• Nie Znaleziono Wyników

Badania fazy ciekłej dwufazowych modelowych iłów na granicy plastyczności

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Badania fazy ciekłej dwufazowych modelowych iłów na granicy plastyczności"

Copied!
3
0
0

Pełen tekst

(1)

Badania fazy ciek³ej dwufazowych modelowych i³ów na granicy plastycznoœci

Andrzej Olchawa

1

, Aleksandra Gor¹czko

2

, Dorota Zió³kowska

3

Investigations of the quantity of water of the monomineralic clay-water system at the moisture equal to the plastic limit. Prz. Geol., 62: 654–656. A b s t r a c t. The paper presents investigations into the relationship between specific surface area of two monomineralic clays and their plastic limits. Two clays – sodium montmorillonite and calcium kaolinite were used to study. For montmorillonite, the quantity of interlayer water at plastic limit is approximately 30% of water content. The number of the layers of water mol-ecules on the external surface area ne = 13÷14. For kaolinite (i.e. non--swelling clay minerals which only contain water on external surface area), the number of layers of water molecules on the external surface area ne= 63.

Keywords: monomineralic clays, plastic limit, specific surface area, surface charge density

Granice Atterberga s¹ popularnymi parametrami dla gruntów drobnoziarnistych charakteryzuj¹cymi ich zacho-wanie wzglêdem fazy ciek³ej. Granic¹ p³ynnoœci nazywa siê wilgotnoœæ gruntu na granicy konsystencji p³ynnej i pla-stycznej, a granic¹ plastycznoœci – konsystencji plastycznej i zwartej. Granice Atterberga s¹ wskaŸnikami klasyfikacji gruntów, s³u¿¹cymi do oceny ich w³aœciwoœci fizycznych, a tak¿e parametrów geotechnicznych.

Wiêkszoœæ cech fizycznych i mechanicznych gruntów oraz w³aœciwoœci zwi¹zane z oddzia³ywaniem wody na grunt jest uzale¿niona od dwóch sk³adowych mikrostruktu-ry, tj. wielkoœæ powierzchni w³aœciwej i sk³ad kationów w naturalnym kompleksie wymiennym.

Zale¿noœæ pomiêdzy granic¹ p³ynnoœci a w³aœciwoœcia-mi w³aœciwoœcia-mikrostrukturalnyw³aœciwoœcia-mi jest stosunkowo dobrze rozpoznana i opisana w licznych publikacjach (Muhuntan, 1991; Dolinar & Trauner, 2004; Erzin & Erol, 2007; Olchawa & Gor¹czko, 2012). Badania dotycz¹ce zwi¹zku granicy plastycznoœci z w³aœciwoœciami mikrostrukturalnymi gruntów dotycz¹ g³ównie wp³ywu sk³adu kationów wymiennych (Stêpkow-ska-Paszyc, 1960; Abdullah i in., 1999). Wyniki tych badañ wykaza³y pomijalnie ma³y wp³yw sk³adu kationów na wiel-koœæ granicy plastycznoœci.

CEL I ZAKRES PRACY

Jak stwierdzono, badania dotycz¹ce zwi¹zku granicy plastycznoœci z w³aœciwoœciami mikrostrukturalnymi grun-tów s¹ nieliczne i fragmentaryczne. Z tych wzglêdów podjê-to próbê okreœlenia wp³ywu powierzchni w³aœciwej gruntu na wielkoœæ granicy plastycznoœci gruntów i³owych. Bada-nia przeprowadzono na dwóch monomineralnych i³ach, ograniczaj¹c tym samym zmienne parametry uk³adu dwufa-zowego woda-i³. Przedmiotem prezentowanego artyku³u jest przedstawienie wyników badañ wp³ywu powierzchni w³aœciwej modelowych monomineralnych i³ów na wielkoœæ granicy plastycznoœci.

MATERIA£ I METODY

Do badañ wybrano dwa monomineralne i³y – montmo-rillonit, uzyskany w wyniku grawitacyjnej sedymentacji

bentonitu z Wyoming (W.B.) oraz monomineralny i³ kaoli-nitowy – kaolin z Sedlec (K.S.).

