Практическое использование ФХОС и ХПС
Необходимо рассматривать при проведении исследований гран состава грунтов. Для диспергации в раствор добавляют NH4 или пирофосфат Na.
ФХОС используется для уменьшения водопроницаемости (метод солонцевания). Грунт, содержащий Са заменяется на Na за счет внесения в грунт NaCl. Na вытесняет Са, толщина диффузионного слоя увеличивается, водопроницаемость грунтов снижается. Фильтрационная способность чернозема уменьшается (в 285 раз уменьшается Кф), карбонатные грунты в 20 раз.
На использовании механической и физической поглотительной способности основана кольматация.
Электрокинетические и осмотические свойства грунтов
Эти свойства характерны для высокодисперсных грунтов (глин, лесса, торфа). Передвижение воды в порах таких грунтов возможно не только под действием механических сил, но и под влиянием физических и физико-химических сил.
Движение воды происходит при наличии
градиента поля постоянного электрического тока
градиенте концентрации электролита (капиллярный осмос)
при наличии температурного градиента (термоосмос)
Движение воды в грунте под действием этих факторов подчиняется одному и тому же закону.
υ=Kgrad(ψ,c,T)
K – коэффициент осмоса
Ψ – электрически потенциал
C – потенциал концентрации
T – температурный потенциал
Механизм перемещения воды одинаков – перемещение жидкости по поверхности частиц в отличие от фильтрации, когда происходит движение свободной воды по слою связной. Это передвижение обусловлено наличием поверхностных сил. Чем больше поверхностные силы, тем отчетливее проявляется роль рассматриваемых явлений.
Для обезвоживания глинистых толщ используются электрокинетические явления. К различным электродам движется вода и частицы. У анода собирается вода, у катода глина. U=12В. Через 1 метр другая линия, через 1 месяц обезвоживается на глубину 1 метр.
При воздействии на водонасыщенный глинистый грунт постоянным электрическим током возникают электрокинетические явления – электрофарез и электроосмос (впервые были открыты Ф.Ф. Рейссом в 1809 г.).
Электроосмос – движение воды в порах грунта вод действием внешнего электрического поля от А к К, а электрофарез (катафарез) – движение взвешенных в жидкости твердых дисперсных частиц к одному из электродов (к аноду чаще).
В силу того, что минеральные частицы имеют на поверхности электрический заряд при движении твердой и жидкой компонент относительно друг друга возникает электрический потенциал.
При осаждении частиц в суспензии возникает потенциал оседания, а при движении жидкости через пористую среду возникает потенциал течения. Механизм электрокинетических явлений основывается на классическом представлении о ДЭС на границе раздела твердое тело – жидкость. Электроосмотическое течение под действием приложенного электрического поля прямо пропорционально ζ-потенциалу, напряженности электрического поля и диэлектрической проницаемости ℰ.
Коррозионные свойства
Коррозией называется процесс разрушения минералов вследствие электрохимических или физических процессов. Подземная коррозия – металлические предметы, помещенные в грунт, разрушаются. Одной из причин подземной коррозии является действие блуждающих токов. Эти токи чаще всего связаны с эксплуатацией ЛЭП (кабели) Разработаны методы контроля. Коррозия металла – явление электрохимической природы. Согласно теории ЭХ коррозии при соприкосновении металла с электролитом на поверхности металла возникает большое количество коррозионных элементов. Природа коррозионных элементов аналогична природе гальванических, которые возникают из-за разности электрических потенциалов отдельных участков поверхности металла, контактирующих с электролитом, 2 таких участка соединяются между собой проводящим металлом, погруженным в электролит. Вследствие этого возникает замкнутая электрическая цепь, в которой течет постоянный электрический ток. На анодных участках происходит разрушение металла вследствие перехода его ионов в электролит. Подземная коррозия оценивается скоростью или сроком по истечении которого на поверхности трубопровода возникает первый сквозной питтинг (каарпа). Скорость его появления в стальном трубопроводе d=300мм и толщиной стенки 9 мм > 20 лет при низкой коррозионной активности грунта, при высокой 1-3 года.
Для характеристики используют ρ – удельное сопротивление. Между электрическим сопротивлением грунтов КАГ существует прямая зависимость. Чем меньше ρ, тем больше КАГ.
