GEOLOGIJA 49/2, 339–345, Ljubljana 2006 Vpliv strukture glin na njihove mehanske lastnosti The impact of clay structure on their mechanical properties Bojana DOLINAR Univerza Maribor, Fakulteta za gradbeni{vo, Smetanova ulica 17, 2000 Maribor, Slovenija e-po{ta: bojana.dolinar@uni-mb.si Ključne besede: gline, struktura, nedrenirana stri‘na trdnost Keywords: clays, structure, undrained shear strength Kratka vsebina Prispevek prikazuje rezultate preiskav vpliva strukture na razmerje med vsebnostjo vode in nedrenirano stri‘no trdnostjo glin. S pojmom struktura je opredeljena tekstura glin (na~in zdru‘evanja in razporeditve zrn) in njena stabilnost. Slednja je odvisna od vrste in jakosti medzrnskih odbojnih in privla~nih sil, pogojenih s kemi~no sestavo glinenih delcev in porne vode. Rezultati preiskav so pokazali zelo velik vpliv strukture na nedrenirano stri‘no trdnost glin kar pomeni, da se mora ta vpliv odra‘ati tudi na ostalih mehanskih lastnostih. Abstract This article presents the results of investigations that were focused on determining the impact of structure on the reationship between the water content and undrained shear strength in clays. The notion of structure encompasses the texture of clays (grain association and grain arrangement) and their stability. The latter depends on the type and magnitude of intergrain repulsive and attractive forces, conditioned by the chemical composition of clay grains and pore water. The results of investigations have shown that structure greatly influences the undrained shear strength of clays, which means that structure must also influence other mechanical properties. Uvod Mehanske lastnosti glin so odvisne od dejavnikov, ki izhajajo iz njihove mineralo{ke sestave in okolja. Sestava je opredeljena z vrsto in koli~ino vsebujo~ih mineralov, njihovimi fizikalno kemi~nimi lastnostmi, tek-sturo in jakostjo elektrostati~nih in elektromagnetnih medzrnskih sil. Podani dejavniki, ki se preiskujejo na poru{enih vzorcih glin, dolo~ajo obmo~ja, znotraj katerih se lahko pojavljajo posamezne mehanske lastnosti. Dejanske mehanske lastnosti glin pa so odvisne od okolja, ki narekuje razpolo‘ljivost in kemi~no sestavo vode, vsebnost organskih primesi, temperaturo in tlak. Analiza vpliva teh dejavnikov ni enostavna, ker zahteva ve~je {tevilo enakih intaktnih vzorcev glin z enako geolo{ko zgodovino in razmerami v okolju. Bolj smiselno je zato najprej preiskati vplive, povezane s sestavo glin in s tem dolo~iti mejne vrednosti mo‘nih mehanskih lastnosti. V predhodnih raziskavah je bil ‘e preiskan vpliv vrste, koli~ine in velikosti glinenih zrn na vsebnost vode pri posameznih mehanskih lastnostih glin (Dolinar & Trauner, 2004; 2005, Dolinar, 2006). Ker so omenjene preiskave potekale v pogojih, ki so zagotavljali izlo~itev ali izena~enje vseh ostalih vplivnih dejavnikov, veljajo dobljeni rezultati le za zemljine brez organskih pri- 340 Bojana Dolinar mesi, s paralelno razporeditvijo glinenih zrn (enako strukturo) in temperaturo okolja pri-bli‘no 20 °C. Znano je, da se lahko struktura glin ob spremembi kemi~ne sestave porne vode zelo hitro spremeni, posledi~no pa tudi trdnost glin pri enaki koli~ini vse-bujo~e vode (Van Olphen, 1977; Ferrell, 1992). V prikazani raziskavi smo ugotavljali, kako velik je lahko vpliv strukture