Część III

12.12.2011

RELACJA:

STRUKTURA – SKŁAD

MINERALNY MINERAŁY ILASTE

Minerały ilaste występują w
skałach aleurytowych,
pelitowych i mieszanych, we
frakcjach <0,06mm

Oprócz minerałów ilastych
współwystępują z nimi inne
minerały o mniejszym znaczeniu
(patrz wykres z poprzedniego
wykładu)

Właściwości minerałów ilastych

zależą od ich składu chemicznego
i budowy krystalicznej minerału.

Minerały ilaste dzielą się na trzy

zasadnicze podgrupy:

KAOLINITU,
MONTMORILLONITU I
ILLITU.

Zawartość i rodzaj minerału
ilastego decyduje o cechach skały.

Podstawowe właściwości skał spoistych jak:

wilgotność
plastyczność
gęstość objętościowa
ściśliwość
pęcznienie

zależą nie tylko od procentowej
zawartości frakcji iłowej, lecz
przede wszystkim od rodzaju
minerału ilastego w tej frakcji

Warstwy składają się

z czworościanów
krzemowo-tlenowych
i ośmiościanów
wodorotlenowo –
glinowo – magnezowych

Minerały ilaste są krzemianami warstwowymi

O O O O O

OH

OH

OH

czworościa

n

ośmiościa

n

Minerały z podgrupy

kaolinitu są zbudowane z

jednej warstwy

czworościanów tlenowo –

krzemowych

i jednej warstwy

ośmiościanów

wodorotlenowo – glinowo –

magnezowych

.

Symboliczny

schemat budowy

kaolinitu:

Budowa elementarnych kryształów umożliwia

działanie między nimi sił elektrostatycznych

i sił van der Waalsa

z czego wynika:

Mała

wilgotność

Niewielkie

pęcznienie

Mała

ściśliwość

Montmorillonit

jest zbudowany

z dwóch warstw

czworościanów

przedzielonych

jedną warstwą

ośmiościanów

Symboliczny schemat budowy

montmorillonitu

n H

2

O

Budowa elementarnych

kryształów

powoduje:

Duże

pęcznienie

Wysoką

ściśliwość

Dużą

wilgotność

illit

jest zbudowany

z dwóch warstw

czworościanów

przedzielonych

jedną warstwą ośmiościanów

Illit różni się od

montmorillonitu składem

chemicznym

W warstwie czworościanów

co czwarty atom Si

4+,

jest

zamieniony AL

3+.

Deficyt ładunku dodatniego

jest rekompensowany przez

jednowartościowe atomy

np. K

+

lub Na

+,

które

wchodzą w przestrzenie

pomiędzy kryształami

Jednowartościowe kationy

oddziaływują na

sąsiadujące kryształy

„ściągając” je ku sobie

(K) (K)

:

Taka budowa illitu wpływa na cechy:

Średnia wilgotność

Niewielkie pęcznienie

Średnia ściśliwość

Znacząca

spójność kryształów

Minerał Powierzchnia
właściwa [m

2

/g]

Kaolinit 10 ÷ 20
Illit 80 ÷ 100
Montmorillonit 800

długość [μm]

grubość[μm

]

Kaolinit 0,3 ÷ 3,0 0,03 ÷
1,0
Illit 0,1 ÷ 2,0 0,01 ÷
0,2
Montmorillonit 0,1 ÷ 1,0 0,001
÷ 0,01

zależność pęcznienia P od zawartości
minerałów ilastych

Na następnej stronie:

potencjał pęcznienia

Potencjał pęcznienia wyraża

procent wzrostu objętości

próbki bez możliwości jej

odkształceń na boki w

warunkach nasycenia wodą

poddanej ciśnieniu 7 kPa

(

strona następna

)

Substancja organiczna pochodzenia
roślinnego
* w gruntach spoistych wpływa na:
hydrofilność – wodochłonność, wzrost
wilgotności i plastyczności, powoduje
ściśliwość,
* w gruntach ziarnistych obniża
wodoprzepuszczalność

Ponadto:
* humus jest podatny na
wietrzenie chemiczne,
* bierze udział w wielu reakcjach
fizykochemicznych.
* przyspiesza wietrzenie skał:
rozkład węglanów, krzemianów i
innych minerałów z
jednoczesnym tworzeniem
licznych związków humusowych,

Woda w gruntach

Niespękane –

Nieprzepuszczalne

Skały masywne

Spękane lub słabo spojone-

przepuszczalne

Woda może być

wolna lub związana

Skały luźne

spoiste

niespoiste

Nieprzepuszczalne

Woda związana

Przepuszczalne

Woda wolna

Głębokość występowania
zwierciadła wody gruntowej
zależy od budowy geologicznej.
Od budowy geologicznej zależy
też przepływ wody gruntowej w
warstwach
i transport zanieczyszczeń wraz z
wodą.

