Полный текст

Введение Физико-химические свойства глин зависят от факторов, определяющих энергетический потенциал на поверхности частиц [1-4], и от факторов, формирующих удельную поверхность частиц [5, 6]. Для формирования энергетического потенциала глин разработаны различные способы их обработки (активации): термический [7-10], химический, с помощью кислот [11], щелочей [12], соли с различной продолжительностью воздействия [13]. По данным Б.К. Кара-Сал и др. [8], при нагревании глин до температур 400-600 °C их сорбционная активность увеличивается за счет высвобождения высокоэнергетических центров на поверхности минерала. По мнению Ж.А. Сапроновой и др. [14], при ультрафиолетовой активации глин за счет ослабления связей в кристаллической решетке минералов ионы металлов выходят из октаэдрических позиций. Это способствует увеличению активности глин в 1,3 раза. Обработка глин ультразвуком приводит к разрушению агрегатов и достройке кристалличес-кой структуры, что повышает активность глин [15]. Изучению вопроса, касающегося изменения физико-химических свойств каолина, обработан-ного давлением, посвящено ограниченное число работ. Наиболее детально этими вопросами занимались А.Г. Косовская и др. [16], В.А. Ерощев-Шак и др. [17], Э.А. Гойло и др. [18], K.J. Range и др. [19], В.А. Франк-Каменецкий и др. [20], La Iglesia [21], Galan и др. [22]. La Iglesia [21] установил, что воздействие давления (100-2000 МПа) на каолин не приводит к существенным изменениям размера области когерентного рассеивания d001 (энергетического потенциала), а при давлениях более 4 000 МПа эти изменения проявляются. Формирование удельной поверхности частиц напрямую связано с вопросами образования микроагрегатов в грунтах [1, 23, 24]. В работах [23, 25] представлена информация по формирова-нию гранулометрического и микроагрегатного состава сырых глин в процессах их природного образования и преобразования. В работах [5, 6] опубликована информация по глинам, подверженным техногенному воздействию растворами MgCl2, CaCl2, KCl и NaCl. Авторы пришли к выводу, что процесс агрегации связан с концентрацией солевого раствора и минеральным составом частиц. Вопросами влияния механического фактора, например давления, на формирование агрегатов в дисперсных сырых грунтах занимались в работах [25-27]. Проведенные исследования [28] показали, что при давлениях до 200 МПа наблюдается незначительное изменение агрегатного состава сырых грунтов. При давлении 300 МПа пылеватого грунта содержание тонкой песчаной фракции увеличилось от 13 до 51 %, пылеватой - от 5 до 23 %, а глинистой - от 2,15 до 5,42 %. При испытании покровных суглинков давлением Р = 2000 МПа и Р = 3660 МПа получены аналогичные результаты [28]. На основании экспериментальных исследований были разработаны методики прогноза гранулометрического состава не только земных [29], но и лунных грунтов [30]. При обработке глин давлением наряду с процес-сом агрегации протекают и процессы диспергации и дробления. Для каолинита [21, 31-33] дробление изменяет размер и форму частиц и распределение пор. Кроме того, дробление влияет на физико-химические свойства глин [34-38]. Измельчение каолинита не приводит к постепенному увеличению дефектности для всех кристаллитов, присутствующих в образце [39-42]. Из приведенного выше видно, что вопросы влияния давления на образование микроагрегатного состава и, как следствие, физико-химических свойств глин представляют значительный интерес. Поэтому целью работы является исследование закономерностей изменения состава глин, подвержен-ных высоким давлениям. Объектом исследования являются четвертич-ная каолиновая глина Нижне-Увельского место-рождения Челябинской области и лобановская аргиллитоподобная монтмориллонитовая глина шешминского горизонта верхней