3.4. Жидкие компоненты грунтов

Формулировка жидкости. Жидкость – агрегатное состояние вещества, сочетающее в себе свойства твёрдого состояния (сохранение заданного объёма, определённая прочность на разрыв) и газообразного (самопроизвольная изменчивость формы). Для жидкости характерны ближний порядок в расположении частиц (молекул, атомов) и малое различие в кинетической энергии теплового движения молекул и их потенциальной энергии взаимодействия. Тепловое движение молекул жидкости состоит из колебаний около положения равновесия и сравнительно редких перескоков из одного равновесного положения в другое. С этим связана текучесть жидкости. Жидкие компоненты грунтов подразделяются на три разновидности: 1) вода и водные неорганические растворы, 2) органические жидкости (нефтепродукты, смолы, полимеры, битумы) и 3) техногенные воды.

3.4.1. Вода – основная составляющая жидкого компонента

Структура единичной молекулы воды достаточно хорошо изучена и представляется в виде плоскоугловой фигуры, в которой вершину образует кислород, а атомы водорода находятся на расстоянии 9,6 нм и зафиксированы под углом 104,5^○ (рис. 3.10, а).

Известно, что молекула воды является диполем со своим эффективным зарядом, что проявляется на контакте с отрицательно заряженной поверхностью минералов в виде свойства гидрофильности (смачиваемости). При этом молекулы воды адсорбируются поверхностью грунтовой частицы и удерживаются на ней молекулярными силами Ван-дер-Ваальса (рис. 3.10, б), достаточно слабыми, но определяющими гамму водно-физических свойств связных грунтов: смачиваемость, липкость, тиксотропность, пластичность и др.

Рис. 3.10 – Схема молекулы воды (а) и вода на контакте с поверхностью грунтовой частицы (б): δ – эффективный заряд, l – длина диполя; 1 – поверхность минерала, 2 – адсорбционные центры

Структура воды как форма существования материи до сих пор окончательно не выяснена и имеет множество моделей. Наилучшее согласие с экспериментом дают так называемые континуальные (сплошные среды) модели воды, предполагающие существование трёхмерного, достаточно рыхлого непрерывного «каркаса» из молекул воды, соединённых водородными связями приблизительно в тетраэдрической координации.

Вода всегда содержит те или иные растворённые неорганические вещества. Поэтому в грунтах она очень часто находится в в виде водных растворов. Кроме того, в воду попадают органические нефтепродукты, смолы, растворы полимеров и др. Как результат взаимодействия воды с органическими веществами в грунтах присутствуют различные жидкостные композиции (растворы и эмульсии), имеющие свойство выпадать в осадок.

Вода представляет собой своего рода аккумулятор самых разнообразных жидкостей, в т.ч. агрессивных для подземной фауны и флоры и для заглубленной техносферы (инженерных конструкций и систем жизнеобеспечения).

3.4.2. Классификация воды, пара и льда в поровом пространстве грунтов

Свойства грунтовых вод всесторонне исследовали Б.В. Дерягин, П.А. Ребиндер, А.Ф. Лебедев, В.А. Приклонский, Е.М. Сергеев, Р.И. Злочевская, Л.И. Кульчицкий, Б.М. Гуменский и др.

Новые теоретические и экспериментальные данные позволяют уточнить три традиционных класса воды и назвать их так: связанная, переходного типа и свободная. К этим трём классам следует приобщить ещё два класса воды в нежидком состоянии: водяной пар (газообразная вода) и лёд (твёрдая модификация воды), что представлено в классификации воды, водяного пара и льда (табл. 13). Таким образом, вода подразделяется на 5 классов, каждый из которых включает характерный вид воды. Всего названо 23 вида и 45 разновидностей. Каждому элементу классификации присвоен цифровой шифр: класс – 1…5, вид – 1…23 (суммарно), разновидность – 1…45 (суммарно).