Связная вода

(описание в 1903 г. Барковским).

Границы почвы окружаются концентрическими слоями воды. Чем ближе к поверхности почвенных частиц, тем с большей силой она удерживается под действием поверхностных сил.

Связная вода составляет 42% от всей воды земной коры. Особенно много связной воды в глинистых грунтах.

Слои воды, образующиеся непосредственно на поверхности частиц в результате процессов адсорбции молекул воды из паров получили название прочносвязной воды или гигроскопической воды.

Гигроскопическая вода неоднородна по своему строению, как минимум разделяется по энергии связи с поверхностью минералов. Это вода островной и полислойной адсорбции.

Вода удерживается ион-дипольным взаимодействием. Вода островной адсорбции адсорбируется наиболее активными адсорбционными центрами поверхности (у глинистых минералов – боковые сколы решетки). Эта разновидность прочносвязной воды образуется при относительной влажности воздуха 20-30%, а общее ее количество составляет 10-20% от величины максимальной гигроскопичности.

Образование сплошной пленки связной воды начинается с появления второй – воды полислойной адсорбции. Начинает формироваться при относительной влажности воздуха 30-90%. Эта вода удерживается за счет молекулярного взаимодействия, максимальное содержание прочносвязной воды в грунте достигается при относительной влажности воздуха 90%.

Общее количество прочносвязной воды, образующейся при этой влажности воздуха называется максимальной гигроскопической влажностью.

Содержание прочносвязной воды в грунтах определяется химико-минералогическим составом и дисперсностью (размер и соотношение обломков).

У кварца содержание прочносвязной воды 0,9% ПШ – 8-15%, слюды – 36-48%, монтмориллонит – до 20%.

Прочносвязная вода имеет своеобразную структуру с повышенной ориентацией молекул вблизи поверхности твердых частиц, квазитвердое состояние воды. Теоретическая плотность воды 1,84 г/см³.

Диэлектрическая проницаемость около 4, теплопроводность на 2 порядка выше, чем у свободной, приближается к теплопроводности металлов. Температура замерзания ниже -75ºС.

Слабосвязная капиллярная вода.

К слабосвязной воде относится вода, образующаяся при капиллярной конденсации и осмотических процессах. Подразделяется на разобщенную, подвешенную и собственно капиллярную.

Разобщенная (углов пор).

На долю капиллярной разобщенной приходится до 5% от всей капиллярной воды. При повышении влажности грунта капиллярные поры нацело заполняются водой, в этом случае идет образование собственно капиллярной и подвешенной воды. Равенство сил гравитации и сил тяжести определяет глубину распространения вод. Собственно капиллярная вода начинается от уровня грунтовых вод. Высота определяется размерами пор, геометрией пор, минеральным составом. Плотность чуть выше плотности свободной, температура замерзания в суглинках - 12ºС. Утверждение, что увлажненные грунты промерзают на большую глубину – неверно.

Осмотическая вода

образуется за счет различия концентрации ионов, находящихся в поровом растворе и вблизи грунтовых частиц.

Выравнивание концентрации ионов приводит к образованию осмотического вида молекул, которые связаны с катионами диффузного слоя ионов и таким образом удерживаются вблизи частиц.

Энергия связи осмотической воды незначительна, плотность приближается к плотности воды, t замерзания = -1,5ºС.

Свободная вода.

Иммобилизационная – законсервированная в порах грунта.

Гравитационная – водных грунтовых потоков, движется под действием гравитационных сил.

• Газовая компонента грунтов.

Газовая компонента грунта тесно связана с атмосферой, идет процесс выравнивания газовой составляющей грунта и атмосферы. Наиболее интенсивно в дисперсных грунтах с пористой средой. Различие в составе грунтового газа содержится CO₂, N₂, O₂. В атмосфере до 0,03% СО₂, в почвах до 10%, N₂, O₂ значительно меньше, чем в атмосфере.

Важной составляющей является водяной пар ≤0,001% от веса грунта. В центральной части Кара-кумов за счет конденсации паров образуется пленка, которая позволяет развиваться растениям.

