Размещено на http://www.allbest.ru/

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ ПОРОД

2. МИКРОСТРУКТУРА ГЛИНИСТЫХ ПОРОД

ВВЕДЕНИЕ

Люди повсеместно сталкиваются с очень распространенными и всем хорошо известными породами - глинами. Мы знаем, что эти породы, в сухую погоду твердые как камень, после дождя часто превращаются в пластичную красновато-бурую грязь, сильно затрудняющую передвижение, а после отжига в печи глинистая масса преобразуется в прочный кирпич или керамику.

Вследствие чрезвычайно широкого распространения на земной поверхности (по данным Л.Б. Рухина, глинистые породы составляют не менее 60% от общего объема осадочных пород земной коры), глины на протяжении всей истории человечества постоянно были в центре внимания строителей. И это прежде всего из-за весьма специфических свойств таких пород - резкого падения прочности при увлажнении, разжижения при динамических воздействиях, набухания при обводнении и усадки при высушивании. Подобные свойства глинистых пород часто бывают причиной серьезных аварий инженерных сооружений: прорыва и разрушения дамб и плотин, деформации, а иногда и полного разрушения жилых зданий, ухода воды из каналов.

Большой интерес представляют такие свойства глинистых пород, как их высокая адсорбционная способность, позволяющая проводить эффективную очистку разнообразных веществ. Глинистые породы также являются природными минеральными барьерами против распространения различных загрязнений. В чем же причина уникальных свойств глинистых пород?

1. МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ ПОРОД

Использование традиционных геологических методов изучения горных пород, таких, как оптическая микроскопия, определение характерных констант минералов, составляющих породу (цвет, наличие спайности, твёрдость), и ряд других, для изучения глин, к сожалению, не дают хороших результатов. Если посмотреть на свежий излом глинистой породы через оптический микроскоп, то можно увидеть лишь сплошную бугристую поверхность, в которой различаются только отдельные относительно "крупные" структурные элементы, такие, как песчаные и пылеватые зерна, поры, трещинки с размерами более чем 0,005 мм. Все дело в том, что глинистые породы сложены частицами глинистых минералов, имеющих очень маленький размер, не превышающий 0,1 - 1,0 мкм (1 мкм = 0,001 мм). Столь мелкие частицы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Это связано с тем, что длина волны пучка света, используемого в таком микроскопе в качестве исследовательского зонда, обычно составляет 0,8 мкм, что соизмеримо, а иногда даже больше, чем размер исследуемой глинистой частицы. Поэтому довольно "длинные" световые волны могут и не заметить столь маленький объект.

Частицы глинистых минералов увидели лишь после создания просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Принцип работы ПЭМ аналогичен просвечивающему оптическому микроскопу, когда пучок электронов проходит через тонкие минеральные частицы. При этом электроны сильно рассеиваются и поглощаются веществом частиц, вследствие чего на экране конечного изображения, располагающемся под образцом, можно наблюдать теневое изображение микрообъекта.

Метод просвечивающей электронной микроскопии позволяет определять по форме глинистых частиц одну из главных характеристик глинистых пород - их минеральный состав и дает представление о размере частиц. Анализируя степень сохранности и правильность форм микрокристалликов глинистых частиц, исследователь может сделать вывод о генезисе (происхождении) глинистых пород и происходящих в них процессах. Таким образом, с помощью ПЭМ в начале 50-х годов ученые - кристаллографы и минералоги - смогли увидеть тончайшие частицы глинистых минералов. Глинистые минералы относятся к слоистым и слоисто-ленточным силикатам алюминия, железа и магния. В природных условиях они встречаются в виде чрезвычайно маленьких микрокристаллов с размером от сотых долей до нескольких микрометров. Основным диагностическим признаком этих минералов-невидимок является их специфическая анизометричная форма. В ПЭМ можно увидеть изометрично- или удлиненнопластинчатые частички гидрослюды, шестигранные пластинки каолинита, расплывчатые облакообразные микроагрегаты частиц монтмориллонита, частицы-трубочки галлуазита и частицы-иголочки палыгорскита.