glin na razmerje med koli~ino vode in nedrenirano stri‘no trdnostjo. Pri raziskavah, opisanih v prispevku, smo enake vzorce kaolinitne gline zame-{ali z raztopinami NaCl razli~nih koncentracij. Z dodatkom tega elektrolita smo spreminjali razmerja med odbojnimi in privla~nimi silami med zrni, isto~asno pa tudi pH porne vode. S tem smo vplivali na vrsto in velikost medznskih sil in po-sledi~no na razporeditev zrn. Nedrenirano stri‘no trdnost tako pripravljenih vzorcev smo merili s krilno sondo. Pri vsakem vzorcu smo opravili ve~ meritev nedreni-rane stri‘ne trdnosti v obmo~ju 1.5 – 20 kPa, vse meritve istega vzorca pa aproksimirali s poten~no funkcijo. Medtem ko smo razporeditev zrn v omo~enih vzorcih opazovali z okoljskim vrsti~nim elektronskim mikroskopom, smo lahko o vplivih posameznih elektrostati~nih in elektromagnetnih sil med zrni gline pri razli~nih koncentracijah elektrolita sklepali le na osnovi predhodnih teoreti~nih dognanj. Ker smo elektrolit dodajali v koli~inah, ki se pojavlja v naravnih okoljih, smo s tem nazorno pokazali, kako se lahko pri enaki glini in enaki koli~ini vsebujo~e vode, obravnavana mehanska lastnost spreminja tudi v odvisnosti od strukture. Struktura glin Strukturo glin opredeljuje na~in razporeditve posameznih zrn (tekstura) ter vrsta in jakost medzrnskih sil. Glinena zrna nastopajo v zemljinah samostojno ali kot agregati paralelno razporejenih zrn. V prisotnosti vode se lahko razporedijo na tri razli~ne na~ine (paralelno, stiki robov z robovi ali ve~jimi povr{inami zrn), prikazane na sliki 1 (van Olphen, 1977). Fizi~en izgled gline je pri razli~nih tipih povezav povsem razli~en. Pri paralelni legi zrn se pojavljajo tanke in ve~je plo{~-ice medtem, ko gradijo zrna, ki se stikajo z robovi ali z ve~jimi povr{inami in robovi odprto teksturo ali tako imenovano “hi{o iz kart”. Porazdelitev glinenih zrn je odvisna od vrste in jakosti medzrnskih odbojnih in privla~nih sil, prav razmerje med slednjimi pa narekuje tudi trdnost glin. V zadnjih 30 letih je bilo ugotovljenih ve~ vrst medzrnskih sil (Ferrell, 1992), med katerimi se kot najpomembnej{e omenjajo elekrostati~ne odbojne in privla~ne sile, ki se pojavljajo zaradi interakcije difuznih slojev elektri~nih dvojnih plasti in van der Waalsove privla~ne sile. Odbojne sile med glinenimi zrni se pojavljajo zaradi negativno nabitih povr{in, ki so najpogosteje posledica izomorfnih zamenjav Si4+ in Al3+ v tetraedrskih in oktaedrskih plasteh s kationi z ni‘jim oksidacijskim {te-vilom. Manjkajo~i naboji se kompenzirajo z izmenjalnimi kationi, ki so pri suhi glini tesno vezani na povr{ine zrn, v prisotnosti vode pa se nekoliko oddaljijo od povr{ine. Oddaljenost kationov je odvisna od elektro-stati~ne privla~nosti povr{ine zrn in koncentracije ionov v vodi. Negativna povr{ina Slika 1. Shematski prikaz osnovnih tipov razporeditve glinenih zrn. Fig.1. Schematic representation of elementary clay particle arrangements. Vpliv strukture glin na njihove mehanske lastnosti 341 glinenih delcev in pozitivna plast s pove-~ano koncentracijo kationov (difuzna plast), ki se raz{irja v raztopino, tvorita elektri~no dvojno plast. Debelina difuzne plasti je odvisna od elektri~nega potenciala na povr{ini glinenih zrn, vrste in koncentracije izme-njalnih kationov, kemi~ne sestave, dielekti~-ne