На территории Пермского края находится крупнейшее месторождение калийно-магниевых солей. Технология его разработки предполагает складирование на земной поверхности соляных отходов в виде солевых отвалов и шламохранилищ.
В результате воздействия на солевые отвалы ветра и дождевых вод происходит засоление грунтов, поверхностных и подземных вод, прилегающих к отвалам территорий. Процесс засоления усугубляется фильтрацией из шламохранилищ флотационных отходов. Площадь техногенной нагрузки на геологическую среду составляет сотни квадратных километров, что приводит к негативным последствиям как для природной среды, так и для человека [4, 5, 6]. В зоне влияния калийного производства находится значительное количество действующих производственно-бытовых объектов. Кроме того, планируется возводить новые производственные сооружения. Для рационального размещения зданий следует производить районирование территории [7, 8, 9, 10].
Опыт показывает, что устойчивость сооружений, в основании которых находятся засоленные грунты, в ряде случаев не отвечает требованиям действующих нормативных документов. Это обусловлено тем, что при попадании солей в грунты происходит изменение их физико-механических свойств. Поэтому несущая способность фундаментов, которые рассчитывались по данным незасоленных грунтов, значительно отличается от несущей способности для засоленных грунтов. Условное расчетное сопротивление засоленного грунта может снижаться в 1,4–1,8 раза при выщелачивании. При этих же условиях дополнительная осадка фундамента может увеличиваться в 1,2–1,5 раза. Исследованием формирования деформационных свойств засоленных грунтов занимались М.Ю. Абелев, А.А. Глазь, Р.С. Зиангиров; прочностных свойств – В.М. Безрук, Л.Н. Ломизе, С.Б. Ухов, А.Б. Лолаев, Б. Рахманов и др. В своих работах они отмечают, что механические свойства грунтов во многом определяются размером их структурных элементов. При засолении грунтов происходит коагуляция частиц. При этом каждый электролит обладает своим порогом коагуляции. В работе В.В. Охотина приведены значения порогов коагуляции отдельных катионов по отношению к глинистым частицам. Однако вопросы коагуляции засоленных гидрослюдистых глин изучены слабо.
Целью работы является изучение закономерностей коагуляции глин при засолении.
Материалы и методы исследования
Методика работ:
– подготовка глины для определения гранулометрического состава по стандартной методике;
– определение плотности грунта и числа пластичности;
– определение минерального состава глинистых частиц рентгено-дифрактометрическим методом;
– определение скорости падения глинистых частиц в растворах солей разной концентрации при ареометрическом анализе;
– определение толщины диффузного слоя глинистой частицы в растворах солей MgCl2, CaCl2, KCl и NaCl.
В качестве критерия оценки коагуляции глинистых частиц принят показатель скорости их падения, поэтому более подробно остановимся на методике его определения.
Скорость падения глинистых частиц определялась по формуле:
(1)
где HR – путь падения частиц, см; t – время падения частиц, с. Время отсчета от начала анализа, т.е. от момента, когда зафиксировано полное уничтожение осадка на дне цилиндра и прекращено взбалтывание суспензии, устанавливалось по ареометру.
Величины HR и t измеряются непосредственно по формуле
(2)
где HR – путь падения частиц от поверхности суспензии до центра водоизмещения «луковицы» ареометра; N – число тысячных делений на шкале ареометра, N = 30; Rп – упрощенное показание ареометра с учетом поправок; l – длина шкалы ареометра от деления 1,030 до 1,000, см; а – расстояние от деления 1,030 до центра водоизмещения «луковицы», см; b вычисляется по формуле:
(3)
где V – объем «луковицы» ареометра, см3; F – площадь сечения цилиндра, см2.
Для проведения испытаний были выбраны четыре соли: хлорид натрия NaCl; хлорид калия KCl; хлорид кальция CaCl2; хлорид магния MgCl2. Опытным путем были подобраны концентрации для каждой соли. Так, для NaCl были выбраны следующие концентрации: 0,001–0,07 %; для KCl – 0,001–0,04 %; для CaCl2 – 0,001–0,01 %; для MgCl2 – 0,001–0,008 %. Также учтена поправка на наличие грунта.
Скорость падения глинистых частиц в растворах солей проводится аналогично определению скорости падения глинистых частиц в дистиллированной воде.