Так, гидрослюда, каолинит и галлуазит являются прекрасным сырьем для изготовления высококлассной керамики. Их также используют как минеральные наполнители при изготовлении бумаги, резиновых и парфюмерных изделий. Каолинит - ценнейшее сырье при производстве фарфора. Монтмориллонит обладает прекрасными адсорбционными свойствами и широко применяется для очистки нефтепродуктов, вина, сукна и шерсти. Во многих странах монтмориллонит использовали как отличное моющее средство и как высокоэффективное лекарство при отравлениях, так как он быстро очищает организм от токсичных веществ. В настоящее время монтмориллонитовые глины часто используют как природные минеральные барьеры против распространения техногенных загрязнений и в качестве среды для захоронения радиоактивных отходов. Палыгорскит служит для приготовления устойчивых буровых растворов, применяемых при бурении глубоких скважин.

Замечательные свойства глинистых пород во многом определяются кристаллохимическими особенностями глинистых минералов и их высокой дисперсностью (то есть чрезвычайно малым размером частиц). Наиболее типичным примером особого кристаллохимического строения могут служить монтмориллонит и смешанослойные глинистые минералы, которые имеют раздвижную кристаллическую решетку. При гидратации этих минералов (при взаимодействии с водой) молекулы воды могут входить в промежутки между элементарными слоями кристаллической решетки и существенно раздвигать их. Глинистые минералы обладают высокой способностью к ионному обмену, то есть замене некоторых ионов на поверхности и в кристаллической решетке частиц на ионы, поступающие из раствора. Отмеченные особенности глинистых минералов, совместно с их высокой дисперсностью, а потому и чрезвычайно развитой поверхностью, обусловливают очень большую адсорбционную способность - способность активно поглощать из растворов различные вещества и химические элементы.

Важным также является то, что частицы глинистых минералов, находясь в воде, гидратируются (взаимодействуют с молекулами воды). При этом поверхность частиц обычно заряжается отрицательно и вокруг них притягиваются гидратированные противоионы. В результате этого процесса формируются так называемые двойные электрические слои (ДЭС). Иными словами, при взаимодействии с водой вокруг глинистых частиц образуются тонкие пленки воды, оказывающие колоссальное влияние на свойства глинистых пород.

Особое кристаллохимическое строение частиц глинистых минералов и их специфическое поведение при взаимодействии с водой в основном и определяют такие свойства глин, как пластичность, набухание при обводнении и усадка при высушивании, подвижность глинистых частиц в поле электрического тока (явление электрофореза) и возможность удаления порового раствора (осушение глины) при приложении постоянного электрического поля (явление электроосмоса). Оно объясняет многие катастрофические явления, такие, как оползни, сели, просадки и другие, связанные с аномальным прочностным и деформационным поведением глинистых пород (разжижение при динамических воздействиях, резкое падение прочности при увлажнении, выпирание глинистой породы под фундаментом при неравномерной нагрузке и др.).

2. МИКРОСТРУКТУРА ГЛИНИСТЫХ ПОРОД

геологический горный глинистый минерал

Наряду с минеральным составом, исследование которого с помощью ПЭМ описано выше, другим важным фактором, определяющим многие свойства глинистых пород, является их микроструктура. Под микроструктурой будем понимать размер и форму глинистых частиц и микроагрегатов (совокупностей частиц), их взаимную ориентацию и тип структурных связей (то есть сил, действующих на контактах между твердыми структурными элементами). Микроструктура глинистых пород очень чувствительна к изменению условий накопления минерального осадка и его последующих геологических преобразований. С точки зрения одного из основоположников отечественной инженерной геологии И.В. Попова, микроструктура отражает влияние различных физико-химических факторов на процессы структурообразования. Таким образом, микроструктура является своеобразной "фотографией" тех условий, в которых сформировалась данная глинистая порода. В ней за счет специфического сочетания различных морфометрических (размер, форма, характер поверхности структурных элементов, их количественное соотношение), геометрических (пространственное расположение структурных элементов) и энергетических (структурные связи) признаков как бы заложена информация о прочности и деформационном поведении породы, о возможном характере изменения под действием тех или иных условий. Таким образом, решая обратную задачу и количественно определяя соответствующие микроструктурные параметры, можно не только предсказывать многие свойства глинистых пород, но и дать достоверный прогноз их изменения при различных воздействиях. Подобная информация чрезвычайно важна при изысканиях и строительстве различных инженерных сооружений, при решении многих природоохранных и экологических задач.

