cuprinsdigilib.utcb.ro/repository/ccn/pdf/serbulea.pdf · 2006. 11. 29. · 1 introducere sau de ce...

Contribuţii la studiul comportării pământurilor în zona activă a drumurilor cu aplicaţii la dimensionarea fundaţiilor compexelor rutiere

Cuprins Pagina 1

CUPRINS Lista figurilor ............................................................................................................................................2 1 Introducere sau de ce este nevoie de încă o metodă de stabilizare a pământurilor?.........................5 2 Din ce sunt alcătuite pământurile?..................................................................................................10

2.1 Introducere ..............................................................................................................................10 2.2 Faza solidă ..............................................................................................................................11 2.3 Faza lichidă .............................................................................................................................15 2.4 Faza gazoasă ...........................................................................................................................18

3 Care sunt mecanismele de interacţiune dintre constituenţii pământurilor? ....................................20 3.1 Introducere ..............................................................................................................................20 3.2 Coloizi.....................................................................................................................................21 3.3 Interacţiunea apă-solid ............................................................................................................22 3.4 Sistemul electrolitic argilă-apă ...............................................................................................24 3.5 Echilibrul forţelor de atracţie şi respingere dintre particule ...................................................30 3.6 Proprietăţi dielectrice ale sistemului apă-argilă......................................................................31 3.7 Limitele domeniului de comportare plastic ductilă ................................................................32

4 Ce sunt enzimele şi ce sunt amestecurile enzimatice folosite la stabilizarea pământurilor?..........34 4.1 Enzimele..................................................................................................................................34 4.2 Amestecurile enzimatice .........................................................................................................35

5 Cum se explică stabilizarea pământurilor cu amestecuri enzimatice?............................................36 5.1 Introducere ..............................................................................................................................36 5.2 Faza 1 – cracarea chimică şi omogenizarea mecanică ............................................................39 5.3 Faza 2 – reechilibrarea osmotică, electrostatică şi de concentraţie ........................................39 5.4 Faza 3 – refacerea sistemului coloidal ....................................................................................40 5.5 Concluzii .................................................................................................................................40

6 Cum se poate cuantifica efectul enzimelor asupra pământului? .....................................................42 6.1 Determinarea conductivităţii electrice în condiţii polarizate..................................................42 6.2 Determinarea permeabilităţii relative şi a conductibilităţii pământurilor folosind GPR........47 6.3 Influenţa stabilizării cu enzime asupra compresibilităţii şi permeabilităţii pământurilor ......49 6.4 Influenţa stabilizării cu enzime asupra caracteristicilor de compactare şi capacităţii portante a pământurilor .....................................................................................................................................52 6.5 Concluzii .................................................................................................................................56

7 Contribuţii personale şi raspunsul la întrebarea când se poate aplica stabilizarea pământurilor cu amestecuri proteice pe bază de enzime şi când nu?................................................................................57 Bibliografie .............................................................................................................................................61 Anexă cu încercări de laborator ..............................................................................................................63

Incercări fizico-mecanice Pământuri 1, 2 şi 3.....................................................................................63 Incercări fizico-mecanice Pământuri 4 şi 5.........................................................................................73 Incercări de determinare a conductivităţii pentru curenţi de joasă frecvenţă .....................................91


Lista Figurilor Pagina 2

LISTA FIGURILOR Figura 1.1: Muşuroaie de termite din pământ stabilizat cu enzime ..........................................................7 Figura 2.1: Exemplu de strat tetraedric şi octaedric ...............................................................................13 Figura 2.2: Lamela bi-strat......................................................................................................................14 Figura 2.3: Structura tridimensională a lamelei tri-strat. Interacţiunea între lamele ..............................15 Figura 2.4: Modelul tridimensional al dipolului de apă..........................................................................16 Figura 2.5: Structura hexagonală a gheţii ...............................................................................................16 Figura 2.6: Modelul Frank-Wen de interacţiune ion-apă........................................................................17 Figura 3.1: Posibile mecanisme ale adsorbţiei apei de către argilă (a. legătură de hidrogen, b. hidratare ionică, c. atracţie osmotică, d. atracţie prin dipoli).................................................................................22 Figura 3.2: Distribuţia ionilor în vecinătatea particulei solide ...............................................................23 Figura 3.3: Variaţia calitativă a potenţialului electric cu distanţa faţă de suprafaţă...............................25 Figura 3.4: Ipoteza simplificatoare în care se presupune existenţa suprafeţei de potenţial infinit .........28 Figura 3.5: Distribuţia de potenţial electric şi sarcină electrică între două straturi duble plane în interacţiune. (a. potenţial, b. sarcina)......................................................................................................29 Figura 3.6: Variaţia forţelor de atracţie şi respingere între particulele de argilă cu interdistanţa, pentru trei concentraţii diferite ale ionilor liberi ................................................................................................30 Figura 3.7: Modelul Nagaraj al structurii pământului la limita de curgere ............................................33 Figura 4.1: Funcţiunea biologică a enzimei............................................................................................34 Figura 5.1: Rezultatele obţinute în urma difracţiei cu raze X pe probe de pământ tratate şi netratate cu enzime .....................................................................................................................................................37 Figura 5.2: Imagini ESEM pe probe de pământ tratate şi netratate cu enzime.......................................38 Figura 5.3: Faza 1 – cracarea chimică şi omogenizarea mecanică .........................................................39 Figura 5.4: Faza 2 – reechilibrarea osmotică, electrostatică şi de concentraţie......................................40 Figura 6.1: Creşterea impedanţei unei argile roşii de Comarnic în timp sub diferite tensiuni ...............42 Figura 6.2: Independenţa impedanţei soluţiei slab ionice de fenomenele de polarizare ........................43 Figura 6.3: Variaţia impedanţei pământului cu umiditatea.....................................................................44 Figura 6.4: Sistemul experimental de măsurare a conductivităţii electrice a pământului ......................44 Figura 6.5: Schema electrică de măsură .................................................................................................45 Figura 6.6: Interfaţa de achiziţie şi comutare a sistemului experimental folosit ....................................46 Figura 6.7: Hiperbola GPR şi unghiul de atenuare .................................................................................49 Figura 6.8: Distribuţia granulometrică a pământurilor P1, P2 şi P3.......................................................50 Figura 6.9: Curba de compresiune-tasare pentru pământul 1 .................................................................50 Figura 6.10: Curba de compresiune-tasare pentru pământul 2 ...............................................................51 Figura 6.11: Curba de compresiune-tasare pentru pământul 3 ...............................................................51 Figura 6.12: Variaţia coeficientului de consolidare pe verticală cv cu sarcina aplicată .........................52 Figura 6.13: Distribuţia granulometrică a pământurilor P4 şi P5 ...........................................................53 Figura 6.14: Variaţia limitelor de plasticitate cu concentraţia de enzime ..............................................53 Figura 6.15: Încercări Proctor realizate pe pământul P4 ........................................................................54 Figura 6.16: Încercări Proctor realizate pe pământul P5 ........................................................................54 Figura 6.17: Variaţia parametrilor de compactare cu concentraţia de enzime pentru pământurile P4 şi P5 ............................................................................................................................................................55 Figura 6.18: Variaţia valorii CBR cu umiditatea pentru diferite reţete de stabilizare a P4 şi P5 ...........55 Figura 0.1: Compresibilitate P1 + apă ....................................................................................................63 Figura 0.2: Compresibilitate P1 + 1:25000 enzime ................................................................................63 Figura 0.3: Compresibilitate P2 + apă ....................................................................................................64 Figura 0.4: Compresibilitate P1 + 1:25000 enzime ................................................................................64 Figura 0.5: Compresibilitate P3 + apă ....................................................................................................65