Результаты исследований и их обсуждение
Объектом исследования являются глины, отобранные в Пермском крае (1-я партия образцов) и в Челябинской области (2-я партия образцов). Гранулометрический состав грунтов представлен в табл. 1. Минеральный состав представлен в табл. 2. Дифрактограмма минерального состава глинистых частиц представленана, рис. 1. Физические свойства приведены в табл. 3. Результаты измерений скорости падения глинистых частиц в растворах солей различной концентрации приведены в табл. 4.
В табл. 5 приведены результаты расчетов диффузного слоя глинистой частицы (2-я партия образцов).
Таблица 1
Гранулометрический состав
|
Диаметр частиц, мм |
Содержание фракций, % |
|
|
1-я партия образцов |
2-я партия образцов |
|
|
1–0,5 0,5–0,25 0,25–0,1 0,1–0,05 0,05–0,01 0,01–0,005 0,005–0,001 < 0,001 |
0 3 9 17 25 16 17 13 |
0 0 1 3 5 10 15 66 |
Таблица 2
Минеральный состав глинистых частиц
|
Минерал |
Формула минерала |
Содержание в 1 г грунта, % |
|
|
1-я партия образцов |
2-я партия образцов |
||
|
Гидрослюда Монтмориллонит Кварц Хлорит Гетит Каолинит Кальцит КПШ |
(КН3О)Аl2(ОН)2*[(Si,Al)4O10]nH2O (Са,Na)(Mg,Al,Fe)2(OH)2*[(Si,Al)4O16]*nH2О SiO2 (Mg, Fe)6(Al,Fe)2Si4O10[OH]8 a-FeOOH Al4[Si4O10]* (ОН)8 СаСО3 |
67 3 20 6 4 – – – |
57 5 7 11 – 18 1 1 |
Таблица 3
Физические свойства глин
|
Показатель |
1-я партия образцов |
2-я партия образцов |
|
Плотность частиц, г/см3 |
2,67 |
2,78 |
|
Верхний предел, д.ед. |
0,383 |
0,778 |
|
Нижний предел, д.ед. |
0,194 |
0,321 |
|
Число пластичности, % |
18,9 |
46 |
Таблица 4
Результаты определения скорости падения глинистых частиц
|
Концентрация раствора, % |
Средняя скорость падения глинистых частиц диаметром < 0,001 мм в растворах солей, см/с |
|||||||
|
1-я партия образцов |
2-я партия образцов |
|||||||
|
NaCl |
KCl |
CaCl2 |
MgCl2 |
NaCl |
KCl |
CaCl2 |
MgCl2 |
|
|
0,001 |
0,0002 |
0,0002 |
0,0002 |
0,0002 |
0,00020 |
0,00020 |
0,00020 |
0,00020 |
|
0,005 |
0,0002 |
0,0002 |
0,0002 |
0,0003 |
0,00020 |
0,00020 |
0,00021 |
0,00022 |
|
0,006 |
0,0002 |
0,0002 |
0,0002 |
0,0005 |
0,00020 |
0,00020 |
0,00021 |
0,00023 |
|
0,007 |
0,0002 |
0,0002 |
0,0002 |
0,0010 |
0,00020 |
0,00020 |
0,00022 |
0,00028 |
|
0,008 |
0,0002 |
0,0002 |
0,0002 |
0,0015 |
0,00020 |
0,00020 |
0,00023 |
0,00038 |
|
0,009 |
0,0002 |
0,0002 |
0,0002 |
– |
0,00020 |
0,00020 |
0,00027 |
– |
|
0,010 |
0,0002 |
0,0002 |
0,0016 |
– |
0,00020 |
0,00020 |
0,00038 |
– |
|
0,020 |
0,0002 |
0,0002 |
– |
– |
0,00020 |
0,00021 |
– |
– |
|
0,030 |
0,0002 |
0,0008 |
– |
– |
0,00020 |
0,00023 |
– |
– |
|
0,040 |
0,0002 |
0,0016 |
– |
– |
0,00021 |
0,00031 |
– |
– |
|
0,050 |
0,0002 |
– |
– |
– |
0,00023 |
– |
– |
– |
|
0,060 |
0,0005 |
– |
– |
– |
0,00025 |
– |
– |
– |
|
0,070 |
0,0008 |
– |
– |
– |
0,00031 |
– |
– |
– |
Рис. 1. Ареометрический анализ, замер через сутки после взбалтывания (в 1-м слева цилиндре дистиллированная вода, во 2-м – раствор NaCl, в 3-м – раствор KCl, в 4-м – раствор MgCl2, в 5-м –раствор CaCl2)
Анализ результатов исследований гранулометрического состава грунтов (табл. 1) показал, что грунты, представляющие 1-ю партию образцов, на 30 % сложены глинистыми частицами, на 41 % пылеватыми и на 29 % песчаными частицами, в то время как 2-я партия образцов на 81 % представлена глинистыми частицами, на 15 % пылеватыми и на 4 % песчаными. Таким образом, в качестве объекта исследований имеем глину легкую пылеватую (1-я партия образцов) и тяжелую (2-я партия образцов) – практически чистую глину.
