8 Вопрос
Растворимостью грунтов называется их способность образовывать с другими веществами растворы, т. е. гомогенные смеси переменного состава. Растворение рассматривается как комплексный процесс химической и физической природы, который в современной физической химии описывается в рамках теории растворов. Растворимость минералов в жидкостях при бесконечно большом разбавлении описывается законом Генри и условиями фазового равновесия.
Количественно растворимость характеризуется максимальным количеством грунта (или минерала), способным растворяться в данном растворителе при определенных Р и Т, т. е. концентрацией насыщенного, или равновесного, раствора, измеряемой, например, в мг/л, в молярной (кмоль/м3) или моляль - ной (кмоль/1000 кг) формах. Поскольку в общем случае грунт является многокомпонентной системой, то его растворимость в целом определяется растворимостью отдельных компонентов: твердых, газообразных и жидких. Растворы могут быть жидкими, газовыми и твердыми, при этом, если термин «раствор» не уточняется, то имеется в виду жидкий раствор. Поровый воздух в грунтах представляет собой газовые растворы.
Растворимость минералов и веществ в грунтах удобно также характеризовать особой величиной — произведением растворимости (ПР). Произведением растворимости называется произведение молярных концентраций (активностей) катионов и анионов минерала или вещества в его насыщенном растворе. Так, для минерала вида AJI его произведение растворимости будет:
ПР = [А]х [Яр,
где [А] и [В] — соответственно концентрации катионов и анионов (обычно моль/л). Из закона действующих масс следует правило ПР: в изобарно-изотермических условиях величина ПР является постоянной, т. е. как бы не менялось содержание ионов [А] и [#] в растворе, насыщенном АхВу, произведение их молярных концентраций будет оставаться постоянным. Зная концентрацию в поровом растворе грунта одних ионов, с помощью ПР можно ориентировочно определить концентрацию других.
Согласно диффузионно-кинетической теории скорость растворения фунта зависит от прямого и диффузионного растворения и описывается уравнением
(dm/dt) = а (С - QS,
где т — масса грунта, перешедшего в раствор; t — время растворения; а — коэффициент, отражающий скорость растворения; Сн, С — соответственно концентрации вещества в насыщенном и данном растворе; S — площадь поверхности растворения. Величина а в природных грунтовых водах меняется в пределах 10 9 — 10 1 м/с и определяется вкладом кинетической (ак) и диффузионной (а ) составляющих
1/а = 1/а + 1/а.
Величина ад определяется реакцией взаимодействия растворяющегося вещества с растворителем. Если ад >> ак, то растворение носит кинетический характер и лимитируется величиной ак. При этом оно практически не зависит от скорости движения растворителя (скорости обмена). Если же ад << ак, то растворение имеет диффузионный характер и его скорость лимитируется величиной ос, зависящей от скорости диффузии. При этом скорость растворения тем больше, чем выше градиенты концентрации в растворе.
Растворимость грунтов определяется следующими основными факторами: химико-минеральным составом, структурно-текстурными особенностями, типом и свойствами растворителя, участием биоты, термодинамическими параметрами (Р и 7).
Как известно, абсолютно нерастворимых грунтов не существует. Растворимость некоторых минералов и веществ в воде при температуре 20°С показана в табл. 10.1. По степени растворимости минералы можно разделить на четыре группы. Однако в инженерно-геологических целях важно знать наиболее растворимые разности, к которым относятся прежде всего галоидные грунты, содержащие галит, сильвин и другие, некоторые типы карбонатных грунтов (известняк, доломит, мел, мергель), а также сульфатные грунты, содержащие гипс, ангидрит и др. Во всех случаях примесь в грунтах хорошо растворимых в воде минералов класса простых солей с ионным типом связей и обладающих сравнительно невысокими энергиями кристаллических решеток повышает их растворимость.
Структурно-текстурные особенности грунтов влияют на растворимость двояко. Во-первых, растворимость повышается с уменьшением размера слагающих их минералов: крупнозернистые или крупнокристаллические разности пород медленнее растворяются, чем их мелкозернистые аналоги, так как у них поверхность растворения S меньше. Во-вторых, растворимость грунта зависит от растворимости его кристаллизационно-цементационных структурных связей, поскольку цемент на контактах частиц (обломков, зерен и др.) обычно более растворим, чем сами частицы. Это имеет особенно большое значение в засоленных дисперсных грунтах, в лёссах и т. п. Именно поэтому в грунтах при растворении наблюдаются причудливые формы развивающихся поровых каналов, каверн и др.
В соответствии со СНиП 2.02.01-83 осадочные сцементированные грунты по степени их растворимости делятся на ряд разновидностей (табл. 10.2).
Растворимость осадочных несцементированных грунтов (крупнообломочных, песчаных, пылеватых и глинистых) в основном обусловлена содержанием в них водорастворимых солей, т. е. ихзасоленностью. Согласно СНиП 2.02.01-83 засоленные грунты выделяются в особую группу, так как при длительном взаимодействии с водой они способны терять свою прочность в результате растворения солей. В соответствии с этим к засоленным грунтам по содержанию легко - и среднерастворимых солей относят:
крупнообломочные грунты с пылевато-глинистым заполнителем более 30% и солями более 5%; песчаные грунты с содержанием солей более 0,5%; пылевато-глинистые с содержанием солей более 5%.