konstante in pH raztopine ter temperature. Medtem ko se na zgornjih in spodnjih povr{inah plo{~atih glinenih zrn pojavljajo negativne elektri~ne dvojne plasti, se lahko na robovih ustvarjajo elektri~ne dvojne plasti, ki so pozitivne v kislih raztopinah in negativne v bazi~nih. pH vrednost raztopine v tem primeru dolo~a na~in disociacije Al(OH)3 v oktaederskih plasteh in s tem naboj na robovih zrn. Elektrostati~ne odbojne sile med glinenimi zrni so posledica interakcije difuznih plasti z enakim nabojem. Njihova intenziteta nara{~a z debelino teh plasti, s tem pa tudi razdalja med zrni. V primerih, ko se na robovih posameznih glinenih delcev pojavi pozitiven naboj, se lahko nasprotno naelek-trene povr{ine pove‘ejo (rob-rob ali rob-po-vr{ina), kar vodi v nastanek odprte teksture. Trdnost takih kontaktov je veliko ve~ja kot tistih, ki so posledica van der Waalsovih pri-vla~nih sil. Slednje delujejo med vsemi atomi enega zrna in vsemi atomi drugega zrna tako, da je privla~na sila v tem primeru vsota sil med vsemi atomskimi pari. Jakost van der Waalsovih sil je odvisna od dielektri~ne konstante porne raztopine in temperature. Strukturo iste gline je torej mogo~e preoblikovati s spreminjanjem vrste in jakosti odbojnih in privla~nih sil, kar lahko dose‘emo z dodatkom elektrolita v porno vodo. Laboratorijske preiskave stri‘ne trdnosti na nedreniranih vzorcih Pri opazovanju vpliva razli~nih struktur na nedrenirano stri‘no trdnost gline je bilo potrebno pri preiskavah izlo~iti ali poeno- titi vse vplivne dejavnike, ki izhajajo tako iz okolja kot sestave zemljin. Preiskave so zato potekale na umetno pripravljenih vzorcih iste kaolinitne gline, pri enaki temperaturi in z raztopinami z enako dielekti~no konstanto. Edini spremenljivki sta bili koncentracija soli (NaCl) in pH vrednost uporabljene raztopine. Pove~anje koncentracije soli v porni vodi povzro~i zmanj{anje elektrostati~nih odbojnih sil medtem, ko privla~ne van der Waal-sove sile ostanejo enake. Isto~asno se z dodatkom elektrolita spremeni tudi pH porne vode, kar vpliva na elektrostati~no privla~-nost med pozitivno in negativno naelektre-nimi deli glinenih zrn. Na tak na~in se torej spreminja razmerje med jakostjo odbojnih in privla~nih sil in posledi~no tekstura gline. Pri opisanih preiskavah je bil uporabljen dobro kristaliziran kaolinit. Glina izhaja iz nahajali{~a v ZDA, njeno pridobivanje in pripravo pa vodi zdru‘enje Clay Mineral Society v okviru projekta Source Clays. Ker se sestava gline na razli~nih delih nahajali-{~a nekoliko spreminja, so vzorci za raziskovalne namene pripravljeni tako, da se velike koli~ine materiala predhodno homogenizira in shrani. Tak na~in omogo~a dolgoletne razli~ne raziskave popolnoma enakega materiala in s tem primerjanje in dopolnjevanja rezultatov predhodnih {tudij. Uporabljen vzorec ima tako ‘e znano mineralno in kemi~no sestavo, strukturno formulo osnovne celice, specifi~no povr{ino, velikost zrn in kationsko izmenjalno kapaciteto. Ti podatki so povzeti iz literature (Sutheimer et al., 1999; Van Olphen & Fripiat, 1979) in prikazani v preglednici 1. Nedrenirana stri‘na trdnost vzorcev je bila preiskana z laboratorijsko krilno sondo (BS 1377, Part 7, 1990) v obmo~ju su = 1.5 kPa – 20.0 kPa. Pred preiskavo so bili popolnoma enaki upra{eni vzorci kaolinita