Анализ минерального состава грунтов показал, что гидрослюда является преобладающим глинистым минералом (57–67 %), монтмориллонит имеет подчиненное значение (3–5 %), а в образцах 2-й партии содержится 18 % каолинита. Таким образом, в 1-й партии содержится 70 %, а во 2-й партии 80 % глинистых минералов.
Анализ изменения скорости падения глинистых частиц в растворах солей различной концентрации показал, что при содержании в растворе солей MgCl2 более 0,006 %, CaCl2 более 0,010 %, KCl более 0,03 % и NaCl более 0,06 % скорость падения глинистых частиц резко возрастает (рис. 2).
Изменение (резкое) скорости падения глинистых частиц можно объяснить их коагуляцией, поэтому вышеприведенные концентрации солей можно взять за пороги коагуляции глинистых частиц (табл. 6).
Таблица 5
Результаты расчета толщины диффузного слоя глинистых частиц*
|
Показатель |
Na |
K |
Ca |
Mg |
|
Концентрация раствора, % |
0,06 |
0,03 |
0,008 |
0,006 |
|
Ионные радиусы, r, нм |
0,098 |
0,132 |
0,100 |
0,071 |
|
Количество коллоидов |
2,26*1012 |
|||
|
Количество катионов в растворе |
4,10*1021 |
1,61*1021 |
3,15*1020 |
2,16*1020 |
|
Количество катионов на 1 коллоид |
1,81*109 |
7,12*108 |
1,39*108 |
9,56*107 |
|
Площадь поверхности 1 коллоида, м2** |
3,14*10-12 |
|||
|
Площадь сечения катиона, м2 |
3,02*10-20 |
5,47*10-20 |
3,14*10–20 |
1,58*10–20 |
|
Суммарная площадь катионов, м2 |
5,47*10-11 |
3,89*10-11 |
4,36*10–12 |
1,51*10–12 |
|
Отношение суммарной площади катионов к площади коллоида, % |
1742 |
1239 |
138 |
48 |
|
Площадь коллоида, не занятая катионами, % |
0 |
0 |
0 |
52 |
|
Количество слоев катионов |
18 |
13 |
2 |
1 |
|
Толщина диффузного слоя, нм |
3,53 |
3,33 |
0,40 |
0,14 |
Примечания:
*– расчет диффузного слоя произведен для глин из 2-й партии образцов;
**– диаметр глинистых частиц меньше 0,001 мм.
Рис. 2. График зависимости скорости падения глинистых частиц от концентрации соляных растворов, слева – для 1-й партии образцов гидрослюдистой глины, справа – для 2-й партии образцов гидрослюдистой глины
Таблица 6
Пороги коагуляции глинистых частиц
|
Раствор соли |
Концентрации растворов, соответствующие порогам коагуляции, % |
Толщина диффузного слоя, нм |
|
|
1-я партия образцов |
2-я партия образцов |
||
|
NaCl |
0,06 |
0,06 |
3,53 |
|
KCl |
0,03 |
0,03 |
3,33 |
|
CaCl2 |
0,010 |
0,008 |
0,40 |
|
MgCl2 |
0,005 |
0,006 |
0,14 |
Из табл. 6 видно, что пороги коагуляции возрастают в следующей последовательности: MgCl2, CaCl2, KCl и NaCl. Данную закономерность можно объяснить следующим образом: коагуляция частиц глин основана на энергии их взаимодействия между собой. Энергия же на поверхности глинистой частицы в свою очередь определяется толщиной диффузного слоя.
Сопоставляя значения толщины диффузного слоя и порогов коагуляции глинистых частиц, наблюдаем, что чем больше толщина диффузного слоя, тем выше порог коагуляции глинистой частицы (табл. 6).
Рецензенты:Наумова О.Б., д.г.-м.н., зав. кафедрой поисков и разведки полезных ископаемых Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь;
Ибламинов Р.Г., д.г.-м.н., заведующий кафедрой минералогии и петрографии Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.
Работа поступила в редакцию 29.11.2013.