Wilgotność naturalna gruntów
ż� Stosunek ciężaru całej ilości wody zawartej w
porach gruntu w stanie naturalnym do ciężaru
szkieletu gruntowego - wn
ż� Suszenie do stałego ciężaru w temperaturze 105-
107�C
ż� Wilgotność absolutna  wyrażona w stosunku do
ciężaru szkieletu gruntowego (suchego gruntu)
ż� Wilgotność względna  wyrażona w stosunku do
objętości porów
ż� Stopień wilgotności gruntu Sr (współczynnik
nasycenia = współczynnik wilgotności)  stopień
wypełnienia porów wodą wilgotność względna
Typy wody "! zmiany wilgotności gruntu
Charakterystyczne Konsystencja Właściwości
Typy wody wilgotności stan gruntu gruntu
gruntu
Wysoka
WNK+WBH
wytrzymałość
1/10 maksymalnej stan
Silnie
higroskopijności zwarty
związana
Obniżenie
WPP
Maksymalna
wytrzymałości
Woda
higroskopijność -
wS
związana wilgotność w stanie
Obniżenie
powietrznosuchym stan półzwarty
wytrzymałości
WP
(ciało lepkie)
Słabo
Maksymalna
wP
związana
molekularna
Mała
stan plastyczny
wodochłonność wytrzymałość
WO
(ciało plastyczne)
wL
Wilgotność
maksymalnego
Brak
stan
Woda wolna
pęcznienia dla gruntu
wytrzymałości
płynny
w stanie naturalnym
(ciało płynne)
(nienaruszonym)
ż� Osiągnięcie każdego kolejnego typu wyższej
wilgotność jest możliwe tylko wtedy, kiedy już
zostały osiągnięte wilgotności niższe
Oddziaływanie cząstek gruntu z wodą
ż� Wzajemne oddziaływania pomiędzy wodą porową a
fazą stałą nasilają się ze wzrostem energii
powierzchniowej i rozdrobnienia
ż� Najsilniej oddziaływania te zachodzą przy
rozdrobnieniu koloidalnym koloidalne micelle
ż� Wielkość cząstek koloidalnych definiuje się
najczęściej poniżej 0,20 - 0,25 źm (200  300 nm)
do około 1 nm
ż� Poniżej 1 nm - roztwory właściwe, a powyżej
ośrodki o rozdrobnieniu mechanicznym
ż� Dominują siły powierzchniowe nad siłami
bezwładności cząstek ze względu na dostatecznie
małe wymiary
Oddziaływanie cząstek gruntu z wodą
ż� Stała dielektryczna  w krysztale umieszczonym w
próżni ze stałą dielektryczną �=1 przyciąganie
pomiędzy jonami jest 81 razy większe niż w
wodzie, w której stała dielektryczna �=81
ż� Rozpuszczalność cząstek mineralnych w wodzie
uzależnione jest od osłabienia wiązań przyciągania
pomiędzy jonami występującymi w zewnętrznej
powierzchni siatki krystalicznej
ż� Dodatkowym czynnikiem osłabiającym wiązania
jest hydratacja tych jonów
Oddziaływanie cząstek gruntu z wodą
ż� Ujemny ładunek cząstki gruntu wynika z:
1. wartości stałej dielektrycznej  warunek związany z
prawem Koena schemat
2. Podstawień izomorficznych
3. Obecności na powierzchni cząstek anionów
wchodzących w skład sieci krystalicznej
ż� Otaczające cząstkę kationy (+) tworzą podwójną
warstwę elektryczną (PWE)
ż� Rozmieszczenie jonów w PWE następuje pod
wpływem sił elektrostatycznego oddziaływania
oraz sił molekularnych
Oddziaływanie cząstek gruntu z wodą
Wartość stałej dielektrycznej "! prawo Koena
Ujemny ładunek
Powierzchnia
powierzchni
cząstki
�fs < �w  powstaje ujemny ładunek na
powierzchni fazy stałej
�fs = 3 �w = 81
�fs > �w  powstaje dodatni ładunek na
