Научная конференция ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ
Апрель 2003 года, Секция ГЕОЛОГИЯ,
Подсекция: Инженерная и экологическая геология.

Исследование щелочной буферности глинистых грунтов и их компонентов

Е.Н.Самарин, С.Д.Воронкевич, Н.А.Ларионова

Основной целью предпринятых исследований явилось изучение буферной способности различных минеральных компонентов, как правило, входящих в состав дисперсных глинистых грунтов, по отношению к щелочным растворам NaOH.

В качестве основного методического приема было использовано потенциометрическое титрование. Для этого испытуемый раствор - объемом 50-100 мл - или 1-10 % суспензия анализируемого соединения титровались 0,1 н раствором NaOH. Значение рН системы фиксировалось через 5 минут после добавления каждой порции титранта - обычно 0,1-1,0 мл. Результаты титрования выражались в виде графиков pH = f (V_NaOH). Дополнительно строились гистограммы интенсивности щелочной буферности в координатах d C_NaOH/d pH = f (pH), отражающие количество мг-экв. щелочи, которое необходимо добавить к системе для увеличения ее pH на фиксированный интервал.

В качестве компонентов поровых растворов, были исследованы сульфаты и хлориды Mg²⁺, Ca²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺и Al³⁺, а также гидрокарбонат натрия. Концентрация всех проанализированных солей изменялась от 0,01 до 0,5 мг-экв/мл.

В качестве компонентов твердой фазы изучены карбонаты кальция, магния и железа - как природные минералы, так и химические реактивы соответствующего состава; глинистые минералы, фульво- и гуминовая кислоты (в виде солей калия), гипс.

Последовательность протекания буферных реакций нейтрализации щелочи исследовалась путем потенциометрического титрования систем сложного состава, содержащих несколько - обычно два-три - минеральных компонентов.

Дополнительно для гипса и всех карбонатных минералов проведено экспериментальное исследование кинетики взаимодействия с растворами гидроксида натрия. Эти результаты в дальнейшем послужили основой для физико-химического моделирования щелочных равновесий для указанных минералов, выполненного на основе закона действующих масс.

Полученные результаты можно кратко суммировать в виде следующих положений.

1. Из исследованных соединений только кальцит не проявляет щелочной буферности: произведение растворимости кальцита на несколько порядков меньше, чем портландита.

2. Все буферные реакции с поглощением щелочи протекают в строгой последовательности. Первым реагирует наиболее "кислотный" компонент и только после его полного преобразования начинает реагировать последующий.

3. Подавляющее большинство минеральных компонентов, входящих в состав поровых растворов и твердой компоненты дисперсных грунтов характеризуются фиксированными буферными интервалами в 0,3-0,5 единиц рН. Ширина буферного интервала зависит от физической формы существования конкретного компонента, а его положение на шкале кислотности сдвигается в кислую область на 0,1-0,2 единицы рН при уменьшении концентрации минерального компонента в грунте.

Таблица.1.

Щелочные буферные зоны.

4. Глинистые минералы и органические кислоты - фульво- и гуминовая,- входящие в состав дисперсных грунтов, проявляют буферные свойства в широком диапазоне значений рН за счет серии последовательных буферных реакций. Например, для монтмориллонита отмечены следующие буферные реакции: образование гидросиликатов кальция и магния (рН = 8,7-9,2), вынос октаэдрических элементов с образованием анионных форм и (рН > 10,4), обменные реакции с образованием Mg(OH)₂ и Ca(OH)₂ (pH > 10). Для гумусовых кислот буферность проявляется в диапазоне рН 9-10 - депротонизация краевых радикалов фенольного типа - и в интервале 11-12 - растворение фульво- и гуминовой кислот.

5. При значениях рН > 13 начинается ощутимое во времени растворение минерального скелета дисперсных грунтов с образованием цеолитоподобных минералов.

На основе полученных экспериментальных данных разработана концепция щелочных буферных зон, представленная в таблице 1.