Badania fazy ciek³ej dwufazowych modelowych i³ów na granicy plastycznoœci
Andrzej Olchawa
1, Aleksandra Gor¹czko
2, Dorota Zió³kowska
3Investigations 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
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
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
I³ 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