zame-{ani z destilirano vodo in ratopinami 0.005 M NaCl, 0.010 M NaCl, 0.020 M NaCl, 0.050 M NaCl, 0.100 M NaCl in 0.175 M NaCl (M = Preglednica 1. Mineralo{ke lastnosti uporabljenega kaolinita. Table 1. Mineralogical properties of used kaolinite. Strukturna formula Specifična površina – AS Kationska izmenjalna kapaciteta Premer zrn Debelina zrn (Mg Ca Na K )[Al Fe(III) Mn Ti ][Si Al ]O (OH) 0.2 0.1 0.1 0.1 3.86 0.2 sl. 0.11 3.83 0.17 10 8 12.50 m2/g 2.0 cmolc/kg 109 – 3586 nm 11 – 143 nm 342 Bojana Dolinar mol/l). pH vrednost je bila pri vseh vzorcih dolo~ena s pH metrom “Checker” pri enakem razmerju gline in vode 1:2, ker so merjene vrednosti odvisne tudi od koncentracije gline v raztopini. Za opazovanje mikro tek-sture vzorcev je bil uporabljen okoljski vr-sti~ni elektronski mikroskop QUANTA 200 3D, ki omogo~a {tudij mokrih vzorcev. To je pomembno, ker se le tako ohrani struktura gline. Kljub temu, da so slike zaradi prisotnosti vode nejasne, se v vzorcih z razli~nimi koncentracijami soli ka‘ejo vidne razlike pri razporeditvi zrn. Rezultati in diskusija Merjene vrednosti nedrenirane stri‘ne trdnosti su so v odvisnosti od pripadajo~ih vla‘nosti w prikazane na sliki 2. Skladno s predhodnimi ugotovitvami (Koumoto & Houlsby, 2001), se lahko preiskane vrednosti, pri enaki koncentraciji elektrolita, aproksimira s poten~no funkcijo. Rezultati preiskav ka‘ejo, da se ‘e pri zelo majhnih spremembah koli~ine soli v porni vodi, razmerje med vsebnostjo vode v vzorcih in ne-drenirano stri‘no trdnostjo zelo spremeni. Za bolj nadzorno predstavitev rezultatov preiskav je na sliki 3 prikazano (a) razmerje med molarnostjo in koli~ino raztopine pri enaki nedrenirani stri‘ni trdnosti vzorcev (izbrana vrednost su = 2.66 kPa ustreza koli~-ini vode na meji ‘idkosti v primeru dolo~eva-nja meje ‘idkosti s konusnim penetrometrom (BS 1377, Part 2, 1990)) in (b) razmerje med molarnostjo raztopine in nedrenirano stri‘no trdnostjo pri enaki vla‘nosti w = 45 % . Iz podanih rezultatov je mogo~e sklepati, da se pri razli~nih koncentracijah elektrolita pojavljajo razli~ne vrste in jakosti medzrn-skih sil in posledi~no razli~ne razporeditve glinenih zrn. Na osnovi predhodnih, predvsem teoreti~nih dognanj drugih raziskovalcev in posnetkov vla‘nih vzorcev z okolj-skim vrsti~nim elektronskim mikroskopom, je mogo~e rezultate preiskav obrazlo‘iti na slede~ na~in. V destilirani vodi so na glinenih delcih dobro razvite dvojne elektri~ne plasti, kar prepre~uje delovanje van der Waals-ovih privla~nih sil (van Olphen, 1977). Glede na pH vrednost zmesi preiskovanega kaolinita z vodo, ki je 4.1, je pri~akovati pozitiven naboj na posameznih robovih zrn. Zaradi elektrostati~ne privla~nosti nasprotno na-elektrenih povr{in, se glinena zrna v takih pogojih pove‘ejo z robovi ali robovi in ploskvami, ter tako tvorijo odprto teksturo ali “hi{o iz kart” (slika 4). Trdnost vezi med nasprotno naelektrenimi povr{inami je ve~ja kot trdnost van der Waals-ovih vezi (Tchi-stiakov, 2000), s ~imer je mogo~e pojasniti visoke vrednosti nedrenirane stri‘ne trdnosti preiskovanega vzorca (sliki 3 a,b). V prisotnosti NaCl se efektivna debelina elektri~nih dvojnih plasti na robovih in ploskvah zmanj{a, s tem pa tudi privla~ne sile med nasprotno naelektrenimi povr{ina-mi. Isto~asno se zaradi pove~anja pH