Celem okreœlenia sk³adu mineralnego wykonano bada-nia dyfraktometryczne próbek orientowanych. Badabada-nia przeprowadzono aparatem Seifert z goniometrem URD-6, z lamp¹ Cu, z filtrem Ni (ryc.1).

Z badañ dyfraktometrycznych wynika, ¿e g³ównym sk³adnikiem i³u montmorillonitowego (W.B.) jest montmo-rillonit ze œladowymi iloœciami kwarcu i kaolinitu.

I³ kaolinitowy (K.S.) zawiera g³ównie kaolinit oraz nie-wielkie iloœci illitu i kwarcu, a tak¿e œladowe iloœci mont-morillonitu.

Kompleks sorpcyjny i³u montmorilonitowego wysyco-ny jest g³ównie kationem Na1+pozosta³e kationy w

natural-654

Przegl¹d Geologiczny, vol. 62, nr 10/2, 2014

A. Olchawa A. Gor¹czko D. Zió³kowska

1

Pañstwowa Wy¿sza Szko³a Zawodowaw Elbl¹gu, ul. Wojska Polskiego 1, 82-300 Elbl¹g; andyolchawa@wp.pl.

2

Wydzia³ Budownictwa, Architektury i In¿ynierii Œrodowiska, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. J. J. Œniadeckich, ul. Prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz; aleksandra.goraczko@utp.edu.pl.

3

Wydzia³ Technologii i In¿ynierii Chemicznej, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. J. J. Œniadeckich, ul. Seminaryjna 3, 85-326 Bydgoszcz; dorota.ziolkowska@utp.edu.pl.

Ryc. 1. Dyfraktogramy badanych i³ów monomineralnych Fig. 1. X -Ray diffraction patterns of oriented monomineralic clay

(2)

nym kompleksie wymiennym to Ca2+i œladowe iloœci Mg2+ i K1+(Jefferson & Rogers, 1998).

W kompleksie sorpcyjnym kaolinu 75% pojemnoœci wymiany kationowej stanowi wymienny wapñ Ca2+, pozo-sta³e kationy to Na1+, Mg2+i K1+(Olchawa, 1990).

Zewnêtrzn¹ powierzchniê w³aœciw¹ i³ów Se wyznaczo-no na podstawie sorpcji pary wodnej w warunkach wzglêd-nej prê¿noœci pary p/po= 0,5 w temperaturze 293 K, po przeprowadzeniu uprzedniej wymiany kationów z natural-nego kompleksu wymiennatural-nego na kation K+ (Olchawa, 1994). Po takim zabiegu przestrzeñ miêdzypakietowa jest niedostêpna dla moleku³ wody, a sorpcja wody mo¿e mieæ miejsce jedynie na zewnêtrznej powierzchni.

Zewnêtrzn¹ powierzchniê w³aœciw¹ obliczono z nastê-puj¹cego wzoru: Se WS n = × × ( , )0 5 f r (1) gdzie :

WS(0,5) – wilgotnoœæ sorpcyjna i³u w warunkach wzglêdnej

prê¿noœci pary p/p0= 0,5 w temp. 293 K;

n = 1,9 – liczba warstw moleku³ wody na zewnêtrznej

powierzchni cz¹stki i³u w warunkach wzglêdnej prê¿noœci pary p/p0= 0,5 w temp. 293 K (Martin, 1959; Laird, 1999);

f = 2,76·10–10

m – œrednica moleku³y wody; r = 1,27 Mg·m–3

– gêstoœæ wody sorbowanej z fazy gazowej (Martin,1959).

Badania granicy plastycznoœci przeprowadzono zgod-nie z CEN-ISO. Wykonano seriê badañ granicy plastycz-noœci i³ów – wP, o liczbie powtórzeñ wynosi³a N = 12 . Do

dalszych analiz przyjêto œredni¹ arytmetyczn¹ wartoœæ, z N oznaczeñ wartoœci wPi, tzn.: w w N P Pi = S

W dalszej kolejnoœci przygotowano próbki i³ów, o wil-gotnoœci równej granicy plastycznoœci. Celem wyrównania wilgotnoœci, próbki umieszczono w szczelnie zamkniêtych workach foliowych na czas jednej doby. Po tym czasie wy-konano badania dyfraktometryczne i³u montmorillonitowe-go do wyznaczenia odleg³oœci miêdzyp³aszczyznowej d(001).

