Грунт - гп, почвы и техногенные образования, γ рассматриваются как динамичные многокомпонентные системы, находящиеся в сфере деятельности человека.

Состав и строение грунтов

• Твердая компонента грунтов.

Минералы + органическое вещество + органо-минеральные соединения + лед.

Магматические породы: кварц, оливин, полевые шпаты, пироксены.

Метаморфические: +дистен, андалузит, гранаты.

Осадочные: слюды, кварц, полевые шпаты, карбонаты, сульфаты, органическое вещество, органо-минеральные соединения, галоиды.

Почти все минералы имеют кристаллическое строение.

При изучении минералов в и/г главное внимание уделяется строению и свойствам.

Прочность кристаллической структуры обусловлена энергией и направленностью связей между отдельными атомами структурной решетки.

В инженерно-геологических целях классификацию целесообразно проводить не по химическому составу, а по преобладающему типу связи в них.

Связи могут быть:

Вид связи	Энергия кДж/моль
ионными	300-1200
ковалентными	200-1200
водородными	4-40
остаточными (молекулярными)	0,4-12

Ионная связь обусловлена электроотрицательностью, способностью захватывать электроны. Энергия тем больше, чем больше разница в электроотрицательности взаимодействующих атомов. Сильное ослабление ионных связей происходит под действием гидратации

Простые соли – галоиды, карбонаты, сульфаты.

Ковалентная связь – совместное использование пары электронов взаимодействующими атомами. Силикаты благодаря данному виду связи обладают высокой прочностью и низкой растворимостью.

В водородсодержащих соединениях (вода, лед, органическое вещество) существуют водородные связи. Этот вид связи играет важную роль в образовании глинистых минералов.

При нахождении молекул вещества на расстояниях значительно превышающих ионные радиусы возможно образование Ван-дер-Ваасльсовых сил, молекулярных сил. Это наиболее слабое взаимодействие, но оно существует во всех минералах. Первичное формирование осадка происходит за счет молекулярных сил.

Таким образом, исходя из строения и преобладающего типа межатомных связей, среди минералов можно выделить 5 групп соединений, различающихся по физическим, химическим и механическим свойствам.

Классификация минералов в инженерно-геологических целях.

1. Минералы класса первичных силикатов – И, ИК связи.

2. Простые соли (галоиды, сульфаты, карбонаты) – И

3. Глинистые минералы – ВМ

4. Органическое вещество и органо-минеральные комплексы – ВМ

5. Лед – ВМ

Строение и свойства первичных силикатов.

Основной структурный элемент – ККТ. В центре Si⁴⁺, в вершинках – атомы кислорода. Отличие в упаковке – тетраэдры могут существовать в виде изолированных групп или давать сочетания групп.

Q – структура каркасная, рыхлая, ККТ соединены через вершины, связь ИК, Q – валентно-нейтрален, Si компенсируется О

Высокая прочность, низкая растворимость, устойчивость к агентам выветривания.

ПШ: (K-Na) – ортоклаз, микроклин (Са-Na) - альбит, анортит – плагиоклазы.

часть Si⁴⁺ изоморфно замещена Al³⁺ с образованием алюмокислородного мотива AlO₄ – вносит в единицу структуры добавочный отрицательный заряд, который компенсируется катионами-компенсаторами (Na⁺-K⁺) или (Na⁺-Ca⁺), который внедряется в решетку полевых шпатов вместе с Al. Щелочные ионы располагаются в пустотах каркасной решетки полевых шпатов и осуществляют ионную связь между отдельными алюмокислородными мотивами.

Прочность полевых шпатов сравнительно высокая, имеют 2 плоскости спайности, практически нерастворимы в воде, но под воздействием агентов выветривания в отличие от кварца легко разрушаются с образованием вторичного минерала – каолинита.

Несколько реже встречаются силикаты с островным мотивом структуры (оливин). ККТ не имеют общих вершин, а связаны в один структурный мотив с помощью катионов Mg⁺ и Fe⁺. Для оливина характерна высокая прочность и низкая растворимость, низкая устойчивость к выветриванию.

В зоне выветривания закисное железо Fe²⁺ переходит в Fe³⁺ окисное, сопровождается сокращением ионного радиуса и разрушением кристаллической решетки оливина, именно поэтому оливин никогда не встречается в осадочных породах.

Типичные представители цепочечных и ленточных силикатов – пироксены и амфиболы. ККТ соединены в них через вершины или грани с образованием плоских цепочек. Связь между цепочками и лентами осуществляется сложным комплексом катионов, включая Na, К, Сa и даже Fe²⁺. За счет Fe²⁺ в зоне выветривания амфиболы и пироксены разрушаются с образованием монтмориллонита и нонтронита.

Строение и свойства простых солей.

