2.2 Физико-механические свойства торфов

Деформационные и прочностные свойства торфа зависят в основном от показателей плотности и влажности торфа с учётом его степени разложения ,дисперсности и водопроницаемости. Степень разложения характеризует уровень распада волокнистых фракций торфа. Её влияние на механические свойства торфа очень существенно, т.к. с ней тесно связаны показатели плотности и влажности. Твёрдые частицы в торфе не образуют сплошной массы, как в твёрдых породах, а занимают лишь часть объёма грунта, поэтому торф, как и другие рыхлые породы, характеризуется пористостью. В торфяной залежи, ниже уровня грунтовых вод поры практически полностью заполнены жидкостью, Выше уровня грунтовых вод присутствует газовая фаза, заполняющая поровое пространство незанятое жидкостью. Твёрдые частицы в торфе связаны между собой через молекулы воды. Эта связь во много раз слабее внутренних молекулярных связей внутри частиц. От пористости зависит и плотность торфа. Различают три вида плотности: объёмная (γ); твёрдого ( условно беспорового) вещества (γ_s) и плотность сухой твёрдой фазы в объёме всего образца (γ_d), которую иногда называют плотностью скелета торфа. Другие важные свойства торфов это содержание органической части (Q ,%), зольность (А, %) и процентное содержание фракций размером более 250 мкм. (D₂₅₀).

Таким образом – торф это 3-х фазная система, все фазы которой могут изменять свои параметры.

Р ис 1.1 Модель строения торфа

V₁ - объём твёрдой фазы

V₂ - объём жидкой фазы

g₁ - масса твёрдой фазы

g₂ - масса жидкой фазы

1).Влажность торфа

W= 100g₂/g_{1 ,}% -весовая влажность торфа

2). Объёмная плотность торфа

Это отношение массы торфа и воды к их объёму

3). Плотность частиц (твёрдой фазы) в их объёме

4). Плотность сухого вещества( твердой фазы) в единице объёма образца

5). m - объём твёрдых частиц ( скелет торфа ) в единице объёма

торфа

6) .n - пористость – объём пор в единице объёма торфа

m + n = 1

m = 1 – n

n = 1 – m

7). Коэффициент пористости

Считают, если e < 0,5 - это плотные тела,

если e > 0,5 - рыхлые

8). Объём пор

Объём пор определяют, используя коэффициент пористости.

Ршая систему

m + n = 1

e = n/ ( 1 – n ), :

9). Объём твёрдых частиц, из той же системы:

2.3 Связь между основными показателями физико-механических свойств торфа

Полная влагоемкость торфа

Для оценки деформируемости, водопроницаемости и прочности торфа используют показатели его физико-механических характеристик.

В условиях естественного залегания торфяная залежь обладает высокой влажностью. Наличие воды связано с пористостью и плотностью торфа в залежи. Большое значение имеет полная влагоёмкость торфа, соответствующая полному заполнению всех пор жидкостью. В этом случае объём занятый жидкостью полностью соответствует объёму пор. Тогда:

V _воды =g _воды /γ _воды

А масса сухого вещества равна объёму твёрдых частиц, умноженному на плотность этих частиц (безпорового вещества) из выражения:

V _сух = g _сух /γ _s

g _сух = V _сух γ _s ,

полная влагоёмкость:

, или

е = W _полн γ _s ,

т.е. коэффициент пористости торфа, все поры которого заполнены водой, численно равен произведению полной влагоемкости торфа и плотности его твёрдой фазы, при γ _w = 1г/ см^3.

Коэффициент водонасыщенности (или степень влажности G)-торфа -это отношение природной влажности торфа W к полной влагоёмкости W_п

или, после подстановки значения W_п:

в связи с этим различают: маловлажные грунты ( 0<G<0,5); влажные (0,5<G<0,8) и насыщенные водой ( 0,8 <G<1).

Величина коэффициента водонасыщенности показывает, сколько отдельных компонентов (твёрдого, жидкого и газообразного) содержит данный грунт.