перми. Методика исследования Для передачи давления на образец глин спроектирован и изготовлен прибор высокого давления [43]. Его рабочие поверхности выполнены из твердосплавного материала, их площадь составляла S = 0,75 см2. В качестве нагрузочного устройства использовался пресс марки ПЛГ-20. Подготовку образцов глины для грануло-метрического анализа осуществляли по методике, изложенной в работе [5]. Максимальное давление составляло Р = 2200 МПа. Всего изготовлено 56 образ-цов монтмориллонитовой и 65 каолиновой глин. Гранулометрический состав глин определялся на лазерном дифракционном анализаторе «Анализетте-22» по методике, изложенной в работе [5]. Технические возможности данного прибора позволяют произвести измерения частиц разме-рами от 0,08 до 20000 мкм. В работе [25] отмечалось, что тонкая глинистая фракция меньше 1 мкм во многом определяет физико-химические свойства глин. Поэтому, исходя из возможностей прибора и значительного влияния тонкодисперсных частиц на свойства грунтов, нами исследованы следующие фракции (мкм): Ф<0,1, Ф0,1-0,2, Ф0,2-0,5, Ф0,5-1,0, Ф1-2, Ф2-5, Ф5-50. Всего произведено 319 определений грануло-метрического состава монтмориллонитовой и 385 каолинитовой глин. Следует отметить, что определение размера частиц на данном приборе осуществлялось следующим образом: первоначально происходит диспергирование, а затем измерение частиц, поэтому на выходе должны получить грануло-метрический состав грунта. Однако уменьшение фракции Ф<0,1 свидетельствует о том, что не все частицы в процессе диспергирования разрушаются до размера первичных, поэтому фактически получаем микроагрегатный состав грунта. Исходя из смысла обсуждаемого вопроса, далее в тексте используем термины «гранулометрический и микроагрегатный состав». Результаты исследований Исследования проводили поэтапно. На первом этапе изучали влияние давления и минерального состава глин на изменение их фракционного состава. Экспериментальные данные приведены на рис. 1, на котором видно, что корреляционные поля имеют близкий характер изменения для различных фракций. Однако поля фракции Ф<0,1-Ф2-5 каолиновой глины располагаются над соответствующими полями монтморил-лонитовой глины, а для Ф5-50 - наоборот. Данное обстоятельство вызвано тем, что на изменение содержания глинистых фракций в грунте при его сжатии существенное влияние оказывает минеральный состав глин. Для подтверждения вывода о влиянии минераль-ного состава глин на формирование их грануло-метрического состава использованы статистические методы [44], результаты расчетов приведены в табл. 1. Как видно из табл. 1, расчетные значения коэффициента Стьюдента (tр) для каждой исследуемой фракции выше, чем tт = 0,03, поэтому можно считать, что на формирование фракционного состава грунтов, подверженных давлению, минеральный состав оказывает существенное влияние. Критерий Стьюдента показывает, что выборочные совокупности статистически разделяются. а б в г д е Рис. 1. Изменение фракционного состава монтмориллонитовой и каолиновой глин в зависимости от давлений: а - Ф<0,1; б - Ф0,1-0,2; в - Ф0,2-0,5; г - Ф1-2; д - Ф2-5; е - Ф5-50 ж Таблица 1 Статистические характеристики глин Фракция, % Каолиновая глина Монтмориллонитовая глина Расчетное значение коэффициента Стьюдента tр Распознавание выборочных совокупностей, % среднее стандартное отклонение среднее стандартное отклонение каолиновая глина монтмориллонитовая глина общее Ф<0,1 0,449 0,139 0,180 0,120 25,911 80,0 85,9 83,0 Ф0,1-0,2 0,787 0,148 0,471 0,122 29,197 93,4 85,0 89,1 Ф0,2-0,5 2,184 0,938 1,508 0,397 11,801 42,3 83,4 63,3 Ф0,5-1,0 6,961 2,291 4,262 1,420 17,771 83,6 83,4 83,5 Ф1-2 14,637 4,538 9,673 2,798 16,526 67,5 82,1 75,0 Ф2-5 23,203 6,637 18,812 5,329 9,134 44,6 74,6 59,9 Ф5-50 49,961 13,960 62,695 9,197 -13,511 58,4 81,8 