Газообразная компонента в 2000 раз богаче атмосферного воздуха радиоактивной эманацией. Не – индикатор глубинных тектонических разломов.

Состояние газа в грунтах

- растворенное

- адсорбированное

- свободное

Адсорбированные газы удерживаются на поверхности грунтовых частиц молекулярными силами, количество адсорбированных газов в почве 7см³/100г почвы. С ростом дисперсности количество газов увеличивается. При увлажнении грунта адсорбированный газ вытесняется. При влажности 5% адсорбированных газов 0.

Когда увлажнение связано с капиллярным поднятием и при замачивании сверху образуется защемленный воздух. Максимальное количество защемленных газов образуется в суглинках при влажности 6-10%, 1,5% от объема образца – защемленные при влажности 25-30% - 12-16% от объема. С дальнейшим повышением влажности количество защемленных газов уменьшается.

Наличие адсорбированных газов в грунтах обусловливает длительную осадку насыпей из глинистых грунтов.

• Живая компонента грунтов.

Влияет на процессы выветривания горных пород особенно микроорганизмы (грибы, бактерии, вирусы).

Максимальное содержание в почве.

Микроорганизмы могут существовать на глубинах 1,5-3,0 км, приводят к разрушению силикатов, выступают в роли камнеежек.

В.В. Радина (1972) – в образовании песков плывунов участвуют бактерии, они «пожирают»

Кварц и выделяют газ – теряется связность.

В основании крупных плотин на дисперсных грунтах увеличивается загазованность дисперсных грунтов и проводится кольматация.

• Взаимодействие компонент грунта.

Все компоненты тесно связаны, образуют гетерогенную физически и химически активную динамичную систему с постоянно изменяемым термодинмическим равновесием (главным образом, в дисперсных грунтах). Свойства такой системы во многом определяются относительным содержанием отдельных компонентов, характером и интенсивностью их взаимодействия между собой. Выделяются процессы химической физико-химической природы.

Химическое взаимодействие компонент.

Среди процессов химического взаимодействия наиболее широкого развиты гидролиз, окисление, растворение. Протекают до глубины 5-10 м, меняют состав, структуру и свойства грунтов.

Гидролиз

В основе лежит высокая реакционная способность Н⁺, который образуется в результате диссоциации молекул воды. В силу своего малого размера, водород легко проникает в дефекты кристаллической решетки.

Реакционная способность водорода увеличивается с размером катионов, входящих в кристаллическую решетку. Наиболее интенсивно наблюдается у силикатов и алюмосиликатов. Тетраэдрические упаковки в кристаллической решетке неплотные, поэтому ион водорода легко проникает в структуру минералов и увлекает катионы, в результате происходит увеличение избытка отрицательного заряда в кристаллической решетке, а это в свою очередь способствует дальнейшей активизации водорода. В результате минерал разрушается.

Al³⁺ выходит в раствор и появляется свободный кремнезем. Минералы, не содержащие крупных катионов (например, кварц) более устойчивы к выветриванию по сравнению с минералами, содержащими крупные катионы (полевые шпаты, пироксены, слюды).

Наиболее легко разрушаются полевые шпаты, в состав кристаллической решетки входит К, Na, Ca.

Труднее разрушаются амфиболы и пироксены (Al³⁺, Fe³⁺, Mg²⁺).

Еще более устойчивы слоистые силикаты, в которых крупные катионы совсем отсутствуют (хлориты, слюды).

Гидролиз носит стадийный характер.

ПШ и слюды  минералы промежуточного ряда (гидрослюды)  распадаются на каолинит, опал, растворимые в воде карбонаты и бикарбонаты.

Гидролиз железо-магнезиальных (амфиболы, пироксен, оливин) протекает с образованием глинистых минералов монтмориллонитового ряда (нантронит, монтмориллонит и т.д.).

Образующиеся в корах выветривания глинистые минералы хорошо сохраняются в любой климатической обстановке, но при изменении кислотности, т.е. климата в условиях щелочной среды наиболее устойчив монтмориллонит, а в кислой минералы группы каолинита.