vrednosti porne vode zmanj{a elektrostati~en potencial na povr{inah robov zrn. “Hi{a iz kart” se pri~ne v tak{nih pogojih ru{iti, s tem pa se, pri enaki koli~ini vsebujo~e vode, zmanj{a tudi nedrenirana stri‘na trdnost gline. Ko postanejo privla~ne sile med na- Slika 2. Razmerje med vsebnostjo vode w in nedrenirano stri‘no trdnostjo su pri razli~nih koncentracijah NaCl v porni vodi. Fig. 2. Relationship between water content w and undrained shear strength su at different concentrations of NaCl in pore water. Vpliv strukture glin na njihove mehanske lastnosti 343 Slika 3. Vpliv koncentracije elektrolita na (a) koli~ino vode pri nedrenirani stri‘ni trdnosti su = 2.66 kPa in na (b) nedrenirano stri‘no trdnosti pri vla‘nosti w = 45 %. Fig. 3. The impact of the electrolyte concentration on (a) moisture at undrained shear strength su = 2.66 kPa and (b) undrained shear strength at water content w = 45 %. Slika 4. Mikro-tekstura kaolinita v destilirani vodi z vidnimi kontakti med robovi in robovi in ploskvami posameznih zrn in agregatov. Fig. 4. Micro-fabric of kaolinite in distilled water showing edge-to-face and edge-to-edge arrangement of individual clay particles and particle groups. sprotno naelektrenimi povr{inami manj{e od odbojnih, se struktura povsem preoblikuje. V tak{nih pogojih se glinena zrna in agregati razporedijo bodisi paralelno (Van Olphen, 1977), ali pa se pove‘ejo z robovi (Rand & Melton, 1977), v obeh primerih z van der Waals-ovo vezjo. Pri preiskovanem kaolinitu se je struktura povsem preobliko- vala pri koncentraciji elektrolita 75 mmol/ l (pH zmesi 7.7), kar nazorno ka‘e slika 5. Zelo nizke vrednosti nedrenirane stri‘ne trdnosti (slika 3b) je mogo~e obrazlo‘iti s pojavom van der Waalsovih vezi, za katere velja, da potrebujejo za zlom precej manj{o energijo kot vezi, nastale zaradi elektrosta-ti~ne privla~nosti. Slika 5. Mikro-tekstura kaolinita v 0.075 M raztopini NaCl ka‘e prete‘no paralelno lego glinenih zrn in pojav agregatov. Fig. 5. Micro-fabric of kaolinite in 0.075M solution of NaCl showing mostly parallel arrangement of clay particles and separate face-to-face aggregates. 344 Bojana Dolinar Slika 6. Mikro-tekstura kaolinita v 0.100 M raztopini NaCl. Fig. 6. Micro-fabric of kaolinite in 0.100 M NaCl. Slika 7. Mikro-tekstura kaolinita v 0.175 M raztopini NaCl ka‘e {tevilne agregate paralelno razporejenih zrn. Fig. 7. Micro-fabric of kaolinite in 0.175 M NaCl showing numerous face-to-face aggregates. Pri ve~ji koli~ini soli (0.100 M NaCl) se trdnost preiskovanega vzorca pri enaki vsebnosti vode ponovno pove~a, kar je lahko posledica spremenjenega razmerja med privla~nimi in odbojnimi silami. Medtem ko ostanejo pri dodatku soli privla~ne sile enake, se odbojne sile, zaradi zmanj{anih efektivnih debelin elektri~nih dvojnih plasti, zmanj{ajo. Pri teh pogojih lahko van der Waals-ove sile pove‘ejo robove zrn (Rand & Melton, 1977). Tak{na razporeditev zrn, ki je za preiskovan kaolinit prikazana na sliki 6, omogo~a, pri enaki nedrenirani stri‘ni trdnosti gline, ve~jo vsebnost vode (slika 3a). Iz slike 3b je razvidno, da se pri {e ve~-ji koncentraciji elektrolita (0.175 M NaCl), nedrenirana stri‘na trdnost preiskovanega vzorca ponovno zni‘a. Ta pojav je mogo~e obrazlo‘iti z dejstvom, da se zrna strnejo v majhne agregate (slika 