Na podstawie znanej odleg³oœci miêdzyp³aszczyzno-wej obliczono œredni¹ gruboœæ warstwy wody w przestrze-niach miêdzypakietowych :

Dd(001)= d(001)– 0,954 nm (2)

Œredni¹ liczb¹ warstw moleku³ wody w przestrzeniach miêdzypakietowych obliczono, dziel¹c gruboœæ warstwy wody w przestrzeniach miêdzypakietowych przez œrednicê moleku³y wody (0,276 nm):

ni =Dd( )

, 001

0 276 (3)

Przyjmuj¹c, ¿e stosunek powierzchni ca³kowitej – Stdo

zewnêtrznej Se, mierzony sorpcj¹ lub desorpcj¹ wody, wynosi 5±0,5 (Olchawa, 1994), wewnêtrzna powierzchnia montmorillonitu wynosi Si= (4¸5) Se

Masê wody w przestrzeniach miêdzypakietowych w jednym gramie i³u obliczono wg wzoru:

wi =0 5, × × × ×Si ni f r (4)

gdzie:

Si– wewnêtrzna powierzchnia i³u [m 2

/g],

ni– liczba warstw moleku³ wody w przestrzeniach miêdzy-pakietowych,

f – œrednica moleku³y wody, przyjêto 2,76×10–10 m, r – gêstoœæ wody, przyjêto 106

g/m3.

Œredni¹ liczbê warstw moleku³ wody na zewnêtrznej powierzchni cz¹stek i³u montmorillonitowego obliczono wg wzoru: n w w S e P i e = -× -× × -f r 10 2 (5) gdzie:

wP– granica plastycznoœci w procentach.

Œredni¹ liczbê warstw moleku³ wody na zewnêtrznej powierzchni cz¹stek i³u kaolinitowego obliczono wg wzoru:

n w w S e P i e = -× -× × -f r 10 2 (6) WYNIKI BADAÑ

Na rycinie 2 przedstawiono dyfraktogram i³u montmo-rillonitowego o wilgotnoœci równej granicy plastycznoœci. Oznaczona w badaniu odleg³oœæ miêdzyp³aszczyznowa

d(001)= 1,69 nm, st¹d œrednia liczba warstw moleku³ wody w przestrzeniach miêdzypakietowych wynosi 2,7.

Obliczona œrednia liczba warstw moleku³ wody na ze-wnêtrznej powierzchni cz¹stki montmorillonitu, w zale¿-noœci od przyjêtego stosunku powierzchni ca³kowitej do powierzchni zewnêtrznej, wynosi 14,2 i 13,1 (ryc. 3), a sto-sunek masy wody na powierzchni zewnêtrznej do masy wody w przestrzeniach miêdzypakietowych wynosi 1,9 lub 2,7. Liczba warstw moleku³ wody na zewnêtrznej powierz-chni jest bliska oszacowanej przez Dolinar i Traunera (2004).

Œrednia liczba warstw moleku³ wody na zewnêtrznej powierzchni kaolinitu wynosi 63,1. Obliczenia rozk³adu mas wody w dwufazowym uk³adzie woda-i³, o wilgotnoœci równej granicy plastycznoœci, zestawiono w tabeli 1.

Stosunek masy wody na zewnêtrznej powierzchni cz¹st-ki kaolinitu do masy wody na na powierzchni montmorillo-nitu wynosi oko³o 4,7, co ma prawdopodobnie zwi¹zek z wiêksza gêstoœci¹ elektrostatycznego ³adunku powierzch-niowego kaolinitu w stosunku do montmorillonitu, który wynosi oko³o 2,7 (Shang i in., 1994)

