2.2. Органическая компонента грунтов
2.2.1. Распространение, состав и свойства органического вещества в грунтах
В грунтах органическое вещество в твердом состоянии представляет собой остатки растительного (или животного) происхождения, которые со временем претерпевают различные стадии разложения, физико-химического преобразования и минерализации. Грунты, содеращие органическое вещество, называются органическими и органоминеральными. К органоминеральным грунтам следует относить илы, сапропели, заторфованные грунты, к органическим грунтам – торфа [34]. Наряду с природным происхождением органическое вещество в грунтах может накапливаться искусственным путем в результате разнообразной хозяйственной деятельности человека.
Органические и органоминеральные грунты имеют широкое распространение в морских и континентальных отложениях. Относятся они к грунтам дисперсным [34] и не выделяются в отдельный класс, хотя вполне этого заслуживают, так как обладают специфическими свойствами резко отличающими их от других грунтов, такими как:
высокая пористость и влажность;
малая прочность и большая сжимаемость с длительной консолидацией при уплотнении; высокая гидрофильность и низкая водоотдача;
существенное изменение деформационных, прочностных и фильтрационных свойств при нарушении их естественного сложения, а также под воздействием динамических и статических нагрузок;
анизотропия прочностных, деформационных и фильтрационных характеристик; склонность к разжижению и тиксотропному разупрочнению при динамических воздействиях;
наличие ярко выраженных реологических свойств;
проявление усадки с образованием усадочных трещин в процессе осушения;
разложение растительных остатков в зоне аэрации;
наличие природного газа (метана); повышенная агрессивность к бетонам и коррозионная активность к металлическим конструкциям [111].
Эти особенности позволяют считать рассматриваемые грунты малопригодными для возведения различных сооружений, но их широкое распространение не позволяет полностью отказаться от строительства.
По распространению в грунтах органическое вещество можно разделить на три группы: рассеянное, локально и регионально распространенное [50].
Рис. 2.21. Болота
Российской Федерации с глубиной торфа
более 30 см в % от площади территории
[123]
Локально распространенное органическое вещество приурочено к определенным фациям (старичным, болотным и др.) и образует локальные скопления органики в грунтах. Его характерные примеры – пласты углей и торфов в четвертичных отложениях, сапропели, черноземные почвы, гумусный горизонт и техногенные грунты.
Регионально распространенное органическое вещество приурочено к регионам, в пределах которых в определенную геологическую эпоху происходило интенсивное формирование и захоронение живого вещества. Характерным примером являются мощные залежи торфа в болотных массивах. В России на долю болот приходится 10 % территории страны (рис. 2.21); средняя заболоченность тундровой зоны по данным разных авторов – 50–70 %, таежной зоны около 30 %. Наиболее заболочены Западная Сибирь, районы севера и северо-запада европейской части, Дальний Восток и Камчатка. Наиболее крупные болотные массивы это болота Васюганья и Сургутского Полесья, занимающие территории около 350 тыс. км2, где мощность торфяников может достигать 15–18 м.
Превращение органических остатков в гуминовые вещества получило название процесса гумификации (от лат. humus – земля, почва). Гуминовые вещества были впервые выделены из торфа в 1786 г. немецким физиком и химиком Францем Ахардом. Гумификация идет с участием живых организмов и путем химических реакций окисления, восстановления, гидролиза, конденсации и др. Растительные и животные остатки претерпевают наибольшие превращения под действием микроорганизмов, разлагающих сложные органические соединения, состоящие из С, О, Н и их производных (включая изо- и гетероциклические соединения) до простых минеральных соединений (СО2, Н2О, NН4, и др.) и органических веществ гумусового типа. В результате многочисленных реакций в грунтах накапливаются только наиболее устойчивые соединения.
В состав гуминовых веществ входят четыре группы органических соединений: гуминовые кислоты (ГК), фульвокислоты (ФК), гиматомелановые кислоты (ГМК), гуминовые угли (ГУ).
Гуминовые кислоты растворимы в щелочных растворах и входят в состав органической массы торфа (до 60 %), бурых углей (20–40 %), почв (до 10 %).
Фульвокислоты, растворимые в воде, кислотах и щелочах, отличаются резко пониженным содержанием углерода (до 40 % по массе) и более высоким содержание кислорода, они более окислены, чем другие гуминовые вещества.
Гиматомелановые кислоты извлекаются из сырого остатка (геля) гуминовых кислот кислоэтиловым спиртом.
Гуминовые угли (гумин) – практически нерастворимое органическое вещество.
Содержание различных химических элементов в этих веществах хорошо изучено. Количество углерода в массовых долях колеблется от 40 до 60 % (в зависимости от происхождения и источника гуминового вещества), азота 3–5 %, водорода обычно содержится 3–6 %, а кислорода – 33–37 %, серы – до 0,7–1,2 % и фосфора – до 0,5 %, всегда есть разные металлы.
Любые гуминовые вещества содержат большой набор функциональных групп, их молекулы содержат карбоксильные группы (– СООН), фенольные (–ОН), хинонные (=С=О), аминогруппы (–NН) (рис. 2.22). Количество их велико, распределены они неравномерно по молекулам различного размера, и даже молекулы одного размера могут различаться по содержанию функциональных групп. Более того, молекулы гуминовых веществ различаются по количеству входящих в их состав остатков аминокислот (всего их 17–20), по количеству углеводных остатков и характеру их расположения.
Состав органического
Рис. 2.22. Блок-схема
гуминовой кислоты по Мистерски и
Логинову [50]