Figura 0.6: Compresibilitate P3 + 1:25000 enzime ................................................................................65 Figura 0.7: Curba de consolidare pentru treapta de 11.3kPa P1 + apă ...................................................66 Figura 0.8: Curba de consolidare pentru treapta de 22.6kPa P1 + apă ...................................................66 Figura 0.9: Curba de consolidare pentru treapta de 56.5kPa P1 + apă ...................................................67 Figura 0.10: Curba de consolidare pentru treapta de 113kPa P1 + apă ..................................................67 Figura 0.11: Curba de consolidare pentru treapta de 226kPa P1 + apă ..................................................68 Figura 0.12: Curba de consolidare pentru treapta de 452kPa P1 + apă ..................................................68 Figura 0.13: Curba de consolidare pentru treapta de 565kPa P1 + apă ..................................................69 Figura 0.14: Curba de consolidare pentru treapta de 11.3kPa P1 + enzime 1:25000.............................69 Figura 0.15: Curba de consolidare pentru treapta de 22.6kPa P1 + enzime 1:25000.............................70 Figura 0.16: Curba de consolidare pentru treapta de 56.5kPa P1 + enzime 1:25000.............................70 Figura 0.17: Curba de consolidare pentru treapta de 113kPa P1 + enzime 1:25000..............................71 Figura 0.18: Curba de consolidare pentru treapta de 226kPa P1 + enzime 1:25000..............................71 Figura 0.19: Curba de consolidare pentru treapta de 452kPa P1 + enzime 1:25000..............................72 Figura 0.20: Curba de consolidare pentru treapta de 565kPa P1 + enzime 1:25000..............................72 Figura 0.21: CBR P4 natural, w = 10.23% .............................................................................................73 Figura 0.22: CBR P4 natural, w = 11.65% .............................................................................................73 Figura 0.23: CBR P4 natural, w = 12.42% .............................................................................................74 Figura 0.24: CBR P4 natural, w = 13.45% .............................................................................................74 Figura 0.25: CBR P4 natural, w = 13.90% .............................................................................................75 Figura 0.26: CBR P4 natural, 14.45% ....................................................................................................75 Figura 0.27: CBR P4 + enzime 1:50,000, w = 9.98% ............................................................................76 Figura 0.28: CBR P4 + enzime 1:50,000, w = 11.06% ..........................................................................76 Figura 0.29: CBR P4 + enzime 1:50,000, w = 11.82% ..........................................................................77 Figura 0.30: CBR P4 + enzime 1:50,000, w = 12.51% ..........................................................................77 Figura 0.31: CBR P4 + enzime 1:50,000, w = 12.98% ..........................................................................78 Figura 0.32: CBR P4 + enzime 1:25,000, w = 9.75% ............................................................................78 Figura 0.33: CBR P4 + enzime 1:25,000, w = 10.85% ..........................................................................79 Figura 0.34: CBR P4 + enzime 1:25,000, w = 11.54% ..........................................................................79 Figura 0.35: CBR P4 + enzime 1:25,000, w = 12.61% ..........................................................................80 Figura 0.36: CBR P4 + enzime 1:25,000, w = 14.24% ..........................................................................80 Figura 0.37: CBR P5 natural, w = 10.24% .............................................................................................81 Figura 0.38: CBR P5 natural, w = 11.52% .............................................................................................81 Figura 0.39: CBR P5 natural, w = 13.13% .............................................................................................82 Figura 0.40: CBR P5 natural, w = 15.46% .............................................................................................82 Figura 0.41: CBR P5 natural, w = 18.20% .............................................................................................83 Figura 0.42: CBR P5 + enzime 1:50,000, w = 10.05% ..........................................................................83 Figura 0.43: CBR P5 + enzime 1:50,000, w = 11.37% ..........................................................................84 Figura 0.44: CBR P5 + enzime 1:50,000, w = 13.08% ..........................................................................84 Figura 0.45: CBR P5 + enzime 1:50,000, w = 16.78% ..........................................................................85 Figura 0.46: CBR P5 + enzime 1:50,000, w = 21.62% ..........................................................................85 Figura 0.47: CBR P5 + enzime 1:25,000, w = 10.42% ..........................................................................86 Figura 0.48: CBR P5 + enzime 1:25,000, w = 11.82% ..........................................................................86 Figura 0.49: CBR P5 + enzime 1:25,000, w = 13.26% ..........................................................................87 Figura 0.50: CBR P5 + enzime 1:25,000, w = 16.68% ..........................................................................87 Figura 0.51: CBR P5 + enzime 1:25,000, w = 20.49% ..........................................................................88 Figura 0.52: Diagrama Proctor P4, natural .............................................................................................88 Figura 0.53: Diagrama Proctor P4, enzime 1:50,000..............................................................................89 Figura 0.54: Diagrama Proctor P4, enzime 1:25,000..............................................................................89 Figura 0.55: Diagrama Proctor P5, natural .............................................................................................90 Figura 0.56: Diagrama Proctor P5, enzime 1:50,000..............................................................................90



Figura 0.57: Diagrama Proctor P5, enzime 1:25,000..............................................................................91 Figura 0.58: Calibrare pentru verificarea posibilităţii de polarizare a pământului.................................91 Figura 0.59: Grafic Timp-Tensiune-Rezistenţă Pământ 4 + apă (concentraţie 0) ..................................92 Figura 0.60: Grafic Timp-Tensiune-Rezistenţă Pământ 4 + enzime 1:50000 (concentraţie 1) ..............92 Figura 0.61: Grafic Timp-Tensiune-Rezistenţă Pământ 4 + enzime 1:25000 (concentraţie 2) ..............93 Figura 0.62: Grafic Timp-Tensiune-Rezistenţă Pământ 4 + enzime 1:10000 (concentraţie 3) ..............93 Figura 0.63: Grafic sintetic Rezistenţă-Tensiune pentru Pământ 4 cu cele 4 concentraţii de enzime....94 Figura 0.64: Stabilirea domeniului de umidităţi pentru determinarea impedanţei băii (Pământ 4+apă)94 Figura 0.65: Stabilirea domeniului de tensiuni pentru determinarea impedanţei băii (Pământ 4+apă)..95 Figura 0.66: Variaţia impedanţei băii cu concentraţia de enzime (variaţie largă a concentraţiei) .........95 Figura 0.67: Influenţa tensiunii asupra impedanţei băii (variaţie largă a concentraţiei) ........................96