Изучение в РЭМ образцов глинистых пород позволило ученым рассмотреть тончайшие детали строения с размерами менее 1 мкм. Исследователи увидели многие особенности микроструктуры, которые до этого были неизвестны. Было установлено, что среди большого многообразия глинистых пород можно выделить пять основных типов микроструктур - ячеистую, скелетную, матричную, турбулентную и ламинарную. При этом убедительно показано, что особенности микроструктуры глинистых пород тесно связаны со многими их свойствами. Рассмотрим подробнее эти микроструктуры.

В качестве примера породы с ячеистой микроструктурой возьмем образец современного морского глинистого осадка (глинистого ила), отобранного со дна Черного моря. Это типичная ячеистая микроструктура, образовавшаяся после коагуляции и осаждения частиц глинистых минералов в морской воде. Ее главной морфологической особенностью является присутствие изометричных открытых ячеек. Стенки ячеек сложены листообразными микроагрегатами глинистых частиц, контактирующих между собой по типу плоскость - торец и торец - торец через водные пленки. Такие контакты называются коагуляционными.

Породы с ячеистой микроструктурой отличаются высокой пористостью (до 80 %) и влажностью (до 300 %). Естественно, что глинистые осадки со столь рыхлой микроструктурой обладают очень низкой прочностью и высокой сжимаемостью даже под очень малыми нагрузками. Они проявляют способность разжижаться даже при незначительных вибрациях и толчках, а в состоянии покоя восстанавливать свою структуру. Такое специфическое поведение молодых глинистых осадков и слабо уплотненных глин целиком определяется присутствием в них обратимых коагуляционных контактов, что уже отмечалось выше. При строительстве инженерных сооружений на подобных породах необходимо помнить об их коварных свойствах и принимать соответствующие меры по защите или упрочнению слабых пород основания.

В том случае, если в водных бассейнах накапливаются не глинистые, а песчано-пылевато-глинистые частицы, возможно формирование скелетной микроструктуры. Глинистые породы с такой микроструктурой сложены в основном зернами первичных минералов, таких, как кварц, полевой шпат и другие, формирующих однородный "скелет". Глинистый материал распределен неравномерно и не создает сплошной матрицы. Глинистые частицы обычно скапливаются на поверхности зерен в виде сплошных "рубашек" или на контактах песчаных и пылеватых зерен. Здесь в центре отчетливо видна пылеватая кварцевая частица, покрытая глинистой рубашкой и контактирующая с другими частицами через тонкие цепочки глинистых частиц - глинистые мостики, которые по своей природе также являются коагуляционными контактами. Такая специфическая особенность скелетной микроструктуры служит причиной чрезвычайно низкой динамической устойчивости: в условиях полного водонасыщения, после воздействия даже довольно слабой вибрации, возможно разрушение глинистых мостиков, связывающих пылеватые зерна, и разжижение всей породы. В таких случаях говорят, что глинистая порода (обычно это суглинки и супеси) проявляет плывунные свойства. Откосы, насыпи дорог, земляных плотин и дамб часто подвергаются подобным катастрофическим явлениям.

В ходе геологического развития, когда молодые глинистые осадки погружаются в более глубокие горизонты земной коры и уплотняются, происходят существенные изменения в микроструктуре глинистых пород. Так, например, морской ил с текуче-пластичной консистенцией трансформируется в более плотную пластичную глину с матричной микроструктурой. Она характеризуется присутствием сплошной неориентированной глинистой массы (матрицы), в которой содержатся беспорядочно расположенные пылеватые и песчаные зерна, не контактирующие между собой. Как правило, глинистые породы с матричной микроструктурой (например, ледниковые отложения - плотные моренные суглинки), имеют достаточную прочность и не вызывают каких-либо проблем у строителей.

