакером [6, 9].

Для вывода уравнения энергии межмолекулярного притяжения использовалось уравнение энергии притяжения одной молекулы к поверхности адсорбента (в данном случае глинистых частиц):

(10.1)

где С - константа, зависящая от природы взаимодействующих молекул, n - число частиц; h - расстояние от молекулы воды до глинистых частиц (толщина пленки воды).

В результате после интегрирования Бур и Гамакер получили формулу

, (10.2)

где А-константа Гамакера, равная примерно 10^-19 Дж.

Удельная сила взаимодействия молекул воды с поверхностью глинистых частиц (прочность пленки) соответственно будет равной

, (10.3)

где С_о - постоянная величина.

С увеличением влажности глины толщина пленки увеличивается, а ее прочность и прочность глины в целом понижаются

Влажность глины можно выразить формулой

, (10.4)

где V_в - количество воды, поглощенной глиной; S - суммарная поверхность глинистых частиц, m – количество частиц, h – толщина пленки воды. Отсюда

, (10.5)

Подставляя значения h в формулу (10,3), получим

, (10.6)

т.е. прочность глины обратно пропорциональна ее влажности в кубе.

Отношение прочностей образца глины различной влажности можно записать в виде

, (10.7)

а прочность образца любой влажности f_i

, (10.8)

где f - начальная прочность образца глины; К - начальная влажность образца, К_i влажность насыщенного водой образца.

Экспериментальные данные подтверждают полученные расчеты (табл.10.1).

Прочность «сухих» уплотненных пород с весьма тонкими водными пленками (h) во многих случаях не уступает прочности других осадочных пород: известняков, песчаников. С увеличением толщины гидратной пленки межмолекулярное взаимодействие между частицами резко понижается, понижается и пластическая прочность глины (рис.10.5). Прочность гидратной пленки с уменьшением толщины быстро возрастает. У самой поверхности частицы сила взаимодействия молекул воды достигает тысяч кг/см² (см. часть 1, 3.3). С удалением от частицы эти силы снижаются обратно пропорционально расстоянию в седьмой степени.

Таблица 10.1