1. Introducere sau de ce este nevoie de încă o metodă de stabilizare a pământurilor? Pagina 5

1 INTRODUCERE SAU DE CE ESTE NEVOIE DE ÎNCĂ O METODĂ DE STABILIZARE A PĂMÂNTURILOR? Este unanim recunoscut faptul că proprietăţile mecanice ale pământurilor sunt determinate de proprietăţile lor fizico-chimice. De exemplu Terzaghi (1926) atribuia porozitatea şi compresibilitatea mari ale argilelor prezenţei particulelor minerale având „dimensiuni scalate” şi descrie umflarea ca „nimic altceva decât extensie pur elastică a structurii deformabile”. Tot el este cel care a postulat existenţa forţelor de respingere între particulele de argilă datorate „unei creşteri a grosimii stratului de apă adsorbită care separă granulele”. În legătură cu această problemă importantă a complexului de adsorbţie, Bolt (1956) [5] realiza pentru prima dată modelul stratului dublu infinit lung. Mitchell [17] dezvoltă această teorie începând cu 1960, iar în 1974 introduce în ecuaţie forţele de atracţie de tip van der Waals. De-a lungul timpului au fost de asemenea puse în evidenţă legăturile între fenomenele de coagulare şi peptizare în prezenţa sau absenţa anumitor tipuri de electroliţi în faza lichidă a pământului. Odată cu apariţia şi dezvoltarea unor tehnici moderne de investigare experimentală cum ar fi spectroscopia, analiza prin metoda difracţiei de raze X şi microscopia electronică cu baleiaj s-au putut vizualiza şi astfel înţelege mai bine structurile cristaline specifice anumitor familii de minerale. În general parametrii fizici ai pământurilor sunt utilizaţi în practica inginerească pentru identificarea pământurilor şi „semnalarea” anumitor proprietăţi mecanice ale acestora. Ca exemplu se poate da legătura dintre distribuţia granulometrică şi gelivitatea pământurilor prăfoase sau cum indicele de plasticitate arată că un pământ argilos va avea o presiune de umflare importantă valoric. Este evident faptul ca relaţia dintre parametrii fizici şi cei mecanici nu este injectivă, însă unele caracteristici fizice influenţează atât de radical anumite caracteristici mecanice încât se poate considera că restul influenţelor dau efecte neglijabile. De cele mai multe ori pentru lucrări de terasamente care implică volume mari de pământ este dificilă şi costisitoare o abordare structurală pentru îmbunătăţirea comportării sub acţiuni mecanice pe parcursul exploatării. Dacă în cazul sistemului de fundare al unei clădiri se acceptă în mod curent şi elemente de fundare indirectă, sunt mai rare cazurile în care pentru îmbunătăţirea comportării terasamentelor sub solicitări mecanice s-au utilizat piloţi de balast, var, nisip etc. Se preferă în general soluţii de îmbunătăţire prin compactare de suprafaţă şi/sau armare cu materiale geosintetice. Cauza principală este legată de latura financiară care include şi diferenţa de preţ dintre tehnologiile utilizate. După cum este cunoscut, stabilizarea reprezintă metoda de îmbunătăţire a pământurilor prin adăugarea de substanţe de altă natură decât materialul stabilizat (de exemplu, nu se poate vorbi de o stabilizare a argilelor cu nisip). Cea mai des utilizată metodă de stabilizare este cea care utilizează lianţi hidraulici. Cimentul fiind în general mai scump, este folosit doar în situaţii deosebite. Varul este liantul cel mai des folosit la stabilizarea patului de fundare al drumurilor (stratul de formă) sau la platforme, acest material prezintă şi avantajul că utilizat în stare „nestinsă” scade umiditatea pământului prin necesarul de apă de hidratare. Când se introduce var într-un pământ umed, acesta ionizează şi produce cationii de calciu care pot schimba sarcini cu structura argiloasă. Cationul de calciu interacţionează cu sodiul şi potasiul din structura argiloasă după cum stabilizatorii chimici schimbă ioni între ei. Deoarece cationul de calciu are o dimensiune mare, nu se poate mişca prea mult în interiorul structurii argiloase; prin urmare, pentru a obţine rezultate optime cu acest tip de stabilizator, se cere realizarea unui amestec adecvat. Energia de ionizare mare a calciului atrage moleculele argiloase, eliberând apa în exces şi rupând reţeaua argiloasă.



Prezenţă varului creste valoarea pH-ului pământului. În cazul unei valori mari pentru pH, aluminiul şi siliciul sunt eliberaţi din stabilizatorii puzzolanici şi din structura argiloasă. Moleculele de aluminiu şi siliciu astfel eliberate reacţionează ireversibil cu ionii de calciu, formând silicaţi aluminoşi de calciu care sunt substanţe asemănătoare ca proprietăţi cu cimentul Portland. Aceşti silicaţi de calciu au sarcini negative care atrag dipoli de apa ionizata şi formează o reţea de legături de hidratare care întăresc structura pământului. Pe lângă costul relativ mare al liantului dezavantajul major al stabilizării cu var constă în obţinerea unei structuri rigide care odată distrusă nu se mai poate autorepara. Lianţii hidraulici îmbunătăţesc coeziunea structurală a materialului în defavoarea celei ionice, deşi materialul obţinut în final are o capacitate portantă deosebit de ridicată. Se poate trage de aici concluzia că stabilizarea cu lianţi hidraulici este soluţia ideală pentru drumurile de clasă superioară, unde există o suprastructură din beton de ciment sau asfaltic deasupra stratului de formă, în timp ce pentru drumurile comunale soluţia este neadecvată atât din punct de vedere al comportării în timp cât şi din cel al preţului. Pentru drumurile de exploatare şi cele comunale cea mai răspândită soluţie în prezent este cea a pietruirii cu balast. Această soluţie, deşi larg răspândită din cauza uşurinţei de implementare tehnologică, generează pierderi uriaşe deoarece un drum pietruit, fără instalarea unei geogrile sau măcar a unui geotextil cu rol de separaţie, se va degrada foarte repede prin înglobarea agregatelor de dimensiuni mari în pământul de fundare. Practic, pentru asigurarea fezabilităţii acestei tehnologii, este necesară o refacere a pietruirii cel puţin o dată la doi ani. O alternativă este oferită de soluţiile de stabilizare nestandardizate. Stabilizatorii nestandardizaţi se pot clasifica (Scholen, 1992 [25]) în 2 grupe: stabilizatori chimici şi stabilizatori puzzolanici. Stabilizatorii chimici se împart,la rândul lor, in cinci grupe, şi anume: uleiuri sulfonatate, cloruri amonice, enzime, bitumuri minerale şi polimeri acrilici. Stabilizatori chimici sunt substanţe care reacţionează cu anumiţi compuşi din pământ, modificând umiditatea şi producând câteodată reacţii chiar şi la nivelul scheletului solid al pământului (substituţii izomorfe, alterări, cimentări etc.). Naftalina sulfonată şi limonela-D produc ioni de hidrogen puternici, care penetrează reţeaua argiloasă, producând ruptura structurii iniţiale, şi ulterior, după eliberarea apei, rezultând un pământ cu o structura mai densă. Reacţia primară este asemănătoare cu efectul carbonatului de litiu folosit în laborator pentru destructurarea pământurilor coezive. Clorura de amoniu produce ioni NH4 care sunt puternic atraşi câtre marginile particulelor argiloase, eliberând la suprafaţa apa şi modificând structura de suprafaţă prin reducerea capilarităţii. Bitumul mineral este o răşină care provine din distilarea deşeurilor. Acest tip de stabilizator se comportă ca o emulsie bituminoasă clasică, dar are o rezistentă de cinci ori mai mare decât a unui material asfaltic la care s-a folosit bitum petrolier; se poate folosi pentru controlul pulberilor de pământ ce se formează pe drumurile neasfaltate, ca şi pentru alte tratamente de suprafaţă. Polimerii acrilici se prepară în emulsii solide cu raportul 40:60; nu sunt toxici şi nici inflamabili. Prin uscare, formează o suprafaţă vitrificată care, în funcţie de condiţiile atmosferice, dezvoltă o matrice rezistentă între agregatele de pământ.



