Диэлектрическая проницаемость грунтов.

В иг обычно пользуются безразмерным показателем ℰ – относительная диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз электрическая сила, действующая на любой заряд, действующий в данной среде, меньше, чем в вакууме. Также определяется составом, твердым, жидким, газообразным состоянием, их соотношением в единице объема, структурными особенностями грунтов, частотой поляризующего тока, от температуры и давления.

Диэлектрическая проницаемость основных породообразующих минералов колеблется от 4 до 12. Чистого воздуха близка к 1, воды при t=0ºС 88, для льда при t=-18ºС падает до 3, а при t=-2ºС 79.

Магнитные

Все грунты в той или иной мере обладают магнитными свойствами. Намагниченное состояние характеризуется величиной результирующего магнитного момента единицы массы/объема грунта. Результирующий магнитный момент, вызванный однородным магнитным полем называется намагниченностью и является геометрической суммой результирующих магнитных моментов его атомов.

J=æ^H

J – намагниченность

æ – магнитная восприимчивость

H – напряженность магнитного поля

æ<0 диамагнетики

- самородные: Cu, Au, Ag, S, C

- породообразующие: кварц, ангидрит, гипс, галит

– горные породы: каменная соль, мел, известняк

æ>0 до 10^-6 парамагнетики

Отличаются от диамагнетиков тем, что их атомы обладают постоянным магнитным моментом, но в целом образец парамагнетика не намагничен при отсутствии внешнего магнитного поля.

Пирит, эпидот, турмалин, роговая обманка, биотит, доломит.

æ>>0 до 10⁵ ферромагнетики

Отличительная особенность – спонтанная намагниченность. Во внешнем магнитном поле магнитные моменты доменов строго ориентируются по направлению поля, это обусловливает намагниченность ферромагнетика в целом. Часть этой намагниченности сохраняется при снятии внешнего магнитного поля.

Самородное Fe, магнетит, титано-магнетит, пирротин.

Магнитные свойства грунтов определяются химико-минеральным составом и структурой (соотношением диа-, пара- и ферромагнетиков).

Ведущая роль в создании магнитных свойств принадлежит ферромагнетикам, т.к. их магнитная восприимчивость на много порядков выше основных породообразующих минералов.

Магнитные свойства зависят от текстурных признаков, размера, формы, расположения ферромагнитных комплексов. С возрастанием дисперсности магнитная восприимчивость уменьшается.

Магнитная восприимчивость грунтов изменяется в широких пределах. Наибольшая величина характерна для магматических пород (уо – max, о - min). Осадочные породы практически немагнитны, что объясняется низким содержанием ферромагнетиков. Наименьшая восприимчивость у доломитов, соли, гипса. Слабомагнитные разновидности установлены среди песков, песчаников, глин.

Исследования Осипова показали, что магнитные свойства минералов и магнитное поле влияют на формирование структурно-текстурных признаков и как следствие на реологические. Это обусловлено наличием на поверхности глинистых минералов высокодисперсных ферромагнитных частиц. В процессе осаждения глинистой суспензии и последующей сушке вещества в магнитном поле образующаяся трещиноватость зависит от напряженности магнитного поля.

Наиболее интенсивная трещиноватость возникает у монтмориллонитов. Каолиновые оставались монолитными, гидрослюдистые вели себя по-разному в зависимости от направления магнитного поля.

В нулевом магнитном поле (скомпенсированное геомагнитное) трещиноватость либо отсутствует, либо имеет радиальное направление.

Повышенная прочность осадков, сформировавшихся в нулевом поле, обусловлена изотропным строением осадков и наличием в них более высокодисперсных агрегатов вследствие распада грунтовых агрегатов. Это способствует увеличению поверхностной энергии, а это приводит к увеличению прочности. Действие магнитного поля наиболее контрастно влияет на формирование микротекстуры гп. Увеличение напряженности вызывает возрастание ориентированности частиц и повышение ориентированности как самих частиц так и микроагрегатов. Наиболее легко реагируют даже на геомагнитное поле гидрослюды и каолинитовые глины.

По степени ориентированности ГС, К, ММТ.

Насыщение глин ионом натрия независимо от напряженности магнитного поля Н приводит к увеличению ориентации частиц. При наличии в обменном комплекса Са формируются агрегаты размеров до песчаных частиц с хорошей ориентацией частиц внутри агрегатов, а сами агрегаты относительно друг друга практически не ориентированы. Это говорит о том, что внешние магнитное поле повышает ориентацию частиц главным образом в пределах одного блока. Т.о. магнитные свойства грунтов оказывают влияние на формирование микростроения даже в условиях геомагнитного поля.

Изменение мезостроения грунтов вызывает изменение физических и механических свойств, поэтому изучение магнитных свойств, влияние на формирование прочности имеет большое научное и практическое значение.

Физико-химические свойства грунтов.

Растворимость

Способность растворяться под действием природных или иных растворов. Разрушающее действие молекул воды (т.к. они имеют дипольное строение), эти диполи разрушают кристаллические решетки минералов. В процессе растворения ионы из кристаллической решетки переходят в воду и образуют водные растворы.