К этой группе относятся галоиды (галит, сильвин, карналлит), сульфаты (гипс, ангидрит, барит) и карбонаты (кальцит, доломит, сидерит).

Эти минералы слабо устойчивы в воде – преобладает ионный тип связи, особенное строение. Растворимость простых солей уменьшается с уменьшением ионных радиусов и повышением валентности ионов.

Минералы	Энергия решетки кДж/моль	Растворимость моль/л
Галит	730	6,1
Ангидрит	2560	1,3*10-2
Гипс	2600	8*10-3
Кальцит	2800	1,2*10-4
Доломит	2980	0,35*10-4

Строение и свойства глинистых минералов.

Глинистые минералы – относительно стабильные минеральные образования группы водных силикатов слоистого и слоисто-ленточного строения, образующиеся преимущественно в процессе химического выветривания горных пород и отличающиеся от других минералов класса силикатов высокой дисперсностью и гидрофильностью, способностью к сорбции и ионному обмену. Размер < 1 мк.

Высокая дисперсность глинистых минералов является их естественным физическим состоянием. В природе частицы имеют размер не более 1-10 мкм, поэтому встречаются только в глинистой фракции осадочных пород.

Глинистые минералы являются наиболее активной составляющей частью дисперсных грунтов и определяют почти все их свойства, даже небольшое содержание глинистых минералов изменяет свойства грунтов.

Высокая активность глинистых минералов объясняется не только их большой удельной поверхностью, но и физико-химическими явлениями, происходящими на поверхности этих минералов и особенностями внутреннего строения.

В основе строения глинистых минералов лежат два типа структурных элементов:

1. Кремнекислородный тетраэдр SiO₄

Отдельные тетраэдры соединяются друг с другом и образуют непрерывную 2D тетраэдрическую сетку, в которой все базальные атомы кислорода расположены в одной плоскости, а апикальные – в другой плоскости.

2. Октаэдр, состоящий из 6*О или ОН^-, а в центре располагаются атомы Al, Fe, Mg. Отдельные октаэдры соединяются между собой, образуют 2D октаэдрическую сетку, соседние октаэдры имеют общее ядро, а кислородные или гидроксильные образуют отдельные плоскости.

Благодаря близкому размеру элементарных ячеек тетраэдрические и октаэдрические сетки легко соединяются по линии с образованием единого структурного слоя (может состоять из 2: октаэдрических, тетраэдрических; 3: тетраэдрическая и две октаэдрических и 4: 2*2). В соответствии с этим принято обозначать структурный мотив глинистых минералов следующим образом:

1:1 2:1 1:2:1

Важнейшей особенностью глинистых минералов является широкое развитие в них изоморфизма – идет замещение одних катионов другими, но тип кристаллической решетки не изменяется, изменяется химический состав и физико-химические свойства.

С изоморфизмом связано появление отрицательного потенциала, величина и распределение которого на поверхности минерала находится в прямой зависимости от характера изоморфного замещения. По величине структурного заряда на единичную ячейку глинистого минерала

Каолинит < монтмориллонит < гидрослюд.

Возникающий при изоморфизме дефицит (+) компенсируется Na⁺, К⁺, Сa²⁺, Mg, которые располагаются в межслоевом комплексе.

С вхождением катионов в межслоевой комплекс повышается прочность структуры за счет появления ионно-электростатических сил между катионом и отрицательно заряженной поверхностью структурных слоев. Легкая гидратируемость катионов-компенсаторов приводит к увеличению гидрофильности как внешних, так и внутренних базальных поверхностей минералов.

Характер структурного слоя, а также особенности взаимодействия структурных слоев и заполнения межслоевого пространства катионами-компенсаторами являются важнейшими классификационными признаками глинистых минералов.

Каолинит (1:1)

Структурный заряд на ячейку ~0, базальные поверхности электронейтральны, на боковых поверхностях избыточный отрицательный заряд за счет дефектов (см. таблицу).

Монтмориллонит (2:1)

Удельная поверхность 800м²/ Проявляется изоморфизм в ОС, структурный заряд на ячейку ~0,67. Межслоевое пространство открыто – большая емкость поглощения. Самый активный глинистый минерал.

При проникновении воды в межслоевое пространство расстояние по сетке увеличивается до полной гидратации. Базальное расстояние в решетке монтмориллонита изменяется 9,6-140Å вплоть до полной диссоциации. Для монтмориллонита характерны изоморфные замещения, главным образом, Al³⁺Fe²⁺, Mg²⁺, в октаэдрической сетке и возможно в тетраэдрической сетке Si⁴⁺Al³⁺, возникает избыточный заряд с плотностью 0,65-0,67. Преобладающее значение на базальной поверхности, т.к. их суммарная площадь больше площади боковых сколов.