Stabilizatorii puzzolanici provin din arderea cărbunilor. Aceşti stabilizatori nestandardizaţi diferă de alţi stabilizatori chimici prin aceea ca sunt deşeuri sau produse reziduale secundare rezultate din alte procese industriale şi nu sunt supuşi controlului calităţii stabilizatorilor chimici produşi în condiţii industriale. Lucrarea de faţă se ocupă de posibilitatea utilizării enzimelor cu rol de stabilizator. Enzimele sunt substanţe organice nepoluante care acţionează asupra complexului de adsorbţie şi ajută la obţinerea unei structuri mai dense a pământului compactat prin mărirea forţelor electrostatice de atracţie dintre particulele de argilă. Ideea folosirii enzimelor ca stabilizatori pentru drumuri a luat naştere ca urmare a rezultatelor obţinute prin aplicarea produselor enzimatice la stimularea creşterii plantelor din fermele horticole. Modificările structurale suferite de pământurile tratate cu enzime au condus la dezvoltarea aplicării acestora în domeniul infrastructurilor rutiere. Stabilizarea cu enzime este susţinută de termite si furnici in America Latina, Africa si Asia. Saliva de furnică, bogată în enzime, stabilizează pământul folosit la realizarea unor structuri de pământ (muşuroaie) dure si înalte (Figura 1.1). Aceste „structuri” sunt cunoscute datorita rezistenţei la condiţiile atmosferice, in cazul anotimpurilor tropicale foarte ploioase

Figura 1.1: Muşuroaie de termite din pământ stabilizat cu enzime Deşi ideea în sine a folosirii surfactanţilor este veche (datând din anii ’50), folosirea amestecurilor enzimatice este de dată relativ recentă (începutul anilor ’90). Fiind o soluţie tehnică provenită din observaţii practice, până în momentul de faţă au existat doar cercetări timide care în principal au studiat efectul şi mai puţin cauza. Lucrarea de faţă îşi propune tocmai să ofere fundamentarea



ştiinţifică a mecanismelor prin care funcţionează stabilizarea pământurilor coezive cu enzime. Astfel, plecând de la înţelegerea fenomenului în sine se „demontează” în capitolul de concluzii anumite „legende” care gravitează în jurul subiectului şi care de foarte multe ori dăunează aplicării practice a soluţiei. Am demarat studul stabilizării cu enzime încă din anul 1997, odată cu vizita efectuată la sediul unuia dintre liderii de piaţă în domeniu. Primele cercetări s-au finalizat prin Lucrarea de Disertaţie la absolvirea ciclului de Studii Aprofundate în specializarea Inginerie Geotehnică. Această lucrare a abordat aspectele tehnologice ale stabilizării pământului cu amestecuri enzimatice. Teza de Doctorat nu va relua aceste informaţii care sunt deja cunoscute şi aplicate în practica inginerească. Rezultatele cercetărilor au fost prezentate şi la cea de-a 13-a Conferinţă a Tinerilor Geotehnicieni ţinută în anul 1999 la Santorini, Grecia (A.C. Olteanu, M.S. Şerbulea, 1999) [20]. Au urmat o serie de articole publicate şi prezentate în cadrul unor manifestări ştiinţifice desfăşurate la Iaşi, Bucureşti, Constanţa ca şi un simpozion având ca temă stabilizării pământurilor cu enzime, organizat la Jidvei, Alba (a se vedea bibliografia). În anul 2003 autorul prezentei lucrări a beneficiat pentru cercetările efectuate în domeniul aplicării stabilizării cu enzime la structurile rutiere, de un grant de cercetare CNCSIS câştigat prin concurs. [28] În tot acest timp autorul a participa în mod direct (proiectare şi stabilire de reţete) şi indirect (în calitate de invitat) la o serie de proiecte de drumuri şi sectoare experimentale realizate în municipiul Bucureşti ca şi în judeţele Ilfov, Constanţa, Galaţi şi Alba. Lucrarea de faţă se structurează în şapte capitole după cum urmează: Capitolul 1: Introducere sau de ce este nevoie de încă o metodă de stabilizare a pământurilor? – trasează premisele de la care a plecat prezenta lucrare şi prezintă pe scurt conţinutul acesteia. Capitolul 2: Din ce sunt alcătuite pământurile? – prezintă pe scurt alcătuirea fizică a amestecului trifazic al pământului. Scopul acestui capitol este acela de a puncta diferenţele structurale majore ale pământurilor şi explică de ce un pământ răspunde mai bine la stabilizarea cu enzime decât altul, deşi cele două pot fi similare din punct de vedere granulometric. Capitolul 3: Care sunt mecanismele de interacţiune dintre constituenţii pământurilor? – detaliază ecuaţiile care stau la baza forţelor de interacţiune din complexul de adsorbţie al pământurilor coezive punând în evidenţă parametrii care influenţează mărimea acestor forţe. Capitolul 4: Ce sunt enzimele şi ce sunt amestecurile enzimatice folosite la stabilizarea pământurilor? – înfăţişează natura amestecurilor enzimatice folosite la stabilizarea pământurilor. Capitolul 5: Cum se explică stabilizarea pământurilor cu amestecuri enzimatice? – evidenţiază interacţiunea dintre amestecurile enzimatice şi complexul de adsorbţie al pământurilor coezive precum şi paşii de reformare a legăturilor dintre particulele de argilă în prezenţa compuşilor proteici. Capitolul 6: Cum se poate cuantifica efectul enzimelor asupra pământului? – prezintă o serie de determinări de laborator efectuate pentru a pune în evidenţă efectul stabilizării pământurilor cu enzime.