Если глинистые породы попадают на большие глубины, где подвергаются воздействию высокого уплотняющего давления и температуры, то начинается интенсивная перестройка микроструктуры, заключающаяся прежде всего в переориентации глинистых частиц в направлении, перпендикулярном прикладываемой нагрузке. Как правило, в результате этого процесса частицы и микроагрегаты в породе уплощаются, существенно сближаются друг с другом и приобретают высокую степень ориентации. Выделяют два вида таких высокоориентированных микроструктур - турбулентная и ламинарная. Свое название эти микроструктуры получили из-за удивительного сходства расположения листообразных микроагрегатов глинистых частиц с картиной течения жидкости в турбулентном (с завихрениями) и ламинарном (прямолинейном) потоках. Как правило, глинистые породы с такой микроструктурой очень плотные и прочные.

Пористость таких пород обычно не превышает 20%, а их прочность может составлять сотни и даже тысячи килограммов на 1 см2. Столь высокая прочность у пород с турбулентной и ламинарной микроструктурами обусловлена присутствием в них очень прочных фазовых контактов кристаллизационной или цементационной природы. Иными словами, находясь в условиях высоких давлений и температур, а также подвергаясь воздействию различных химических растворов, отдельные минеральные частицы как бы свариваются друг с другом по контактирующим внешним поверхностям или цементируются различными химическими веществами (карбонатами, железом и т.д.). Прочность таких пород становится соизмеримой с прочностью самих минералов. Казалось бы, такие породы являются наилучшим основанием для строительства - прочным и несжимаемым. Однако это не совсем так. Во-первых, присутствие высокой ориентации частиц по напластованию часто приводит к расслаиванию породы, в результате чего в сильно уплотненных глинах, аргиллитах, глинистых сланцах существует большая анизотропия свойств, то есть прочность перпендикулярно микрослоям может быть во много раз выше, чем вдоль слоев. Безусловно, это надо знать строителям и учитывать в расчетах анизотропию прочности. Ведь в случае наклонного залегания таких пород в основании какого-нибудь тяжелого сооружения, например высотной арочной плотины, перегораживающей в горах узкое и глубокое ущелье, возникающие тангенциальные (боковые) напряжения могут оказаться во много раз большими, чем прочность вдоль микрослоистости. В этом случае может произойти разрушение основания плотины, что повлечет за собой страшную катастрофу. Во-вторых, несмотря на высокую прочность и твердость в сухом состоянии, высокоуплотненные глины, аргиллиты и сланцы при длительном взаимодействии с водой могут существенно терять свою прочность в связи с возникновением эффекта расклинивающего действия воды (эффект Ребиндера).

Суть этого явления заключается в том, что молекулы воды, проникая в узкие зазоры и щели, а именно такую форму имеют промежутки (микропоры и микротрещины) между параллельно ориентированными глинистыми частицами и микроагрегатами, интенсивно раздвигают стенки (то есть частицы), в результате чего химические связи (фазовые контакты) существенно ослабляются. Например, глинистые сланцы могут многократно терять свою прочность от нескольких тысяч до нескольких сотен килограммов на 1 см2. Этот процесс усугубляется, если вода имеет повышенную агрессивность (например, повышенную кислотность) и при ее фильтрации через породу происходит растворение и размягчение связей, увеличение пористости и интенсивный вынос вещества породы. Если не учитывать подобные особенности таких, казалось бы, прочных и вечных пород, это может привести к тяжелейшим последствиям. История строительства содержит множество описаний тяжелых аварий плотин.

Из сказанного можно сделать вывод, что знание и учет особенностей минерального состава и микроструктуры глинистых пород, а также понимание сложных природных процессов, влияющих на свойства глин, являются непременным условием при проектировании инженерных сооружений, возводимых на этих специфических породах. Необходимо помнить, что неверная оценка этих особенностей может привести к непредсказуемому поведению глинистых пород и вызвать катастрофические последствия.

Размещено на Allbest.ru