В результате растворения и выноса вещества происходит изменение состояния и свойств гп, образются пустоты в массиве.

Растворение:

Прямое – непосредственное соприкосновение движущейся воды с растворимыми минералами породы.

Диффузионное (выщелачивание) не связано напрямую с движущейся водой. Это растворение представляет собой самопроизвольный процесс движения ионов в поровом растворе под влиянием разностей концентрации в разных участках массива грунта.

В результате диффузионного растворения меняется состав твердой части грунта и порового раствора. Процессы диффузионного растворения играют большую роль в глинистых грунтах с низкой водопроницаемостью и большим количеством связной воды. Перенос растворенного вещества при фильтрации порового раствора, гораздо меньше диффузионного. В крупнообломочных и сильно трещиноватых преобладает прямое растворение. В глинистых, лессовых преобладает диффузионное. Растворимость грунтов определяется химико-минералогическим составом и структурными свойствами, растворяющей способностью растворов и термодинамическими условиями. С практической точки зрения наибольший интерес представляет растворимость карбонатов, сульфатов, галоидов. Растворимость определяется энергией связи (работа для разрушения связей решетки и удаления ионов на расстояния, на которых действием электростатических сил можно пренебречь, эта работа повышается с повышением валентности ионов и уменьшением ионных радиусов). Растворимость ионов с меньшей валентностью всегда больше, чем с большей.

Растворимость зависит от растворяющей способности растворителя. В воде max растворимость. Это объясняется высокой гидратацией за счет высокой диэлектрической проницаемости ε. Экспериментальные исследования показали, что растворимость зависит от размера минерала, слагающего гп, наличия примесей, термодинамических условий. Растворимость зависит от химического состава природных вод и содержания свободной углекислоты. Растворимость aq+CO₂ в 5 раз выше, чем дистиллированной воды.

Адсорбционные (поглотительная способность)

Свойства характерные только для дисперсных грунтов. Дисперсные грунты, при движении через них жидкостей или газов частично задерживают содержащиеся в них вещества. В результате чего грунт поглощает отдельные ионы, молекулы, коллоидные или глинистые частицы. Это свойство и называется поглотительной или адсорбционной способностью. В результате поглощения меняется состав, структура, свойства.

Гедройц предложил различать 5 видов поглотительной способности:

• Механическая

Способность грунтов как всякого пористого тела задерживать частицы, взвешенные в воде при фильтрации ее через грунтовую толщу. Для каждого грунта существует предельная величина частичек, выше которой ни одна из них не будет профильтровываться через слой грунта. Частицы меньшего диаметра частично профильтровываются, а частично задерживаются грунтом за счет прерывистости грунтов, неправильной формы за счет молекулярного притяжения у мелких частиц.

• Физическая

Этот вид поглощения представляет собой способность грунтов адсорбировать из водных растворов некоторые вещества вследствие молекулярного взаимодействия, возникающего между этими веществами и грунтовыми частицами. Химического взаимодействия здесь не происходит. Влажный грунт представляет собой дисперсную систему, в которой вода, содержащая растворенные соли может рассматриваться как дисперсионная среда, а твердые минеральные и органические частицы как дисперсная фаза.

Поверхностная энергия такой системы измеряется произведением поверхностного натяжения на границе твердые частицы - жидкость на величину суммарной поверхности всех частиц дисперсной фазы. Всякая дисперсная система стремится уменьшить свою поверхностную энергию. В системе грунтовые частицы + вода уменьшение ее может происходить как вследствие уменьшения величины суммарной поверхности или за счет уменьшения поверхностного натяжения воды. Оба случая приводят к проявлению физической поглотительной способности грунта.

Стремление дисперсной системы понизить поверхностную энергию приводит к тому, что концентрация веществ, вызывающих понижение поверхностного натяжения, в частности органическое вещество возрастает в слое непосредственно примыкающем к поверхности дисперсных частиц.

Это явление носит название положительной адсорбции. Вещества, повышающие поверхностное натяжение (неорганические соли) вызывают явление отрицательной адсорбции, при котором концентрация раствора будет уменьшаться по мере приближения к границе раздела.

При +а поглощаются молекулы растворенного вещества, а при –а – молекулы растворителя. Это значит, что в системе грунтовые частицы + вода в одном случае поглощаются вещества, находящиеся в природной воде, в другом поглощаются сами молекулы воды.

В процессе физического поглощения дисперсная фаза может адсорбировать не только молекулы, но и поглощать из раствора кислотные или щелочные ионы.

Такой вид поглощения – гидролитичекая адсорбция. В ходе этой адсорбции грунт может адсорбировать щелочь (может служить фильтрационно завесой для нефтепродуктов).

Образование адсорбционных слоев на поверхности твердого тела понижает его поверхностное натяжение и одновременно вызывает уменьшение твердости этой поверхности.

Величина поверхностной энергии грунтов обусловлена суммарной поверхностью твердых частиц и коллоидов, содержащихся в грунте. Львиная доля приходится на коллоиды. Величина поверхностной энергии определяется во первых содержанием коллоидов. Поверхностная энергия резко уменьшается при коагуляции коллоидов.