Capitolul 7: Concluzii sau când se poate aplica stabilizarea pământurilor cu amestecuri enzimatice? – demontează anumite concepţii greşite legate de această tehnologie şi subliniază contribuţiile personale ale autorului.


2. Din ce sunt alcătuite pământurile? Pagina 10

2 DIN CE SUNT ALCĂTUITE PĂMÂNTURILE?

2.1 Introducere Având în vedere faptul că această lucrare utilizează multe noţiuni de Geotehnică, dar se adresează în primul rând specialiştilor din domeniul drumurilor, s-a considerat necesar a fi prezentate, pe scurt anumite aspecte legate de fizica pământurilor pentru a crea o bază de la care să poată fi explicate fenomenele de interacţiune între fazele pământului şi diferiţii aditivi. Pământul reprezintă un material compus dintr-un amestec neomogen de fragmente solide aflate într-un mediu fluid alcătuit din apă, electroliţi dizolvaţi şi alte substanţe lichide, pe de o parte şi aer, vapori de apă şi alte gaze, pe de altă parte. Între cele trei faze menţionate anterior se realizează în permanenţă legături fizice şi chimice, într-un regim dinamic, depinzând de natura şi raportul procentual în care se găseşte fiecare. În cele ce urmează se vor prezenta câteva dintre aceste legături corelate cu fenomenele de interacţiune ce au loc intra şi inter faze. Legăturile chimice primare sunt cele care antrenează în legătură electronii de pe ultimul strat (numiţi şi electroni de valenţă). Acestea sunt în general legături puternice. Cele trei tipuri de legături primare sunt:

· legătura covalentă - unul sau mai mulţi electroni din stratul de valenţă este pus în comun de două nuclee atomice. Legătura covalentă este specifică mai ales gazelor. Atomii nemetalici sunt în general cei care formează legături covalente în cazul substanţelor solide. Având în vedere faptul că numai anumiţi electroni participă la legătură, moleculele covalente sunt direcţionate după unghiuri având valori fixe;

· legătura ionică - se formează între atomi având sarcini electrice de semn contrar rezultate în urma pierderii sau câştigării de electroni. Cationii (ioni pozitivi) se formează prin pierderea unor electroni slab legaţi de pe ultimul strat. Anionii (ioni negativi) sunt ioni care au nevoie de un număr mic de electroni pentru completarea stratului de valenţă. Din această cauză, ultimul strat fiind complet, nu se pot forma legături de tip covalent, dar va fi încărcat negativ din punct de vedere electric. Ca urmare cationul va atrage electrostatic toţi anionii din vecinătatea sa, legătura ionică fiind astfel guvernată doar de polaritatea electrică şi considerente geometrice (de exemplu în cazul clorurii de sodiu, cationul de sodiu atrage atâţi anioni de clor câţi vor încape în jurul său). În molecula formată prin legătură ionică va exista o separaţie între centrul de sarcină electrică pozitivă şi cel de sarcină negativă, astfel încât aceasta va avea un caracter dipolar şi se va putea orienta în câmp electric;

· legătura metalică - atomii metalici conţin electroni slab legaţi care pot trece uşor de la un atom la celălalt. Acest tip de legătură este nondirecţională şi se poate stabili numai atunci când există un număr mare de atomi metalici.

În mineralele care alcătuiesc faza solidă a pământului apar combinaţii de legături ionice şi covalente. Legăturile pur ionice sau pur covalente sunt rare. Oxidul de siliciu, de exemplu are o structură pe jumătate ionică şi pe jumătate covalentă. Legăturile secundare sunt slabe prin raport cu cele principale şi se pot forma între atomi şi molecule. Nu sunt legături datorate completării cu electroni a stratului de valenţă al atomilor, ci apar ca urmare a forţelor electrostatice şi de inducţie dintre atomi. Cele două tipuri de legături secundare ce apar între moleculele de apă şi la interfaţa solid lichid sunt:



· legătura de hidrogen - dacă atomul de hidrogen formează capătul pozitiv al unei molecule dipolare, atracţia pe care acesta o exercită asupra moleculelor din jurul său poartă numele de legătură de hidrogen. Astfel de legături se formează numai cu atomi puternic electronegativi cum ar fi oxigenul sau fluorul. Din cauza faptului că electronul, probabilistic se găseşte în marea majoritate a timpului între atomul de oxigen şi cel de hidrogen, acesta din urmă va deveni capătul pozitiv al dipolului. Legătura de hidrogen este cea mai puternică dintre legăturile secundare. Ea este factorul determinant în formarea cristalelor de gheaţă, jucând un rol important şi in fenomenele de interfaţă particulă solidă-apă adsorbită;

· legătura van der Waals - apare ca atracţie între dipolii fluctuanţi în fază. Această legătură este mult mai slabă decât legătura de hidrogen, este, de asemenea, nedirecţională, dar influenţează per ansamblu forţa de reţinere a dipolilor de apă la suprafaţa solidului.

Legăturile de tip primar sunt interatomice, în timp ce legăturile secundare apar la nivel intermolecular sau între particule la nivel macro. Concluzia care se desprinde este că, dat fiind faptul că legăturile secundare sunt mai slabe decât cele primare, deformaţiile ce apar în masivele de pământ reprezintă de fapt rearanjări în configuraţia fragmentelor solide şi nu deformarea lor propriu-zisă. De asemenea, se poate trage concluzia că forţele ce apar în cadrul legăturilor secundare determină parametrii de rezistenţă ai pământului.

2.2 Faza solidă Faza solidă a pământului este alcătuită în principal din fragmente cristaline (minerale) rezultate în urma dezagregării maselor de rocă, ca şi fragmente amorfe, materie organică şi săruri precipitate. Cele mai des întâlnite minerale sunt silicaţii. Formele de organizare a silicaţilor sunt prezentate în Tabelul 2.1. Structurile de tetraedre se formează numai prin unirea acestora prin colţuri. [17] Tabelul 2.1