powierzchni fazy stałej
Faza stała Woda
Oddziaływanie cząstek gruntu z wodą
ż� Siły elektrostatycznego oddziaływania skupiają
jony dodatnie wokół ujemnie naładowanej cząstki
ż� Siły molekularne (ruch cieplny jonów) dążą do
równomiernego ułożenia jonów w roztworze
ż� Powstaje stan równowagi, w którym koncentracja
jonów dodatnich zmniejsza się w miarę oddalania
od powierzchni cząstki
ż� Adsorpcyjna warstwa Sterna zbudowana jest z
jonów (+) położonych w bezpośrednim sąsiedztwie
fazy stałej
ż� Atmosfera jonowa czyli jonowa warstwa dyfuzyjna
to koncentracja jonów dodatnich (+), która w miarę
oddalania się od powierzchni cząstki stopniowo
maleje, a koncentracja jonów ujemnych (-) wzrasta
Woda w gruntach
Schemat budowy koloidalnej micelli
Jonowa warstwa Warstwa
dyfuzyjna  woda adsorpcyjna
słabo związana Sterna  woda
silnie związana
Wg teorii Jądro
podwójnej
Granula
warstwy
Micella
elektrycznej
Oddziaływanie cząstek gruntu z wodą
ż� Cząstka otoczona warstwą adsorpcyjną i dyfuzyjną
nosi nazwę micelli
ż� Różnica sił utrzymujących warstwę adsorpcyjną
(silniej) i dyfuzyjną (słabiej)
ż� Ruchliwość kationów w PWE cząstek minerałów
ilastych jest 5-10 razy mniejsza od ruchliwości w
roztworze
ż� Jon uwięzione w koloidalnej micelli kontaktować
się mogą z jonami występującymi w wodzie
porowej zachodzą reakcje wymiany
ż� Skład adsorbowanych przez cząstki jonów z
roztworu zależy od reakcji jonowymiennych
ż� Jony wymienne  wchodzące w reakcje wymiany
Wymiana jonowa  pojemność
ż� Całkowita liczba jonów mogących brać udział w
wymianie w danych warunkach  pojemność
wymiany jonowej
ż� Wyrażana w miligramorównoważnikach na 100g
gruntu (mgr/100g) czyli w miliwalach na 100g
gruntu (mwal/100g) i określa przy pH=7
ż� Wartości pojemności w gruntach nie przekraczają
200 mwal/100g gruntu
ż� Zachodzą w warstwie dyfuzyjnej, adsorpcyjnej i w
sieci krystalicznej
ż� Mechanizm wymiany zależy w dużej mierze od
charakteru sieci krystalicznej minerałów ilastych
Wymiana jonowa
Cząstki kaolinitu
1. sztywna siatka krystaliczna
2. dostęp do przestrzeni międzypakietowych jest
niemożliwy
3. podstawowe powierzchnie są elektrycznie
obojętne  reakcje wymiany zachodzą jedynie na
brzegach sieci krystalicznej
4. 3-15 mwal/100g  wymiana ekstramicellarna (jony
nie przenikają do przestrzeni międzypakietowych)
Wymiana jonowa
Cząstki illitu
1. sztywna siatka krystaliczna
2. brak dostępu do przestrzeni międzypakietowych
3. płaszczyzny podstawowe maja znaczny ładunek
ujemny (podstawienia Si4+Al3+ i Al3+Mg2+
4. reakcja wymiany zachodzi na brzegach i
zewnętrznych płaskich powierzchniach
5. 10-40 mwal/100g  wymiana ekstramicellarna (jony
nie przenikają do przestrzeni międzypakietowych)
Wymiana jonowa
Cząstki montmorillonitu
1. ruchoma siatka krystaliczna
2. powierzchnie płaskie obdarzone nieco mniejszym
ładunkiem ujemnym niż illit z powodu mniejszych
podstawień
3. dostęp do przestrzeni międzypakietowych
4. 80-150 mwal/100g)  wymiana ekstramicellarna i
intermicellarna (jony wymienne przenikają do