Низкая ρ>100 Ом*м/м
Высокая ρ=5-10 Ом*м/м
Лабораторный метод определения коррозионной активности заключается в следующем:
В банку помещается грунт, а в грунт металлическая трубка, в течение определенного времени пропускается ток, по уменьшению веса трубки определяется активность.
Учитывается содержание нитрат-ионов, органики и рН грунтов.
Низкая <0,0001 мг-экв/100 г породы Нитрат иона
Высокая >0,0001 мг-экв/100 г породы Нитрат иона
Низкое содержание органики <0,01г
Высокое содержание органики <0,02г
рН 6,5-7,5 – низкая
рН >7,5 – высокая
В гумидных условиях кислые; рН<5 или >9 – коррозионная активность по отношению к свинцу высокая.
Коррозионная активность зависит от химического состава грунтов, наличия водорастворимых соединений.
С повышением Cl- и SO42- коррозионная активность повышается.
По разному влияют катионы Са и Na, которые обусловливают водо и газонепроницаемость грунтов. И снижение и понижение коррозионной активности зависит от влажности. В сухих грунтах коррозионная активность = 0, т.к. нет электролита. В водонасыщеных грунтах без доступа O2 коррозионная активность =0.
Начало формирования коррозионных центров проявляется с возникновением прочносвязной воды. При гигроскопичной влажности формируются коррозионные центры, при повышении влажности коррозионная активность повышается.
Эксперименты показывают, что в связных грунтах предельная влажность, которая способствует возрастанию до максимальной составляет 10-12%, в песках ниже, при дальнейшем повышении влажности скорость остается постоянной до влажности 20-25%. Поры еще не полностью заполнены водой и есть возможность газообмена и отмечается максимальное значение коррозионной активности. При дальнейшем повышении влажности, скорость коррозии уменьшается и при полном насыщении равна 0.
Существенное влияние оказывают микроорганизмы, сульфатвосстанавливающие, железистые, водородосвязующие, развивается биокоррозия (встречаются на глубине до 6 км).
Липкость
При разработке глинистых грунтов, скорость проходки и разработки зависит и от липкости. Под липкостью грунтов понимают их способность при определенном содержании воды прилипать к поверхности различных предметов.
Проявляется при небольшой внешней нагрузке 0,1-0,5 МПа. Липкость проявляется только у влажных грунтов. Механизм обусловлен силами взаимодействия, возникающими между молекулами связной воды и частицами грунта с одной стороны и силами, возникающими на поверхности воды, соприкасающейся с грунтовой толщей.
Максимальное значение липкости наблюдается при определенной влажности.
Количественной характеристикой липкости является усилие, требующееся для отрыва прилипшего предмета от грунта. Липкость зависит от гранулометрического состава, минерального состава, состава обменных катионов, состояния грунта (влажность, плотность, структура), материала прилипаемого предмета.
Липкость частиц каолиновой глины
<0,0001 мм больше 10Н/см2
0,0005-0,001 мм больше 1Н/см2
Липкость глинистых грунтов зависит от содержания в них глинистых частиц до определенного предела. Дальнейшее увеличение содержания глинистых частиц не приводит к увеличению липкости.
Вывод: величина липкости тяжелых жирных глин в большей степени зависит от минерального состава, чем от степени дисперсности. Слабосвязная вода определяет величину липкости. Примерно в 5 раз выше липкость монтмориллонита, чем каолинита. Присутствие Na в обменном комплексе грунтов. Глинистые грунты с ненарушенной структурой прилипают хуже, чем с нарушенной.
Пластичность
Под пластичностью грунтов понимают способность их изменять свою форму в результате внешнего воздействия без разрыва сплошности и сохранять полученную форму после снятия внешнего воздействия. Плотность тесно связана с влажностью.
Пластичность – функция количества воды, находящиеся в грунте. Пластичность можно определить через влажность.
W%
Wf - Верхний предел пластичности, граничная влажность, характеризующая переход грунта из пластичного в текучее состояние.
Wp – Нижний предел пластичности (влажность начала раскатывания) – при раскатывании образуются колбаски диаметром 3 мм – граничная влажность, характеризующая переход вещества из твердого в пластичное состояние.
Мр=Wf-Wp – Число пластичности – диапазон влажности, в котором грунт находится в пластичном состоянии.