Combinaţia de tetraedre

Modul de organizare al structurii

Radicalul Si-O şi sarcina electrică

Exemplu

Cristale independente

−44 )SiO( Olivine - 42SiOFe) ,Mg(

Cristale duble

−672 )OSi( Amermanit - 7222 OSiMgCa

Inele

−693 )OSi( Benitoit - 93OBaTiSi

−12186 )OSi( Beril - 18623 OSiAlBe

Şiruri

−2n3)SiO( Piroxene

Benzi

−6n114 )OSi( Amfibole



Foi

−4n104 )OSi( Mice

Reţele

n2 )SiO( Cuarţ 2SiO

În cazul formaţiunilor tetraedrice izolate, cristalele tetraedrice nu sunt unite, în schimb, cei patru electroni în exces ai atomilor de oxigen se pot lega de ioni pozitivi în cadrul cristalului. În cazul structurilor de tip şir sau inel, tetraedrele sunt unite prin colţuri. Pot apare fenomene de substituţie izomorfă, prin care un atom de Si4+ este înlocuit de Al3+. Substituţia izomorfă constă în înlocuirea unui ion cu un altul având valenţă egală sau diferită de primul, dar păstrând structura cristalină neschimbată. Formaţiunile de tip „foaie” apar atunci când tetraedrele au trei colţuri puse în comun. Formaţiunile de tip „reţea” se caracterizează prin faptul că toate cele patru colţuri ale tetraedrului pot fi puse în comun. Apare frecvent substituţia izomorfă, iar sarcinile negative în exces sunt echilibrate prin atragerea de cationi de potasiu, calciu, sodiu, etc. Cunoaşterea structurii cristaline este foarte importantă prin prisma aprecierii forţelor de interacţiune solid-solid şi solid-lichid, forţe care influenţează semnificativ comportamentul global al materialelor granulare. De exemplu, montmorillonitul se poate desface în unităţi cu grosimi de până la 1nm, ajungând la o suprafaţă specifică de până la 800m2/g astfel încât, raportat la greutatea particulei solide, forţele de interacţiune devin cele ce guvernează proprietăţile globale ale materialului. Mineralele ne-argiloase sunt în general organizate în structuri greu distructibile (reţele), stabile din punct de vedere fizic şi chimic. Un astfel de exemplu este cuarţul. Acesta este foarte stabil chimic (este deja un oxid, nu are ioni slab legaţi) şi rezistent la acţiuni mecanice. Un alt exemplu sunt cenuşile de termocentrală care, deşi au dimensiunea particulelor în intervalul praf-argilă nu sunt materiale coezive. Mineralele argiloase aparţin familiei minerale numită filosilicaţi. Mineralele argiloase se prezintă sub formă de particule de dimensiuni coloidale având în structură sarcini negative reziduale. Structura cea mai frecventă este cea de „lamele” alcătuite din combinaţii de straturi de cristale tetraedrice (oxizi de siliciu) sau octaedrice (hidroxizi de aluminiu sau magneziu) prezentate în Figura 2.1.



Strat tetraedric

Strat octaedric

Cristal tetraedric

Cristal octaedric

O2-

(OH)-

Si4+

Mg2+Al3+

Figura 2.1: Exemplu de strat tetraedric şi octaedric Mineralele argiloase diferă în principal prin numărul de straturi din lamelă (bi-strat, tri-strat, tri-strat cu cationi interstiţiari, etc.) şi de numărul de substituţii izomorfe din cadrul cristalului. Stratul tetraedric este alcătuit din tetraedre de oxid de siliciu cu toate colţurile bazei unite sub formă hexagonală şi toate vârfurile aflate de aceeaşi parte a planului bazelor. Această structură, (Si4O10)4- se poate teoretic repeta la nesfârşit. Neutralitatea electrică se poate obţine prin înlocuirea celor patru ioni de oxigen cu grupări hidroxil sau prin unirea cu alte straturi. Distanţa oxigen-oxigen este de 0.225nm, spaţiul disponibil pentru ionul de siliciu este de 0.055nm, iar grosimea stratului tetraedric în mineralul argilos este de 0.463nm. Stratul octaedric este alcătuit din oxizi sau hidroxizi de magneziu sau aluminiu. Există cazuri în care în locul cationilor Al3+ sau Mg2+ să existe octaedre formate cu Fe2+, Fe3+, Mn2+, Ti4+, Ni2+, Cr3+ sau Li+. Distanţa oxigen-oxigen este de 0.260nm, iar spaţiul disponibil pentru cationul central este de 0.061nm. Grosimea totală a stratului octaedric în argile este de 0.505nm. Forţele care apar între straturi pot fi de cinci tipuri (Marshall,1964 [16]):

· straturile paralele, neutre din punct de vedere electrostatic sunt legate de forţe de tip van der Waals. Forţa de legătură este slabă, dar se pot dezvolta cristale destul de apreciabile ca dimensiuni (de exemplu talcul);

· straturi având la feţele alăturate oxigen-hidroxil sau hidroxil-hidroxil. Se dezvoltă atât legături de hidrogen (care rămân stabile şi în prezenţa apei) cât şi legături van der Waals;

· straturi cvasi-neutre electric pot fi separate de straturi de apa şi legate prin legături de hidrogen; · straturile tetraedrice sau octaedrice în care au apărut substituţii izomorfe îşi pot recăpăta

neutralitatea electrică dacă între straturi sunt atraşi cationi. Această legătură (prezentă de exemplu la mică) poate prezenta fenomene de clivaj (legătura electrostatică prin intermediul cationilor este mai slabă decât legătura covalentă inter cristalină) dar nu va fi distrusă de apă sau lichide polare;

· atunci când densitatea de sarcină electrică pe suprafaţă este moderată, ionii adsorbiţi la interfaţa straturilor se pot hidrata ceea ce va conduce la separarea straturilor şi la fenomene de expansiune. Această legătură este slabă şi depinde foarte mult de caracteristicile cationilor adsorbiţi, de energia de hidratare necesară şi de distribuţia de sarcină electrică.



Lamelele bi-strat sunt alcătuite dintr-un strat tetraedric şi un strat octaedric. După cum s-a menţionat anterior, straturile tetraedrice au vârfurile libere orientate într-o singură direcţie. Prin punerea în contact a unui strat tetraedric (prin aceste vârfuri de O2-), cu un strat octaedric, două treimi din atomii de oxigen vor aparţine atât stratului octaedric cât şi celui tetraedric (Figura 2.2). Vor rămâne în plan hidroxili poziţionaţi exact deasupra spaţiului hexagonal din dreptul stratului tetraedric. Legăturile dintre două lamele sunt atât legături de hidrogen cât şi van der Waals. Legătura este suficient de puternică să nu existe desprinderi ale lamelei. Datorită diferenţei mici de distanţă oxigen-oxigen între stratul tetraedric şi cel octaedric există totuşi deviaţii de la reţeaua tetraedrică ideală. Grosimea lamelei bi-strat variază între 0.72nm (caolinit) şi 1.01nm (haloizit hidratat). Haloizitul cuprinde între lamelele bi-strat dipoli de apă. Prin deshidratare (care are loc chiar şi la temperaturi relativ scăzute) acesta poate ajunge şi el la o grosime de 0.72nm. Deshidratarea este un proces ireversibil.

O2-

(OH)-Si4+

Mg2+

Vedere dinspre stratul tetraedric Conexiunea celor doua straturi

Figura 2.2: Lamela bi-strat Lamela tri-strat este alcătuită dintr-un strat octaedric bordat de două straturi tetraedrice cu vârfurile orientate spre el. Atomii de oxigen ai stratului tetraedric sunt comuni şi stratului octaedric. Ca şi în cazul lamelei tri-strat, în dreptul „golului” hexagonal din stratul tetraedric, stratul octaedric are colţurile alcătuite din hidroxili (Figura 2.3).