Jeœli teoretyczna powierzchnia montmorillonitu równa jest 800 m2/g i cz¹stka sk³ada siê z szeœciu pakietów warstw (Meunier, 2005), wówczas zewnêtrzna

powierzch-655

Przegl¹d Geologiczny, vol. 62, nr 10/2, 2014

Ryc. 2. Dyfraktogram i³u montmorillonitowgo (W.B.) o wilgot-noœci równej granicy plastyczwilgot-noœci

Fig. 2. X-Ray diffraction pattern of montmorillonite clay sample at the water content equal to the plastic limit

(3)

nia w³aœciwa takiej cz¹stki wynosi Se = 133,3 m2/g. Zak³adaj¹c poprawnoœæ przyjêtych wy¿ej za³o¿eñ, mo¿na oszacowaæ, ¿e granica plastycznoœci montmorillonitu nie mo¿e byæ wiêksza od 73%.

WNIOSKI

W artykule przedstawiono wyniki analizy wp³ywu po-wierzchni w³aœciwej modelowych monomineralnych i³ów na wielkoœæ granicy plastycznoœci. Badania przeprowadzono dla montmorillonitu, uzyskanego w wyniku grawitacyjnej sedymentacji bentonitu z Wyoming oraz kaolinu z Sedlec.

Uzyskane rezultaty upowa¿niaj¹ do nastêpuj¹cych wniosków:

1. Dwie sk³adowe mikrostruktury, tj. powierzchnia w³aœciwa i gêstoœæ elektrostatycznego ³adunku powierzch-niowego cz¹stek minera³ów ilastych determinuj¹ wartoœæ granicy plastycznoœci;

2. Dla wilgotnoœci równej granicy plastycznoœci, œred-nia liczba warstw moleku³ wody na zewnêtrznej powierz-chni montmorillonitu wynosi oko³o 13¸14;

3. Stosunek masy wody na powierzchni zewnêtrznej cz¹stki montmorillonitu do masy wody w przestrzeniach miêdzypakietowych, w zale¿noœci od za³o¿onego stosunku powierzchni zewnêtrznej do ca³kowitej, wynosi 1,9–2,7.

4. Liczba warstw moleku³ wody na zewnêtrznej po-wierzchni kaolinitu wynosi 63, co mo¿e mieæ zwi¹zek z wiêksz¹ gêstoœci¹ ³adunku powierzchniowego w porów-naniu z montmorillonitem;

5. Teoretyczna, maksymalna wartoœæ granicy plastycznoœ-ci i³u montmorillonitowego nie mo¿e byæ wiêksza od 73%;

6. Przedstawione wyniki mog¹ stanowiæ podstawê dal-szych badañ dla potrzeb geologii in¿ynierskiej, uwzglêd-niaj¹cych w³aœciwoœci mikrostruktury gruntów.

LITERATURA

ABDULLAH W.S., ALSHIBLI K.A. & Al-Zou'bi. 1999 – Influence of pore water chemistry on the swelling behavior of compacted clays. Applied Clay Science, 15: 447–462.

DOLINAR B. & TRAUNER L. 2004 – Liquid limit and specific surfa-ce of clay particles. Geotech. Testing J., 27: 580–584.

ERZIN Y. & EROL O. 2007 – Swell pressure prediction by suction methods. Engineering Geol., 92: 133–145.

JEFFERSON I. & ROGERS CH.D.F. 1998 – Liquid limit temperature sensitivity of clay. Engineering Geol., 49: 95–109.

LAIRD D.A. 1999 – Layer charge influences on the hydratation of expan-dable 2:1 phyllosilicates. Clays and Clay Minerals, 47 (5): 630–636. MARTIN R.T. 1959 – Water vapour sorption on kaolinite; hystrieses. Clay and Clay Minerals, 5 (6).

MEUNIER A. 2005 – Clays. Springer Berlin Heidelberg New York. MUHUNTAN B. 1991 – Liquid limit and surface area of clays. Geo-technique, 41 (1): 135–138.

OLCHAWA A. 1990 – Mikrostrukturalne zachowanie siê uk³adu woda-i³ w procesie konsolidacji jednoosiowej. Praca Doktorska. Poli-technika Œwiêtokrzyska. Kielce.

