MECHANIKA GRUNTÓW

Wykład 2

ZJAWISKA FIZYKOCHEMICZNE W GRUNCIE

Ze składem mineralogicznym i granulometrycznym

gruntu wi

si

zjawiska fizyko-chemiczne

zachodz ce na powierzchni granicznej

najdrobniejszych frakcji.

Powierzchni graniczn nazywamy powierzchni

styku cz stki z otaczaj c j wod lub powietrzem

ZJAWISKA FIZYKOCHEMICZNE W GRUNCIE

Cz stki zorientowane

Powierzchni wła ciw nazywamy stosunek powierzchni

granicznej do obj to ci lub masy cz stki. Im mniejsza jest

cz stka tym wi ksza jest jej powierzchnia wła ciwa.

Cz stki iłu maj zwykle kształt blaszek lub pałeczek

Takie kształty daj powierzchni wła ciw znacznie

wi ksz od kształtów zwartych

ZJAWISKA FIZYKOCHEMICZNE W GRUNCIE

Powierzchnia gruntowej cz stki iłu zawsze posiada

niezneutralizowany ładunek elektryczny, przy czym w

naszym klimacie jest to najcz ciej ładunek o znaku

ujemnym.

Nat enie tego ładunku w du ym stopniu zale y od

minerału tworz cego cz stk , a w konsekwencji

rzutuje na jej aktywno powierzchniow

ZJAWISKA FIZYKOCHEMICZNE W GRUNCIE

Cz stka gruntu stanowi zbiór atomów oraz jonów o

okre lonym ładunku elektrycznym. Te jony i atomy

tworz sie krystaliczn minerału iłowego.

W idealnej sieci krystalicznej ładunki elektryczne jonów

dodatnich s zoboj tnione przez ładunki elektryczne

jonów ujemnych.

W sieci krystalicznej naturalnych minerałów iłowych

niektóre kationy o wy szej warto ciowo ci s zast pione

przez kationy o ni szej warto ciowo ci (np jon Si4+ jest

zast piony przez jon Al3+ oraz jon Al3+ jest zast piony

przez Mg2+).

Si4+ Al3+ Mg2+

ZJAWISKA FIZYKOCHEMICZNE W GRUNCIE

Opisany proces wymiany jonów nazywa si

PODSTAWIENIEM IZOMORFICZNYM

Mo e to mie miejsce wewn trz siatki krystalicznej lub na

zewn trznej powierzchni minerałów iłowych

Pierwszy przypadek jest charakterystyczna dla grupy

minerałów montmorylonitów, drugi dla grupy kaolinitów.

Rezultatem tego procesu jest ujemny ładunek sieci

krystalicznej, a wi c i cz stka ma ładunek ujemny

Ładunek ten jest zoboj tniony przez kationy otaczaj ce

cz stk iłu, które w roztworze wodnym mog ulega

wymianie i dlatego nosz nazw jonów wymiennych.

ZJAWISKA FIZYKOCHEMICZNE W GRUNCIE

Zjawisko wyst powania niezrównowa onych ładunków

elektrycznych powoduje formowanie si wokół cz stki

PODWÓJNEJ WARSTWY ELEKTRYCZNEJ

Pierwsz jej sfer stanowi aniony na powierzchni

granicznej cz stki, drug za warstwa kationów na

stałe zwi zana z powierzchni cz stki oraz warstwa

dyfuzyjna.