O2-

(OH)-

Si4+

Mg2+

Figura 2.3: Structura tridimensională a lamelei tri-strat. Interacţiunea între lamele Legăturile dintre două lamele tri-strat sunt de tip van der Waals sau prin cationii prezenţi între lamele pentru echilibrarea balanţei electrice. Aceste legături sunt foarte slabe şi se pot uşor distruge prin clivaj sau prin hidratarea cationilor legaţi. Grosimea lamelei, incluzând spaţiul inter-lamelar variază de la 0.96nm şi până la separaţia completă.

2.3 Faza lichidă Faza lichidă a pământului este constituită, în principal din apă şi săruri dizolvate. Este posibilă prezenţa şi a altor lichide (cum este cazul anumitor substanţelor organice), care pot modifica substanţial comportamentul pământului, dar fiecare dintre acestea ar trebui tratat separat şi nu fac obiectul prezentei lucrări. Apa este un element atât de comun şi cu proprietăţi fizice atât de cunoscute încât de foarte puţine ori se mai iau în considerare unele amănunte legate de natura sa. În ceea ce priveşte rolul apei în fizica pământurilor, de foarte multe ori se face abstracţie de faptul că nici ea şi nici faza solidă nu sunt inerte din punct de vedere chimic şi că există o permanentă interacţiune între aceste două faze. Molecula de apă este compusă dintr-un aranjament în formă de V de nuclee de hidrogen având în vârf un nucleu de oxigen. Cele două nuclee formează între ele un unghi de aproximativ 105º. Învelişul electronic exterior este alcătuit din şase electroni de la ionul de oxigen şi câte unul de la cei doi ioni de hidrogen. Aceşti electroni, aranjaţi perechi, formează un tetraedru, după cum se poate vedea în Figura 2.4.



Figura 2.4: Modelul tridimensional al dipolului de apă Energia de legătură din molecula de apă este (Pauling, 1960 [21]) 40% ionică şi 60% covalentă, de aceea, ţinând seama şi de orientarea spaţială a moleculei, se poate considera că aceasta este un dipol permanent. În momentul îngheţului, dipolul se orientează şi se leagă cu partea pozitivă de partea negativă, sau, cu alte cuvinte, un proton devine comun pentru doi ioni de oxigen (legătura de hidrogen) astfel încât cristalizarea se produce după modelul tetraedric al moleculei de apă într-o structură hexagonală (Figura 2.5). În această structură distanţa oxigen-oxigen este de 0.276nm (distanţa hidrogen-oxigen este 0.100nm intr-o moleculă şi 0.176 în cealaltă). Distanţa dintre moleculele de apă aflate în acelaşi plan este de 0.450nm. Energia de legătură dintre moleculele de apă este de aproximativ 19kJ/mol.

0.450nm 0.276nm

Figura 2.5: Structura hexagonală a gheţii În momentul topirii gheţii, legăturile de hidrogen încep să se distorsioneze şi să se desfacă, astfel încât la temperaturi mai mari decât 0°C, în condiţii normale de presiune, sunt distruse mai mult de 16% din legăturile de hidrogen şi apa devine lichidă. Structura apei lichide nu este pe deplin cunoscută cu excepţia faptului că o parte din structura specifică gheţii şi din legăturile de hidrogen rămân intacte. Dacă acest lucru nu s-ar întâmpla, fiecare moleculă ar trebui să aibă 12 molecule vecine, iar densitatea ar trebui să fie 1.84g/cm3. Punctul de topire al apei,



căldurile latente de lichefiere şi vaporizare, constanta dielectrică şi viscozitatea apei sunt caracteristici puternic influenţate de legătura de hidrogen şi de energia necesară ruperii acesteia. Descreşterea de volum de aproximativ 9% din momentul topirii se datorează faptului că, deşi distanţa intermoleculară creşte până la aproximativ 0.29nm datorită agitaţiei termice, în vecinătatea fiecărei molecule de apă se află mai mult de patru alte molecule. Evident, la temperaturi mai mici de 4°C prevalează distorsiunile şi rupturile legăturilor de hidrogen, în timp ce peste această temperatură începe să se mărească semnificativ distanţa intermoleculară, putându-se astfel explica de ce volumul minim al apei în condiţii normale de presiune se întâlneşte la temperatura de 4°C. Au existat de-a lungul timpului o serie întreagă de modele care au încercat să explice structura apei lichide, din care merită menţionate următoarele: - modelul amestecului: la un anumit moment dat exista mai multe tipuri de molecule de apă sau de asocieri de molecule de apă; - modelul interstiţial: structuri de molecule conectate prin legătura de hidrogen laolaltă cu molecule libere; - modelul reţelei aleatorii: se păstrează legăturile de hidrogen, dar acestea sunt distorsionate. Până în prezent modelul propus de Stillinger (1980) [27] este cel mai larg acceptat pe plan internaţional. Acest model susţine că apa in stare lichidă este o reţea de molecule legate aleatoriu prin legături distorsionate de hidrogen, cu ruperi şi reconectări dinamice permanente. Este cunoscut că în plus faţă de apa pură, faza lichidă a pământului înglobează şi o serie de ioni ai unor săruri dizolvate. Ionii tulbură structura apei prezentată mai sus atât în cazul în care se hidratează cât şi în cazul în care rămân anhidri. Ionii care nu se hidratează au o importanţă mai mică întrucât creează dezechilibre doar prin ocuparea spaţiului fizic. Ionii hidrataţi atrag numai partea cu sarcină opusă a dipolului de apă ordonând poziţionarea aleatorie a capetelor pozitive şi, respectiv negative ale dipolilor. Un model de interacţiune ion-apă (Frank şi Wen, 1957 [9]) este prezentat în Figura 2.6. Se poate remarca în imediata apropiere a ionului o zonă (A) în care dipolii de apă sunt foarte puternic orientaţi după liniile de câmp ale ionului neavând, practic posibilitate de mişcare (energie cinetică foarte mică). Zona B este caracterizată printr-o oarecare orientare a dipolilor şi o rupere a structurii dipolilor de apă. În zona C, structura apei este nederanjată, putând apare doar fenomene de polarizare.

ionzonă de imobilizare (A)zonă deranjată (B)zonă neafectată (C)

Figura 2.6: Modelul Frank-Wen de interacţiune ion-apă Apa imobilizată din jurul ionilor, sau, in general cea puternic polarizată poartă numele de „apă strâns legată”. Ea se mai poate regăsi şi pe o distanţă de aproximativ 3 molecule în jurul particulelor solide. Metodele de investigare a proprietăţilor apei adsorbite sunt diverse. Cel mai adesea folosite sunt metodele folosind principiul difracţiei electronilor şi razelor X, rezonanţă nuclearo-magnetică,



observarea spectrului infraroşu sau măsurători privind densitatea, constanta dielectrică şi comportarea la îngheţ. Astfel, folosind difracţia cu raze X s-a putut observa că, în general pe o distanţă de 1nm densitatea scade de la valori de 1.45g/cm3 la valori în jurul densităţii apei libere. Nu se pot da valori numerice fixe, deoarece forţa de atracţie variază de la o structură ionică la alta şi, mai mult decât atât, pentru o structură ionică dată, forţa de legătură variază odată cu hidratarea. Pentru valori foarte mici ale umidităţii (