OLCHAWA A. 1994 – Okreœlenie powierzchni w³aœciwej i³ów na pod-stawie wilgotnoœci desorpcyjnej. Wiadomoœci IMUZ., 18 (1): 107–118. OLCHAWA A. & GOR¥CZKO A. 2012 – The relationship between the liquid limit of clayey soils, external specific surface area and the composi-tion of exchangeable cacomposi-tions. J. Water and Land Development, 17: 84–88. SHANG J.Q., LO. K.Y. & QUIGLEY R.M. 1994 – Quantitative deter-mination of potential distribution in Stern-Gouy double model. Canad. Geotech. J., 31: 624–636.

STÊPKOWSKA-PASZYC E. 1960 – Wp³yw rodzaju kationu wymien-nego na w³asnoœci fizyko-mechaniczne bentonitu. Archiwum Hydro-techniki, 7 (2): 143–213.

656

Przegl¹d Geologiczny, vol. 62, nr 10/2, 2014

Ryc. 3. Schemat liczby warstw wody w przestrzeniach miêdzypakietowych i na zewnêtrznej powierzchni cz¹stek montmorillonitu (A) i kaolinitu (B) dla wilgotnoœci równej granicy plastycznoœci

Fig. 3. Schematic presentation of the number of layers of water molecules on the external surface area of montmorillonite (A) and kaoli-nite (B) and the distribution the ones in the interlayer space of montmorillokaoli-nite

Tab. 1. Wyniki obliczeñ rozk³adu warstw moleku³ wody w uk³adach woda-i³, o wilgotnoœci równej granicy plastycznoœci Table 1. Calculated the number of layers of water molecules of clay-water system at the water content equal to the plastic limit

Clay WP Se S*i= 4Se S**i= 5Se d(001) D d(001) ni wi* wi** wp–wi ne* ne** [%] [m2×g–1] [nm] [nm] [1] [%] [%] [%] [1] [1] B.W. 68,9 127,5 510,0 637,5 1,69 0,736 2,7 18,9 23,4 50,2*; 45,5** 14,2 13,1 K.S. 34,0 19,8 79,2 – 0,73 0,000 0,0 0,0 0,0 34,0 63,1

Se– zewnêtrzna powierzchnia w³aœciwa; Si– wewnêtrzna powierzchnia w³aœciwa; wi* = 0,5 [4Se] nf r; wi** = 0,5 [5Se] nf r; n*, n** – obliczona

licz-ba warstw na zewnêtrznej powierzchni cz¹stki ilastej odpowiednia dla wi*, wi**

Se– external specific surface area; Si– internal specific surface area; wi* = 0,5 [4Se] nf r; wi** = 0,5 [5Se] nf r; n*, n** – calculated number of water

Cytaty

Powiązane dokumenty

Dla stałego składu kationów w naturalnych kompleksach wymiennych zarówno gruntów naturalnych, jak i gruntów modelowych, granica płynności (w L ) wzrasta wraz ze zwięk- szaniem

Zależność (2) można zatem stosować do wyznaczania wysokości wzniesienia położonego w dowolnym miejscu tarczy, lecz tylko wtedy, gdy Księżyc jest bliski pierwszej lub

n Jeżeli figura ma środek symetrii to jest on

Ciśnienie hydrostatyczne nie zależy zatem od kształtu naczynia, jego objętości czy całkowitego ciężaru cieczy, a jedynie od wysokości słupa cieczy.. Klocek zatrzymał się w

c) ciśnienie parcjalne pary wodnej w powietrzu wynosi 25 mmHg entalpia tego powietrza jest zaś równa 30 kcal/kg powietrza suchego,.

Zdjęcia takie pozwalają również na określenie położenia punktów zlokalizowanych na powierzchni malowidła opisujących powierzchnię sklepienia dla utworzenia jego

Pojawienie się dwóch maksimów Gd 4f po drugim osadzeniu Gd wskazuje na istnienie dwu stanów gadolinu: pierwszy (przy mniejszej energii wiązania), który związany jest z

Definicja 20 Niech V będzie n-wymiarową przestrzenią wektorową nad ciałem liczb rzeczy- wistych.. zrozumiemy, że przestrzeń wszystkich form dwuliniowych jest sumą