7). [tevilo vezi med agregati je sedaj manj{e kot {tevilo vezi med posameznimi zrni, zato je tudi trdnost tak{-ne gline manj{a (van Olphen, 1977). Zaklju~ek Namen prikazane raziskave je bil ugotoviti, kako razli~ne strukture preiskovane kaolinitne gline vplivajo na njeno nedreni-rano stri‘no trdnost pri enaki koli~ini vse-bujo~e vode. Struktura glin opredeljuje na~in povezave in razporeditve posameznih zrn v odvisnosti od vrste in jakosti medzrnskih sil. Pri preiskovanem, umetno pripravljenem vzorcu kaolinita smo strukturo spreminjali z uporabo raztopin, ki so vsebovale razli~ne koli~ine NaCl. Dodatek soli vpliva na razmerje med privla~nimi in odbojnimi silami, s tem pa tudi na razporeditev glinenih zrn. Medtem ko smo lahko razporeditev glinenih zrn opazovali z elektronskim mikroskopom, smo o delovanjih posameznih elektrostati~-nih in elektromagnetnih sil sklepali le na osnovi predhodnih dognanj drugih raziskovalcev. Rezultati preiskav so pokazali zelo velik vpliv strukture na nedrenirano stri‘no trd- Vpliv strukture glin na njihove mehanske lastnosti 345 nost preiskovane gline kar pomeni, da se lahko ta vpliv odra‘a tudi na ostalih mehanskih lastnostih. Ker smo elektrolit dodajali v koli~inah, ki se pojavlja v naravnih okoljih, smo s tem nazorno pokazali, kako se lahko pri enaki glini in enaki koli~ini vsebujo~e vode, obravnavana mehanska lastnost spreminja tudi v odvisnosti od strukture. Literatura British Standards Institution 1990: Methods of test for soils for civil engineering purposes.- BS 1377, Part 2, London. British Standards Institution 1990: Methods of test for soils for civil engineering purposes.- BS 1377, Part 7, London. Dolinar, B. & Trauner, L. 2004: Liquid limit and specific surface of clay particles.- Geotechni-cal testing journal, 27, 6, 580-584, Reston. Dolinar, B. & Trauner, L. 2005: Relationship between the undrained shear strength, water content, and mineralogical properties of fine-grained soils. - International journal of geomechanics, 5, 4, 350-355, Reston, http://10. 1061/(ASCE)1532-3641(2005)5:4(350). Dolinar, B. 2006: The impact of mineral composition on the compressibility of saturated soils. - Mechanics of Materials 38, 599-607 http:// dx.doi.org/10. 1016/j.mechmat.2005.11.003. Ferrell, R.E., 1992: Clay water interface and its rheological implications. - The clay minerals society, CMC Workshop lectures 4, Aurora. Koumoto, T., Houlsby, G.T. 2001: Theory and practice of the fall cone test.- Geotechnique, LI, 8, 701-712, London. Rand, B. & Melton, I.E. 1977: Particle interactions in aqueos kaolinite suspensions. - Journal of Colloid Interface Science, 60, 2, 308-320. Sutheimer, S. H., Maurice, P.A. & Zhou, Q. 1999: Dissolution of well and poorly crystalized kaolinites: Al speciation and effects of surface characteristics. - American Mineralogist, 84, 620-628. Tchistiakov, A. A., 2000: Physico – chemical aspects of clay migration and injectivity decreas of geothermal clastic reservoirs. - Proceedings World Geothermal Congress 2000, May 28 - June 10, Kyushu-Tohoku, Japan. Van Olphen, H. & Fripiat, J.J. 1979: Data handbook for clay minerals and other non-metallic materials. - Pergamon press, 346 pp., New York. Van Olphen, H. 1977: An Introduction to Clay Colloid Chemistry. - Wiley Interscience, 318 pp., New York.