70,4 Z -1,759 1,020 1,682 0,980 -42,967 97,0 93,4 95,2 Для количественной оценки разделения использован линейный дискриминантный анализ (Linear Discriminant Analysis). Результаты расчетов приведены в табл. 1. Показано, что максимальное различие между каолином и монтмориллонитом наблюдается для фракций Ф0,1-0,2 и Ф<0,1, а минимальное - для фракции Ф2-5. Остальные фракции занимают промежуточное положение. Для них критерий tр изменяется от 9,1 до 17,8, а общая правильность распознавания - от 59,5 до 83,5 %. Необходимо отметить, что в преобладающем большинстве случаев фракции монтмориллонитовой глины распознаются лучше, чем каолиновой. На втором этапе изучали влияние давления на общие закономерности изменения грануло-метрического состава глин (выделение классов - диапазон давлений). Изменение фракционного состава глин при увеличении давления приведено на рис. 1. Видно, что при возрастании давления до Р = 125 МПа наблюдается существенное уменьшение содержания глинистых (Ф<5) и увеличение пылеватой (Ф5-50) фракций. При повышении давления до Р = 750 МПа содержание глинистых фракций изменяется разнонаправленно, а пылеватой - возрастает. При дальнейшем увеличении давления до 2200 МПа содержание глинистых фракций возрастает, а содержание пылеватой фракции изменяется хаотично. Для подтверждения предположения о наличии граничных давлений Р = 125 МПа и Р = 750 МПа использовали линейный дискриминантный анализ. Выполненные расчеты по дискриминантным функциям показали, что правильная распознаваемость всех выборок составляет 100 %. Таким образом, доказано, что граничные значения давления Р = 125 МПа и Р = 750 МПа выбраны обоснованно. Это свидетельствует о том, что в каждом классе интенсивность протекания процессов агрегации и диспергации различна, поэтому и условия формирования фракционного состава глин также имеют свою индивидуальную специфику. На третьем этапе изучали влияние давления на изменение гранулометрического состава глин в рамках выделенных классов (внутри классов). Для этого использовали корреляционный анализ. В классе 1 (Р = 0-125 МПа) среднее содержание глинистых фракций меньше, чем в исходной пробе. Это изменение связано, вероятно, с процессами агрегации глинистых частиц, результатом которых явилось увеличение содержания пылеватой фракции Ф5-50. Расчеты показали, что между Р и Ф установлены статистические связи, о чем свидетельствуют значимые коэффициенты парной корреляции (r). Наличие отрицательных значений r между Р и Ф<5 подтверждает наш вывод о том, что с увеличением давления содержание глинистых фракций уменьшается. Положительные значения r между давлением и содержанием пылеватой фракции, наоборот, говорят о том, что с увеличением Р содержание Ф5-50 возрастает. Для оценки степени влияния давления на изменение содержания исследуемых фракций использовали показатель k - угловой коэффициент, который представляет собой тангенс наклона прямой в уравнении связи между давлением и фракцией. Его можно интерпретировать следующим образом: чем выше значения k, тем большее влияние оказывает давление на изменение содержания исследуемой фракции [32]. Результаты расчетов представлены на рис. 2. Установлено, что с уменьшением размера частиц влияние давления на изменение содержания этих фракций уменьшается, при этом наиболее чувствительной к давлению является пылеватая фракция Ф5-50, а наименее - глинистая Ф<0,1. Следует отметить, что из всех глинистых фракций в большей степени подвержены давлению фракции Ф1-2 и Ф2-5 в монтмориллонитовой и каолиновой глине соответственно. а б в Каолиновая глина; Монтмориллонитовая глина Рис. 2. Зависимость степени влияния давления на изменение содержания исследуемых фракций каолиновой и монтмориллонитовой глин в классах 1 (а), 2 (б) и 3 (в) Скорость изменения содержания