Монтмориллонитовые глины - Влияние состава и состояния глинистых грунтов на морозное пучение

На втором месте по распространенности находятся минералы группы монтмориллонита. Около 30% образцов содержали монтмориллонит в качестве преобладающего минерала среди частиц глинистой фракции. Особенно часто монтмориллонит встречается среди отложений палеогена, юры, перми и карбона. Содержание его снижается в породах четвертичного и неогенового возрастов. Можно предполагать, что это связано с залеганием пород этих систем преимущественно в зоне гипергенеза. Под влиянием современного процесса гипергенеза монтмориллонит в ряде климатических зон оказывается неустойчивым и разрушается.

Существует несколько моделей структуры монтмориллонитовых минералов, согласно которым монтмориллонит состоит из двух тетраэдрических сеток, между которыми располагается октаэдрическая сетка, т. е. имеет структуру типа 2:1. Все вершины тетраэдров обращены к центру структурного слоя и совместно с гидроксилами октаэдрической сетки образуют общий слой, в котором в вершинах, общих для тетраэдрических и октаэдрических сеток, располагаются атомы О, а в вершинах октаэдров, не связанных с тетраэдрами, - гидроксилы ОН.

схема структуры монтмориллонита по р. гриму

Рис.2.2.1. Схема структуры монтмориллонита по Р. Гриму

1 - кислород; 2 - гидроксил; 3 - алюминий, железо, магний; 4 - кремний, иногда алюминий

Характерной особенностью структуры монтмориллонита является то, что кислородная поверхность одного слоя контактирует с аналогичной кислородной поверхностью соседнего слоя, вследствие чего связь между слоями слабая. Молекулы воды и других полярных жидкостей могут свободно проникать между структурными слоями монтмориллонита и раздвигать их в направлении оси с, снижая тем самым и без того крайне слабое молекулярное взаимодействие между ними. В зависимости от количества воды, находящейся в межслойном пространстве, базальное расстояние (001) в решетке монтмориллонита может изменяться от 9,6 А (когда между слоями нет никаких полярных молекул) до 140 А, а в некоторых случаях и больше - до полной диссоциации слоев.

Теоретическая формула структурной ячейки монтмориллонита имеет вид (OH)4Si8Al4O20*nH2O, что соответствует следующему химическому составу: SiO2 - 66,7%, Al2O3 - 28,3%, H2O - 5%. В действительности природные монтмориллониты всегда отличаются от теоретического состава вследствие изоморфных замещений алюминия в октаэдрической координации на магний, железо, цинк, литий с образованием ряда минералов группы монтмориллонита (нонтронит, сауконит, гекторит).

В зависимости от степени изоморфных замещений отношение молекулярных количеств кремнезема и глинозема в решетке монтмориллонитовых минералов может изменяться от 3:2 - при максимальном заполнении алюминием октаэдрических позиций и частичном замещении кремния на алюминий в тетраэдрах до 3:1 - в случае минимального изоморфного замещения кремния в тетраэдрической сетке и максимального замещения алюминия в октаэдрической сетке.

В результате изоморфных замещений решетка монтмориллонита всегда электрически неуравновешенна; замещение Al3+ на Fe2+ и Mg2+ в октаэдрической сетке и, возможно, частичное замещение Si4+ на Al3+ в тетраэдрах создает избыток отрицательных зарядов в решетке, плотность которых составляет примерно 0,66 элементарного заряда на одну структурную ячейку. Возникающий отрицательный заряд компенсируется гидратированными обменными катионами, адсорбирующимися между структурными слоями, которые вместе с молекулами воды составляют межслоевой комплекс монтмориллонита. Чаще всего это могут быть катионы Na+, Ca2+ Mg2+ и органические катионы. При этом отмечается изменение межплоскостного расстояния в зависимости от состава поглощенного комплекса катионов. Так, в нормальных условиях монтмориллонит с Na+ в качестве обменного катиона имеет межплоскостное расстояние в направлении оси с, равное 12,5 А. Межплоскостное расстояние у монтмориллонита с Ca2+ близко к 15,5 А.

Молекулярные взаимодействия между отдельными слоями в решетке монтмориллонита из-за наличия молекул воды и гидратированных катионов в межслоевом комплексе выражены крайне слабо. Присутствие положительных катионов в межслоевом пространстве, казалось бы, должно придавать связям между отрицательно заряженными структурными слоями монтмориллонита ионный характер, как это имеет место, например, в решетке слюд и гидрослюд. Однако ионная связь в монтмориллоните значительно ослаблена за счет того, что отрицательный потенциал, возникающий в центральной (октаэдрической) сетке монтмориллонита при изоморфных замещениях трехвалентного катиона на двухвалентный, в значительной степени экранируется наружными тетраэдрическими сетками. Далее, по мнению Е. Г. Куковского, действие этих сил еще ослаблено тем, что каждый из обменных катионов компенсирует дефицит в положительных зарядах только в одном слое (а не в обоих смежных слоях, как это имеет место в слюдах и гидрослюдах) и не является, таким образом, связующим "мостиком" соседних слоев.

Большое влияние на прочность связи слоев в структуре монтмориллонита оказывает гидратация катионов. В гидратированном состоянии катион-компенсатор имеет увеличенные размеры и не допускает сближения слоев до "контактного расстояния". Только при нагревании до 200-300°С, когда дегидратируются сами катионы, слои сближаются на такое расстояние, при котором действие молекулярных сил проявляется достаточно сильно. После этого структура монтмориллонита теряет способность к набуханию. Не исключено, что при дегидратации катионов происходит их перегруппировка и каждый из них становится общим для двух смежных слоев.

Поверхности внутренних слоев монтмориллонита из-за отсутствия прочных связей между слоями оказываются доступными для дисперсионной фазы и, таким образом, принимают активное участие в процессах сорбции, обмена и т. д. Следовательно, у монтмориллонита, в отличие от каолинита, активными поверхностями являются не только краевые участки и поверхностные базальные грани кристаллов, но и внутренние базальные плоскости, что обусловливает огромную величину суммарной активной поверхности монтмориллонита. Этим объясняются такие специфические свойства монтмориллонита, как его высокая гидрофильность, высокая адсорбционная способность и т. д. Многочисленными исследователями при этом отмечается преобладающая роль базальных поверхностей во всех физико-химических реакциях вследствие того, что их суммарная поверхность во много раз превосходит суммарную поверхность краевых участков кристаллов монтмориллонита.

Похожие статьи




Монтмориллонитовые глины - Влияние состава и состояния глинистых грунтов на морозное пучение

Предыдущая | Следующая