Podłoże poniżej
powierzchni terenu można
podzielić na dwie strefy:

1.strefa przypowierzchniowa,

w której zachodzi
przesączanie się wody
opadowej wraz z
zanieczyszczeniami,
ługowanie, wymywanie, i
okresowe przesuszanie.

2.strefa podwodna

(nawodnienia - inaczej
saturacji), w której zachodzi
transportowanie
rozpuszczonych składników
zgodnie z kierunkiem
przepływu.

Wody w przyrodzie

- podział ogólny:

• atmosferyczne
• powierzchniowe – zbiorniki

wodne (oceany, morza, jeziora,
rzeki)

• podziemne – w skałach

Strefa

Typy wód

Stan

fizyczny

Rodzaje

aeracji

Higroskopijne
Błonkowate
kapilarne

związan

e

Wsiąkowe
Zawieszone

wolne

satura

cji

Przypowierzchnio

we
Gruntowe
Wgłębne
Głębinowe

Warstwow

e
Szczelino

we
Krasowe

infiltracyjne - z opadów atmosferycznych

zależą od:

budowy geologicznej

morfologii terenu
szaty roślinnej
klimatu
zużycia przez ludzi

kondensacyjne zależą od klimatu
juwenilne pochodzą z procesów magmowych –
są zmineralizowane

reliktowe wyłączone z obiegu - resztki dawnych

mórz-pochodzą z dawnych epok geologicznych

woda

kapilarn

a

woda

wolna

woda związana

WODY

W

GRUNCI

E

powierzchnia

terenu

1- woda zawieszona – nad soczewką gruntu

nieprzepuszczalnego, 2 - woda gruntowa z

lustrem swobodnym 3 – grunt

nieprzepuszczalny

3

woda zawieszona, lustro wody podziemnej,

warstwa nieprzepuszczalna

a. strefa aeracji, b. strefa saturacji, c- woda kapilarna

d – warstwa nieprzepuszczalna – woda związana

d

b

C

a

kapilarnej

Woda związana

Dwa rodzaje wody

związanej

w gruncie:

silnie związana

słabo związana

woda silnie związana

składa się z trzech

warstw:

1. woda związana na narożach

i krawędziach siatki

krystalicznej

Woda ta

wydziela

się w

temp. 150

– 300

0

C

2. woda uwadniająca jony występujące w
przestrzeni między pakietowej na skutek
powstawania elektrosta-tycznych wiązań
miedzy nimi a cząsteczkami wody

Wodę tę można
wydzielić
w temp. 90 -120

0

C.

Oba te rodzaje wody
nie tworzą ciągłej
warstwy wokół
cząsteczki i nie
wpływają na
obniżenie własności
wytrzymałościo-
wych gruntów
spoistych

3. woda uwadniająca płaskie powierzchnie
siatek krys-talicznych minerałów ilastych –
głównie przez wiązania wodorowe ze
strukturalnymi grupami OH znajdującymi się
na tych powierzchniach

Woda ta
pokrywa ciągłą
warstwą
minerały iłowe i
wpływa na
obniżenie ich
własności
wytrzymałościo
wych

Cała woda silnie
związana
= maksymalna
higroskopijność
gruntu.
Odpowiada ona wilgotności
gruntu uzyskanej przez
adsorbcję wody i pary
wodnej przy prężności tej
pary bliskiej 1

Ilość wody silnie związanej

zależy od:

• Składu granulometrycznego

(wielkości cząstek gruntu)

• Składu mineralnego gruntu
• Rodzaju kationów wymiennych w

przestrzeni międzypakietowej
(im większa wartościowość, tym
wyższa wilgotność)

Właściwości wody silnie

związanej:

Temp. zamarzania – średnio -78

0

C

w kaolinicie cała woda zamarza przy

-10

0

C,

w montmorillonicie przy -70

0

C

część jeszcze nie jest zamarnięta

Gęstość właściwa, lepkość i sprężystość

jest wyższa niż wody wolnej

Grunt spoisty powietrzno

suchy zawiera tylko wodę

silnie związaną

Woda słabo związana

- nadaje gruntom

plastyczność

1. Woda poliwarstw

(inaczej woda błonkowa)

Woda ta nadaje gruntom

wilgotność odpowiadającą

granicy plastyczności

2. Woda osmotyczna

(higroskopijna)

Woda ta nadaje gruntom

wilgotność wpływającą na

plastyczność.

Woda
błonkow
a.

Woda

osmotyczna

higroskopijna

Granica
plastycznoś
ci

Granica
płynności

woda

kapilarna

Ilość wody słabo związanej

zależy od:

• Zawartości frakcji iłowej
• Składu mineralogicznego tej

frakcji

• Składu chemicznego roztworów

między pakietami

• Zawartości substancji

organicznej

W aleurytach 1%

W pelitach około 40%

Woda kapilarna

Podciąganie kapilarne

- muł