глинистых фракций при увеличении давления в каолиновой сырой глине выше по сравнению с монтморил-лонитовой, о чем свидетельствуют более высокие значения показателя k (рис. 2). В классе 2 (Р = 150-750 МПа) так же, как и в классе 1, наблюдается уменьшение содержания глинистой фракции Ф<5 и увеличение пылеватой Ф5-50 (см. табл. 1). При этом для фракции Ф<0,1 отмечается иная закономерность: с увеличением давления содержание Ф<0,1 возрастает, что обусловлено процессами диспергации других фракций. Увеличение содержания Ф5-50 связано с процессами агрегации глинистых частиц до размеров пылеватой фракции. Из всех глинистых фракций наиболее чувстви-тельной к давлению является фракция Ф2-5. При этом давление оказывает большее влияние на каолиновую глину, чем на монтмориллонитовую, о чем свидетельствуют более высокие значения показателя k. В классе 3 (Р = 800-2200 МПа) влияние давления на изменение фракционного состава глин принципиально отличается от классов 1 и 2. С увеличением давления содержание всех фракций, кроме Ф2-5, возрастает, на что указывают положительные значения r. Между Р и Ф установ-лены статистические связи, об этом свидетельствуют значимые коэффициенты парной корреляции. Наибольшее влияние давление оказывает на образование фракции Ф5-50, а наименьшее - на Ф<0,1. Из всех глинистых фракций, как и в предыдущих двух классах, наиболее чувстви-тельной к давлению является фракция Ф2-5. При этом давление оказывает более существенное влияние на каолиновую глину, чем на монтмориллонитовую, о чем свидетельствуют более высокие значения показателя k. На четвертом этапе изучали влияние давления на формирование удельной поверхности частиц глинистых грунтов. Результаты исследо-вания приведены на рис. 3. Расчет удельной площади частиц производили на 1 мм3 глины. Из рис. 3 видно, что с увеличением давления площадь удельной поверхности частиц каолиновой (Sк) и монтмориллонитовой (Sм) глин уменьшается. При этом наибольшая скорость уменьшения S наблюдается в классе 1 (при давлениях до 125 МПа). При давлении более 125 МПа его влияние на изменение S менее значительно. В случае монтмориллонитовой глины на качественном уровне наблюдается взаимосвязь между давлением и площадью, а в каолиновой глине взаимосвязь не выражена. Для количественной оценки взаимосвязей между Р и S проведен корреляционный и регрессионный анализы. Результаты корреля-ционного анализа представлены в табл. 2. Из табл. 2 видно, что между давлением и площадью удельных поверхностей частиц глин установлены статистические связи, о чем свидетельствуют значимые коэффициенты парной корреляции. Расчетное значение коэффициента корреляции между площадью удельных поверхностей частиц глин в классе 3 и давлением, равным rр = 0,25, больше критического значения rт = 0,17 при уровне значимости α = 0,05 и числе степеней свободы n = 160. Таблица 2 Корреляционная матрица Показатель Каолиновая глина Монтмориллонитовая глина Давление Р, МПа -0,98 -0,55 0,25 -0,88 -0,61 0,70 Примечание: - площадь удельных (активных) поверхностей частиц в классах 1, 2, 3. а б Класс 1 Класс 2 Класс 3 Рис. 3. Изменение удельной площади поверхности каолиновой (а) и монтмориллонитовой (б) глин в зависимости от давлений На пятом этапе изучали условия формиро-вания гранулометрического состава глин, подверженных давлению. При обработке глин давлением в исследуемых образцах наблюдаются процессы дробления и агрегации частиц. Процесс агрегации обусловлен силами взаимодействия частиц между собой, имеющими физико-химическую природу, а процесс дробления - деформациями частиц. Рассмотрим влияние давления на агрегацию и диспергацию частиц с позиций их размерности. В кристаллитах процесс агрегации протекает по следующему сценарию: при давлении Р = 0 МПа (в природных глинах) кристаллиты связаны между собой молекулярными связями (через катионы диффузных слоев воды), т.