przestrzeni międzypakietowych)
Wymiana jonowa
a
b
c
a  kaolinit, b  illit (hydrołyszczyki), c - montmorillonit
Schemat rozmieszczenia kationów
wymiennych dla cząstek minerałów ilastych
Wymiana jonowa
Na+
Ca2+
Zależność pojemności
wymiany kationowej 
CEC od składu
mineralnego i kationu
wymiennego
Mg2+
Wymiana jonowa
ż� Obserwuje się niejednakową adsorpcję kationów w
procesie reakcji jonowymiennych
ż� Jedne kationy energicznie wypierają jony
zaadsorbowane na powierzchniach cząstek gruntu,
zajmują ich miejsce i z trudem przechodzą do
roztworu
ż� Inne kationy łatwo przechodzą ze stanu
zaadsorbowania w stan swobodny do roztworu
ż� Poznanie składu kationów wymiennych i zmian
tego składu w czasie ma duże znaczenie
praktyczne
ż� Właściwości gruntów spoistych zależą między
innymi od tego składu
Wymiana jonowa "! woda związana
ż� Woda silnie związana  bliska hydratacja jonów
wymiennych wchodzących w skład koloidalnej
micelli  warstwa adsorpcyjna
ż� Ilość wody silnie związanej (warstwa adsorpcyjna)
zwiększa się wraz ze wzrostem wartościowości
kationów: K3+ > K2+ > K+
ż� Tworzenie otoczek wody słabo związanej zachodzi w
warstwie dyfuzyjnej PWE
ż� Im większy potencjał warstwy dyfuzyjnej tym
większa otoczka wody słabo związanej
ż� Potencjał warstwy dyfuzyjnej wzrasta wraz ze
zmniejszeniem wartościowości jonów: K+ > K2+ > K3+
Wymiana jonowa "! woda związana
ż� Zwykle wody słabo związanej wokół cząstki gruntu
jest znacznie więcej niż wody silnie związanej
ż� W skład warstwy dyfuzyjnej wchodzi około 1-5%
kationów wymiennych ale ilość ta wystarcza do
tworzenia znacznych powłok hydratacyjnych przy
niskim stężeniu soli w wodzie porowej
ż� Tworzenie grubych otoczek wody związanej wokół
cząstek gruntu sprzyja rozpadowi mikroagregatów
ż� Zmniejszenie powłok wody związanej wokół cząstek
gruntu umożliwia zjawisko odwrotne  proces
koagulacji cząstek i tworzenie się mikroagregatów
Wymiana jonowa "! mikrostruktura
ż� Zmiany mikrostruktury w zależności od rodzaju
kationu wymiennego
ż� Powstawanie i rozpad mikroagregatów  analiza
mikroagregatowa
ż� Kationy jednowartościowe zwiększają dyspersje
gruntu  dyspergator Na+, Li+, H+
ż� Kationy dwu- i trójwartościowe zmniejszają
dyspersje  koagulator Ca2+, Mg2+
ż� Dyspergatory wykorzystuje się przy przygotowaniu
zawiesiny gruntu do analizy granulometrycznej
Wymiana jonowa "! mikrostruktura
ż� Iły Na i Ca mają odmienną mikrostrukturę, co
uwarunkowane jest dyspergującymi i koagulującymi
własnościami tych kationów
ż� Charakter mikrostruktury oraz własności hydrofilne
zależą od budowy sieci krystalicznej minerałów
ilastych, ale również od pojemności wymiany
jonowej i wartościowości kationów wymiennych
ż� Struktura gruntu zależy również od składu fazy
ciekłej
ż� Należy wiązać skład chemiczny, mineralny oraz
strukturę i teksturę "! samoorganizacja materii w
procesach powstawania gruntów i ich diagenezy "!
wpływ na właściwości gruntów
Dziękuję za uwagę
J�
Powodzenia na egzaminie
23.01 (poniedziałek) g.10-12
s. P089-P095