3.3.4.2. Связи между минералами
В царстве глинистых минералов проявляются смешанные химические связи – ковалентная (атомная), молекулярная и водородная. Им присущи также физические молекулярные силы, участвующие в реализации связей между частицами в глинистых грунтах, т.е. дипольные (ориентационные), индукционные и дисперсионные, обеспечивающие глинам прекрасные свойства связности, тиксотропности, липкости и др. Роль этих сил (Ван-дер-Ваальса) значительно повышается с увеличением числа контактов в единице объёма или на единицу площади сечения в системе.
Дипольные силы возникают в полярных молекулах, имеющих два одинаковых знакопеременных заряда. Попадая в электростатическое поле, молекулы притягиваются одним из полюсов к противоположно заряженному источнику поля (рис. 3.6).
Рис.3.6 – Вода как диполь (а), схема дипольной силы притяжения (б):
1 – поверхность минерала; 2 – адсорбционные центры поверхности минерала;
3 - ориентированные (вытянутые) молекулы воды; l – длина диполя
Индукционные силы возникают благодаря влиянию дипольных молекул на окружающие неполярные молекулы, за счёт искривления которых возникают наведённые диполи. В результате взаимодействия постоянного диполя с наведённым и возникают индукционные силы (рис. 3.7), не зависящие от окружающей температуры.
Рис.3.7 – Схема возникновения индукционной
силы притяжения: 1 – вода; 2 – смещённое ядро;
3 – искривлённая оболочка
Дисперсионные силы обусловлены периодическим колебанием электронных оболочек и ядер атомов, при котором образуются мгновенные диполи. На рис. 3.8 параметры lе и ln обозначают амплитуды раскачки электронной оболочки и ядра, что приводит к возникновению соответствующих мгновенных дипольных моментов µe и µn:
µe =·δ, µn =·δ ,
где δ – эффективный заряд.
Рис.3.8 – Схема возникновения дисперсионной силы при раскачи-вании электронной оболочки (а) и ядра атома (б): 1 – оболочка; 2 – ядро;
δ – эффективный заряд; le и ln – амплитуды раскачки оболочки и ядра
В глинистых грунтах возникают также водородные связи, занимающие по энергии притяжения промежуточное положение между химическими и физическими силами. Эти связи характерны, например, для твёрдого компонента грунта, каковым является лёд, формула которого приводится ниже:
Н – О О –
Н
Н Н
О
Н Н
В этой формуле участвуют три молекулы воды. Штриховой линией обозначена незамерзающая водородная связь, благодаря которой льдинки смерзаются между собой, срастаясь с замёрзшим кислородом.
3.3.4.3. Виды минералов
Глинистые минералы представляют собой водные силикаты и алюмосиликаты, состоящие из двухэтажных, трёхэтажных пакетов и из пакетов, сложенных одним одноэтажным и одним трёхэтажным силикатными слоями. Существуют также смешанно-слойные минералы. Всего насчитывается более 50 наименований глин, которые образуют две наиболее распространённые и значимые для строительной отрасли группы: каолиниты, монтмориллониты.
Каолиниты23. В группу каолинитов входят минералы триоктаэдрического типа с однослойной структурой (каолинит, диккит, накрит, аноксит и галлуазит). Каолинит имеет чётко геометрический внешний вид кристалла, что обнаруживается при больших увеличениях под электронным микроскопом (см. рис. 2.4, а). Иногда пластинки имеют правильную шестигранную форму. Каолиниты в качестве основного компонента входят в каолиновые месторождения, которые обнаруживаются среди песчаных отложений на водораздельных плато в виде гнёзд, линз, пластов. Включают, помимо каолинита, зёрна кварца и остатки унаследованной породы, сохранившиеся при выветривании однозначно в кислой среде (рН < 7).
В 1998 г. возле г. Пласт (Челябинская обл.) найдены в местечке Журавлиный Лог запасы белой каолиновой глины, которую ранее Южноуральский фарфоровый завод привозил из Украины. Каолинит применяется в керамической, огнеупорной, электротехнической и бумажной промышленности.
Монтмориллониты24. Группа включает следующие разновидности: монтмориллонит (бентонит), бейделлит, нонтронит, сапонит и др. Они являются продуктами выветривания осадочных и метаморфических горных пород в щёлочной среде (рН > 7). Имеет структуру ди– и триоктаэдрическую. Главная особенность этой группы глин заключается в подвижности кристаллической решётки, что обеспечивает ей способность к сильному набуханию за счёт поглощения воды с увеличением объёма частицы глины до 20 крат. Вода легко попадает в межслоевое пространство и «застревает» там, сохраняя стабильность глинистого раствора по вязкости и плотности. В связи с этим рассматриваемые глины незаменимы для приготовления тиксотропных растворов, широко применяемых в геотехнике при устройстве стены в грунте, буровых свай, опускных колодцев. Отличаются тонкодисперсностью, которая даже при большом увеличении под электронным микроскопом имеет хлопьевидный, размытый, мелкий, чешуйчатый вид (см. рис. 2.4, б), что говорит о глубокой степени разложения первичной породы в процессе выветривания и диагенеза. Для диагностирования монтмориллонитов нами использовались данные термического и рентгеновского анализов, а результаты только электронной микроскопии не всегда обеспечивают идентификацию.