е. связь между кристаллитами осуществляется посредством коагуляционных контактов. При давлении на грунт от 0 до 125 МПа адсорбированные пленки воды (диффузные слои) на поверхности кристаллита [45] частично прорываются, поэтому кристаллиты между собой контактируют, с одной стороны, точечно (переходные контакты), а с другой стороны, через диффузные слои (коагуляционные контакты). При увеличении давления от 125 до 2 000 МПа процесс агрегации сменяется процессом диспергации кристаллитов, из-за которого происходит частичное разрушение химических связей между кристаллитами. Причиной разрушения является расклинивающее давление пленки связанной воды, сформированной повышен-ным энергетическим потенциалом на поверхности кристаллита. То есть наблюдается уменьшение влияния в агрегате точечных контактов (электроста-тических и химических связей) и увеличение более слабых коагуляционных (молекулярных связей) контактов, а часть контактов между кристаллитами разрывается полностью. В тонких коллоидах (размером 0,1-2,0 мкм) при давлениях до 125 МПа процессы агрегации протекают по сценарию, описанному выше. При давлениях от 125 до 2 200 МПа интенсивность процессов агрегации и диспергации незначитель-ная, они компенсируют друг друга, поэтому содержание этих фракций изменяется несильно. В крупных коллоидах (размером 2-5 мкм) при давлениях от 0 до 2200 МПа протекают только процессы агрегации с различным механизмом их формирования и интенсивностью. При увеличении давления от 0 до 125 МПа возрастает количество точек прорыва адсорбированных пленок воды (диффузные слои) на поверхности кристаллитов, что приводит к уменьшению коагуляционных контактов и увеличению переходных контактов. То есть наблюдается уменьшение молекулярных и увеличение химических связей между коллоидами. При дальнейшем возрастании давления от 125 до 800 МПа количество переходных контактов увеличивается и появляются единичные фазовые контакты. То есть возрастает роль химических связей между коллоидами. При дальнейшем увеличении давления от 800 до 2200 МПа роль химических связей между коллоидами (фазовые контакты) превалирует. Полученные результаты не противоречат природе формирования микро-агрегатного состава глин. Выводы Экспериментально установлено, что с увеличе-нием давления наблюдается общая тенденция снижения содержания глинистой и увеличения пылеватой фракций. Наряду с этой закономерностью в каждом классе выявлены локальные изменения содержания фракционного состава глин в зави-симости от давления. С увеличением давления площадь удельной поверхности частиц каолиновой и монтмориллонитовой глин уменьшается. Изме-нения гранулометрического состава обусловлены процессами агрегации и диспергации частиц. В процессе агрегации, вызванной высоким давле-нием, формируются коагуляционные, переходные и фазовые контакты между частицами. Дробление и расклинивающее давление пленки связанной воды вокруг частиц являются ведущими факторами, определяющими процесс их диспергации.

Об авторах

Карине Антоновна Алванян

Автор, ответственный за переписку.
Email: karishuta@yandex.ru
614990, Россия, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29

аспирант кафедры инженерной геологии и охраны недр

Александр Васильевич Растегаев

Email: arastegaev@mail.ru
614990, Россия, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29

доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры геологии нефти и газа

Татьяна Юрьевна Хлуденева

Email: seredin@nedra.perm.ru
614068, Россия, г. Пермь, ул. Букирева, 15

аспирант кафедры инженерной геологии и охраны недр

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 263

PDF (Russian) - 49

PDF (English) - 50

Ссылки

• Ссылки не определены.