ZJAWISKA FIZYKOCHEMICZNE W GRUNCIE

Wielko ciami charakteryzuj cymi pole elektryczne

wokół cz stki s :

potencjał termodynamiczny

- maksymalna ró nica potencjałów

pomi dzy powierzchni graniczn ,

a zewn trzem warstwy dyfuzyjnej

potencjał elektrokinetyczny

- ró nica potencjałów w granicach

warstwy dyfuzyjnej

ZJAWISKA FIZYKOCHEMICZNE W GRUNCIE

Podwójna warstwa

elektryczna

ZJAWISKA FIZYKOCHEMICZNE W GRUNCIE

BC -

warstwa

dyfuzyjna

ABC -

spadek

potencjału

w warstwie

podwójnej

ZJAWISKA FIZYKOCHEMICZNE W GRUNCIE

Styk po redni

z udziałem

kationów mi dzy

cz stkami

ZJAWISKA FIZYKOCHEMICZNE W GRUNCIE

Styk bezpo redni

bez udziału kationów

mi dzy cz stkami

ZJAWISKA FIZYKOCHEMICZNE W GRUNCIE

Strefy odpychania si molekuł wodnych

przy równoległym układzie cz stek iło

WODA W GRUNCIE

WODA GRUNTOWA GRAWITACYJNA

- poruszaj ca si swobodnie pod wpływem siły ci ko ci:

Jej wpływ na szkielet gruntowy przejawia si przez:

a) Działanie chemiczne - polegaj ce na udziale w procesie

wietrzenia, destrukcja jej zale y od składu chemicznego

oraz od szybko ci przepływu.

b) Działanie mechaniczne - powoduje unoszenie

cz steczek szkieletu i wymywanie gruntu,

przekazywanie na szkielet ci nienia hydrostatycznego,

wypieranie go ku górze, przekazywanie ci nienia

spływowego podczas przepływu wody przez grunt.

WODA W GRUNCIE

WODA PRZES CZAJ CA SI

- znajduje si w sferze aeracji, która rozci ga si od

powierzchni terenu do zwierciadła wody

grawitacyjnej, gdzie maj miejsce procesy

najintensywniejszego wietrzenia z uwagi na

swobodny dost p powietrza

WODA WŁOSKOWATA (KAPILARNA)

- znajduj ca si na skutek napi cia

powierzchniowego, mo e wytworzy si w gruntach

o rednicy ziaren mniejszej od 6mm, wypełnia ona

kanaliki istniej ce w gruncie ponad zwierciadłem

wody gruntowej, utrzymuj c si w nich na skutek

działania sił molekularnych,

WODA W GRUNCIE

WODA KAPILARNA

Niezale no podniesienia kapilarnego od rednicy i kształtu kapilar

WODA W GRUNCIE

WODA ZWI ZANA Z POWIERZCHNI CZ STEK

- tworzy na powierzchni cz stek dwie warstwy:

adsorbowan (athezyjn ) oraz błonkow : woda

adsorbowana tworzy powłok wodn na

powierzchni cz stki gruntu na skutek

przyci gania drobin wody wraz z kationami przez

aniony na powierzchni cz stki mineralnej, woda

błonkowa przesuwa si z jednej cz stki na drug do

chwili wyrównania grubo ci powłoki na obydwu

cz stkach.

WODA WCHODZ CA W SKŁAD MINERAŁÓW

- wyst puje w sieci krystalicznej lub chemicznie

zwi zana, jej usuni cie zmienia wła ciwo ci

chemiczne i fizyczne gruntu.

WODA W GRUNCIE

WODA W POSTACI PAR

- wyst puje w sferze aeracyjnej w równowadze

z wod grawitacyjn i przes czaj c si , odgrywa

wa n rol w procesie zamarzania gruntów,

WODA W POSTACI SOCZEWEK LODU

- pojawia si w okresie mrozów w strefie

przemarzania gruntu, przy rozmarzaniu siły

przyci gaj ce wod powoduj podci ganie wód

kapilarnych i zwi zane z tym zjawiska

wysadzinowo ci

WODA W GRUNCIE

SCHEMATY WYMIANY KATIONÓW k

NA POWIERZCHNI PAKIETÓW MINERAŁÓW

A – kaolinit

wymiana tylko na obrze ach

B – illit

wymiana na obrze ach i na zewn trznych powierzchniach

C – montmorylonit

wymiana na obrze ach i na powierzchniach wewn trznych