Например:1) G=0 – это однокомпонентная (однофазная ) система ,если исключить воздух, который удаляется в процессе уплотнения. Это сухие сыпучие материалы.2) G ==1 – это двухкомпонентная ( двухфазная ) система частиц ( твёрдое тело + вода ). Это торф, залегающий ниже уровня грунтовых вод. Плотность скелета торфа в этом случае уменьшается вследствие взвешивающего действия воды

. 1 > G > 0 - это трёхкомпонентная (трёхфазная) система частиц (скелет + вода + газ). Например, состояние торфа, расположенного выше уровня грунтовых вод.

В этом случае особое значение приобретают силы сцепления между частицами. Для дисперсных материалов они являются основным фактором, влияющим на прочность и устойчивость их структуры.

Число (индекс) пластичности

Где: W_т – влажность на пределе текучести,кг/кг (кг жидкости на кг сухого вещества); W_р - влажность на пределе раскатывания,кг/кг.

Число пластичности показывает диапазон влажностей в котором торф находится в пластичном состоянии. Сравнивая влажность торфа с границами текучести и раскатывания можно узнать его состояние. Если W > W_т -это вязкая жидкость, если W_т > W > W_р - это торф ( или другой грунт ) находится в пластичном состоянии. Если влажность торфа W < W_р то это твёрдое тело. Формовать куски из такого торфа нельзя, т.к. они будут крошиться.

Граница текучести определяется погружением стандартного конуса массой 75г на глубину 10мм. Граница раскатывания определяется при раскатывании грунта в жгутик. Если материал жгутика начинает растрескиваться, то его влажность ниже границы раскатывания, т.е. он вышел из зоны пластичности. О границах текучести и пластичности можно судить по показаниям пластометра Воларовича – Маркова. Если предельное напряжение сдвига торфа θ = 2,3 КПа – это граница текучести. Если θ = 6,4 КПа - это граница пластичности. Между этими границами торф находится в пластичном состоянии. Зону, расположенную ближе к середине этого диапазона, называют зоной нормальной пластичности, когда при формовании кускового торфа может быть получено высокое качество кусков. Пластичность торфа зависит от его влажности, дисперсности и состава.

Показатель консистенции (или индекс текучести)

Виды консистенции:

Твёрдая J_L < 0

Полутвёрдая 0…0,25

Тугопластичная 0,25…0,5

Мягкопластичная 0,5…0,75

Текучепластичная 0,75…1

Текучая J_L > 1

Для структурированных грунтов, имеющих пространственный каркас, таких, как торф (содержащий в себе волокнистую массу) оценка пластичности по показателю консистенции малоприемлема. Однако для диспергированного торфа она имеет смысл. При производстве кускового торфа операция формования кусков выполняется при консистенции массы - " мягкопластичная".

Показатель относительного содержания органического вещества

Применяется для грунтов, в состав которых входит органическое вещество

_{Q =qорг /qобщ}

торфы - q > 0,5;

сапропели - q > 0,1;

заторфованные грунты - 0,1…0,5;

морские илы - q < 0,1;

почвы - q < 0,05.

Показатель относительного содержания органических веществ в грунте

q = q_орг/q_об

Торфяной грунт – q > 0,5

Заторфованный грунт - q = 0,1 ÷ 0,5

Грунт с растительными остатками (почва) – q <0.1

Сапропель – q > 0.1

Илы – q < 0.1

Техническая классификация торфяных частиц. (Фракций)

Крупнозернистые – волокнистые d > 0,25мм

Крупнозернистые 0,25-0,01

Тонкозернистые 0,01-0,001

Коллоидные <0,001

Классификация грунтов по гранулометрическому (зерновому) составу, мм

Камни >100мм

Галька, щебень 100-20

Гравий, хрящ, дресва 20-2

Песок 2-0,05

Пылеватые частицы 005-0,005

глинистые частиц 0,005-0,00025

коллоидные частиц < 0,00025