Wykład 2
ZJAWISKA FIZYKOCHEMICZNE W GRUNCIE
Ze składem mineralogicznym i granulometrycznym gruntu
wiążą się zjawiska fizykochemiczne zachodzące na powierzchni
najdrobniejszych frakcji.
Poznanie tych zjawisk ma znaczenie przy wyjaśnianiu
wzajemnego oddziaływania poszczególnych składników stanowiących
masę gruntową,
POWIERZCHNIA GRANICZNA I WA
AŚCIWA
Powierzchnią graniczną nazywamy powierzchnię styku cząstki
z otaczającą ją wodą lub powietrzem. Skutki aktywności
powierzchniowej są oczywiście związane z wielkością tej
powierzchni.
Powierzchnią właściwą nazywamy stosunek powierzchni
granicznej do objętości lub masy cząstki. Im mniejsza jest cząstka
tym większa jest jej powierzchnia właściwa.
Cząstki iłu mają zwykle kształt blaszek lub pałeczek. Takie
kształty dają powierzchnię właściwą znacznie większą od kształtów
zwartych.
Powierzchnia gruntowej cząstki iłu zawsze posiada nie
zneutralizowany ładunek elektryczny, przy czym w naszym
klimacie jest to najczęściej ładunek o znaku ujemnym.
Natężenie tego ładunku w dużym stopniu zależy od minerału
tworzącego cząstkę i w konsekwencji rzutuje na aktywność
powierzchniową.
Wykład 2
PODWÓJNA WARSTWA ELEKTRYCZNA
Cząstka gruntu stanowi zbiór obojętnych pod względem
elektrycznym atomów oraz jonów o pewnych określonych ładunkach
elektrycznych. Jony te wraz z atomami tworzą sieć krystaliczną
określonego minerału iłowego.
W idealnej sieci krystalicznej ładunki elektryczne jonów
dodatnich są zobojętnione przez ładunki elektryczne jonów ujemnych.
W sieci krystalicznej naturalnych minerałów iłowych niektóre
kationy o wyższej wartościowości są zastąpione przez kationy o
niższej wartościowości (np jon Si4+ jest zastąpiony przez jon Al3+
lub jon Al3+ jest zastąpiony przez Mg2+).
Si4+ Al3+ Mg2+
Taki proces wymiany jonów nazywa się podstawieniem
izomorficznym.
Izomorficzne podstawienie może mieć miejsce wewnątrz siatki
krystalicznej lub na zewnętrznej powierzchni minerałów iłowych
Pierwsza postać jest charakterystyczna dla grupy minerałów
montmorylonitów, druga dla grupy kaolinitów. Nadaje ono sieci
krystalicznej ładunek ujemny, a więc i cząstka ma ładunek ujemny
A
adunek ten jest zobojętniony przez kationy otaczające cząstkę
iłu, które w roztworze wodnym mogą ulegać wymianie i dlatego
noszą nazwę jonów wymiennych.
Wykład 2
PODWÓJNA WARSTWA ELEKTRYCZNA
Zjawisko występowania niezrównoważonych ładunków
elektrycznych powoduje formowanie się wokół cząstki podwójnej
warstwy elektrycznej.
Pierwszą jej sferę stanowią aniony na powierzchni granicznej
cząstki, drugą zaś warstwa kationów na stałe związana z powierzchnią
cząstki oraz warstwa dyfuzyjna.
Wielkościami charakteryzującymi pole elektryczne wokół
cząstki są:
- potencjał termodynamiczny - maksymalna różnica potencjałów
pomiędzy powierzchnią graniczną, a zewnętrzem warstwy
dyfuzyjnej
- potencjał elektrokinetyczny - różnica potencjałów w granicach
warstwy dyfuzyjnej.
Wykład 2
RODZAJE WODY W GRUNCIE
1) woda gruntowa grawitacyjna - poruszająca się swobodnie pod
wpływem siły ciężkości: Jej wpływ na szkielet gruntowy przejawia
się przez:
a) działanie chemiczne - polegające na udziale w procesie
wietrzenia, destrukcja jej zależy od składu chemicznego oraz od
szybkości przepływu,
b) działanie mechaniczne - powoduje unoszenie cząsteczek
szkieletu i wymywanie gruntu, przekazywanie na szkielet
ciśnienia hydrostatycznego, wypieranie go ku górze,
przekazywanie ciśnienia spływowego podczas przepływu wody
przez grunt,
2) woda przesączająca się - znajduje się w sferze aeracji, która
rozciąga się od powierzchni terenu do zwierciadła wody
grawitacyjnej, tu mają miejsce procesy najintensywniejszego
wietrzenia z uwagi na swobodny dostęp powietrza,
3) woda włoskowata (kapilarna) - znajdująca się na skutek napięcia
powierzchniowego, może wytworzyć się w gruntach o średnicy
ziaren mniejszej od 6mm, wypełnia ona kanaliki istniejące w
gruncie ponad zwierciadłem wody gruntowej, utrzymując się w nich
na skutek działania sił molekularnych,
Wykład 2
RODZAJE WODY W GRUNCIE
4) woda związana z powierzchnią cząstek - tworzy na powierzchni
cząstek dwie warstwy: adsorbowaną (athezyjną) i błonkową: woda
adsorbowana tworzy powłokę wodną na powierzchni cząstki
gruntu na skutek przyciągania drobin wody wraz z kationami
przez aniony na powierzchni cząstki mineralnej, woda błonkowa
przesuwa się z jednej cząstki na drugą do chwili wyrównania
grubości powłoki na obydwu cząstkach,
5) woda wchodząca w skład minerałów - występuje w sieci
krystalicznej lub chemicznie związana, jej usunięcie zmienia
właściwości chemiczne i fizyczne gruntu,
6) woda w postaci pary - występuje w sferze aeracyjnej w
równowadze z wodą grawitacyjną i przesączającą się, odgrywa
ważną rolę w procesie zamarzania gruntów,
7) woda w postaci soczewek lodu - pojawia się w okresie mrozów w
strefie przemarzania gruntu, przy rozmarzaniu siły przyciągające
wodę powodują podciąganie wód kapilarnych i związane z tym
zjawiska wysadzinowości
Wykład 2
STRUKTURY GRUNTU
Wykład 2
STRUKTURY GRUNTU
Powstawanie struktury komórkowej
Wykład 2
Struktura mieszana iłu
Wykład 2
WODA W GRUNCIE
WODA KAPILARNA
Zależność i niezależność podniesienia kapilarnego od średnicy i kształtu kapilar
Wykład 2
WODA W GRUNCIE
SCHEMATY WYMIANY KATIONÓW k NA POWIERZCHNI PAKIETÓW MINERAA
ÓW
A  kaolinit wymiana tylko na obrzeżach
B  illit wymiana na obrzeżach i na zewnętrznych powierzchniach
C  montmorylonit wymiana na obrzeżach i na powierzchniach wewnętrznych