Содержание водорастворимых солей в грунтах зоны аэрации зависит от многих факторов, но прежде всего от климатических условий, которые определяют количество выпадающих осадков, способных вымывать соли. Например, для грунтов в пределах Русской равнины с северо-запада на юго-восток выявляются пояса, в которых: 1) грунты полностью выщелочены; 2) распространены грунты с кальцитом; 3) грунты с кальцитом и гипсом; 4) фунты с кальцитом, гипсом и легкорастворимыми солями. В лёссовых фунтах содержание простых солей возрастает по мере повышения аридности климата (рис. 10.1).
Еще более сложно содержание легкорастворимых солей в грунтах меняется по глубине. В зависимости от типа промывного режима, строения массивов грунтов, глубины и других факторов содержание солей вниз по разрезу может изменяться сложным образом, как, например, в почвах и лёссовых грунтах (рис. 10.2). Для лёссов степной зоны Украины характерно наличие нескольких горизонтов, обогащенных легкорастворимыми солями сульфатов натрия и кальция.
Растворимость твердых компонентов грунта обусловлена растворимостью составляющих его отдельных минералов и твердых органических примесей. Из правила ПР следует, что добавление к раствору более растворимой соли, имеющей ион, одноименный с первой, понижает растворимость исходной соли. Правилом произведения растворимости удобно пользоваться при растворимости минералов в воде менее 0,01 моль/л (или ориентировочно менее 1 г/л). К хорошо растворимым минералам оно не применимо (для них концентрации в расчетах должны быть заменены на активности). Однако большинство породообразующих минералов имеет низкую растворимость, что и определяет применимость к ним правила ПР. Значения произведений растворимости различных минералов и веществ в воде в стандартных условиях (при температуре 25°С и давлении 1 атм) содержатся в справочниках.
Состав и свойства растворителя также влияют на растворимость грунтов. Растворяющая способность большинства растворителей возрастает с увеличением их диэлектрической проницаемости. По этой причине связанная вода, имеющая более низкую диэлектрическую проницаемость, чем свободная (см. гл.4), хуже растворяет минеральные соединения. Известно также, что неполярные вещества лучше взаиморастворимы (так же как и полярные). Напротив, растворение неполярных веществ в полярных растворителях затруднено.
На растворимость также влияет наличие и состав растворенных газов в поровом растворе грунтов. Растворимость С02 в воде выше, чем таких широко распространенных газов, как кислород, азот, метан и др. Поэтому наличие в воде углекислоты резко повышает растворимость в ней многих карбонатных минералов, которые в обычной воде (без С02) являются труднорастворимыми. Растворенные в воде газы обусловливают ее химическую агрессивность (см. гл.4).
Растворимость минералов существенно зависит от термодинамических параметров среды: температуры (7) и давления (Р). Температурная зависимость растворимости твердых тел в жидкости описывается уравнением Шредера:
In = ЛН (Т—Т )/RTT,
пл v пл'' JUT'
где АЯт — теплота плавления (в кал/моль); Тш — температура плавления; Т— температура; R — газовая постоянная. Из уравнения следует, что растворимость минералов увеличивается с ростом температуры; при данной температуре минерал с более высокой температурой плавления менее растворим в воде по сравнению с минералом, имеющим более низкую температуру плавления; из двух минералов, растворяемых в воде при данной температуре и имеющих равные температуры плавления, менее растворим будет тот, теплота плавления которого будет выше.
Это уравнение соблюдается лишь для идеальной растворимости (рис. 10.3). Для реальных же растворов наблюдаются разные варианты отклонений от уравнения Шредера: при небольших отклонениях (рис. 10.3, кривая I) зависимость может рассматриваться как идеальная растворимость; при больших отклонениях (кривая II) растворимость приближается к идеальной лишь при температурах, близких к температуре плавления; при весьма больших отклонениях (кривая III) растворимость тел даже вблизи точки плавления сильно отличается от идеальной.
Увеличение внешнего давления повышает растворимость большинства минеральных соединений (см. рис. 10.4). В идеальных растворах твердых тел в
жидкостях растворимость с увеличением давления будет уменьшаться, если мольные объемы растворяемого вещества при его плавлении увеличиваются, и наоборот, растворимость будет увеличиваться, если мольные объемы растворяемого вещества при его плавлении уменьшаются.
В реальных растворах минералов в жидкостях влияние внешнего давления может быть оценено с учетом положительного или отрицательного отклонения от идеальности: при положительном отклонении с ростом давления растворимость уменьшается, а при отрицательном — увеличивается. Так, растворимость гипса, характеризующаяся отрицательным отклонением от идеальности, при постоянной температуре увеличивается с ростом давления (рис. 10.4).
Таким образом, в общем случае растворимость различных минералов может как расти, так и уменьшаться с ростом давления, как показано на рис. 10.5. Здесь растворимость, отложенная по оси ординат, оценивается относительной величиной r2/r' v показывающей отношение растворимости вещества при данном давлении (г2) к растворимости при атмосферном давлении (г2).
Учет термодинамических факторов растворимости минералов важен для оценки химического состава поровых растворов, формирующихся на больших глубинах, а также при оценке различных техногенных воздействий на грунты.