Faza gazoasă este alcătuită în cea mai mare măsură din aer şi vapori de apă, însă compoziţia sa nu este atât de importantă pe cât este comportarea mecanică de „spaţiu compresibil”. Practic, curba Proctor este o compunere a variaţiei volumului de pori nesaturaţi cu umiditatea şi a variaţiei consistenţei cu umiditatea. Datorită faptului că pământul se compactează prin reducerea volumului de pori, randamentul compactării se reduce drastic (practic zero) după atingerea saturării mai ales în cazul punerii în operă a pământurilor coezive. Este nevoie de lucru mecanic, implicit presiune dezvoltată de utilajele de compactare, foarte mare pentru obţinerea drenării apei din pori şi compactării suplimentare a pământului coeziv. De aici şi necesitarea folosirii compactoarelor „picior de oaie” sau, mai puţin eficiente, a compactoarelor cu pneuri. Având în vedere natura hidrofilă a aerului acesta se supune tuturor legilor dizolvării. Astfel, „fărâmiţarea” (= diminuarea volumelor porilor independenţi) prin compactare mecanică îmbunătăţeşte dizolvarea aerului în apa din pori ajungându-se astfel până la saturaţie, fără ca gazul propriu-zis să fie drenat din pământ. Deşi greu cuantificabilă, adăugarea unor substanţe ionice, cum ar fi amestecurile enzimatice, poate ajuta „legare” prin dizolvarea ionilor de oxigen şi azot din faza gazoasă a pământului în apa din pori.


3. Care sunt mecanismele de interacţiune dintre constituenţii pământurilor? Pagina 20

3 CARE SUNT MECANISMELE DE INTERACŢIUNE DINTRE CONSTITUENŢII PĂMÂNTURILOR?

3.1 Introducere Făcând o analogie cu medicina, se poate spune ca prezentul capitol îşi propune să analizeze „fiziologia” pământului pornind de la proprietăţile „anatomice” descrise în capitolul anterior. Într-o primă fază este prezentată „funcţionarea” complexului de adsorbţie după care legătura acestuia cu proprietăţile dielectrice măsurabile ale sistemului electrolitic argilă-apă şi reflectarea acestuia în indici geotehnici simpli. Sistemul electrolitic argilă-apă este cunoscut în România sub numele de „complex de adsorbţie”. Acest lucru duce cu gândul la fenomenele fizice de atracţie din jurul fragmentului solid. Acelaşi sistem electrolitic este cunoscut în literatura anglo-saxonă sub denumirea (tradusă ad literam) de „strat electric dublu” ceea ce conduce la o imagine de interacţiune de tip electrostatic în cadrul sistemului electrolitic. Diferenţierea fundamentală apare în momentul definirii variaţiei forţelor de interacţiune dintre faze, cunoscută sub numele de curbă de reţinere. Astfel, sistemul utilizat la noi defineşte curba de reţinere ca relaţia între pF - indicele sorbţional şi umiditate în timp ce sistemul anglo-saxon foloseşte relaţia între potenţialul electric şi distanţa faţă de suprafaţa particulei solide. Relaţia pF-w este mai practică fiind în special utilizată la stabilirea umidităţii de echilibru în diferite sisteme şi modelează fenomenul aşa cum apare el la nivel „macro” adică punctând faptul că scheletul mineral „trage” apă cu atât mai mult cu cât este mai uscat, ignorând însă o lege fizică simplă care arată că nu poate fi creată o presiune negativă (sucţiune) mai mare decât diferenţa dintre presiunea atmosferică şi vid, adică 100kPa = 10m coloană de apă. Aşa s-ar şi întâmpla dacă sucţiunea pământului s-ar realiza mecanic, printr-o pompă. Cu toate acestea, evidenţa arată că apa este atrasă către particula solidă mult mai puternic decât ar îngădui presiunea de sucţiune. Acest lucru se explică prin faptul că migraţia apei prin pământ este guvernată de legea lui Coulomb şi nu de cea a lui Darcy. Din acest motiv, în prezenta lucrare curba de reţinere va fi definită şi explicată prin prisma definiţiei Ψ-d. Trebuie, totuşi, să se ţină cont şi de faptul că există un spaţiu fizic pe care dipolii de apă şi ionii îl pot ocupa în jurul particulei de argilă. Astfel, odată cu creşterea cantităţii de apă reţinută în jurul structurii solide, implicit prin creşterea umidităţii, forţele de atracţie scad către periferia complexului de adsorbţie de unde şi comportarea plastic ductilă sau casantă a pământului variabil cu umiditatea şi definit de limitele Atterberg. Concluzia cea mai importantă a acestui capitol se referă la faptul că domeniul de plasticitate al pământului este determinat de proprietăţile dielectrice ale electrolitului ce sunt radical influenţate de conţinutul de ioni liberi. Cel mai bun exemplu este cel al saramurii. Dacă apa pură este practic un izolator, o cantitate infimă de sare de bucătărie o transformă în conductor. Conductivitatea este limitată de saturaţie, dincolo de care se păstrează constantă. Înlocuind sarea de bucătărie cu un alt solut se observă că raportul masic pentru care se produce saturaţia diferă de la un material solut la altul. Cu alte cuvinte, conductivitatea sistemului electrolitic apă-argilă poate fi îmbunătăţită doar până la un punct prin adăugarea unui anumit tip de aditiv. Acest lucru este deosebit de important pentru lucrarea de faţă din două puncte de vedere şi anume: - prin stablizarea cu enzime pământul îşi poate îmbunătăţi proprietăţile fizico-mecanice dependente de calitatea complexului de adsorbţie doar într-o anumită limită ce nu poate fi depăşită; - îmbunătăţirea acestor proprietăţi diferă de la aditiv la aditiv.



3.2 Coloizi Originea cuvântului „coloid” provine din grecescul „κωλλα” ceea ce înseamnă „a lipi”. În termeni moderni, un sistem coloidal dispers se defineşte ca un sistem în care particulele ce îl alcătuiesc au dimensiuni coloidale (adică între 10-9 şi 10-6m), particule dispersate într-un mediu continuu având o compoziţie diferită. Cele mai cunoscute forme de coloizi sunt solurile, suspensiile, emulsiile, aerosolii şi spumele. Solii sunt sisteme coloidale de particule solide nedizolvate în mediu lichid. Dacă solul conţine particule de dimensiuni relativ mari astfel încât sedimentează rapid, acesta mai poartă numele de „suspensie”, deşi nu există o delimitare clară între suspensii şi solurile obişnuite. Evident că nu trebuie făcută confuzia între sistemul coloidal „sol” cu noţiunea de „sol” = pământ vegetal, studiată de pedologie. Un material care prezintă afinitate faţă de apă poartă numele de „hidrofil”. Un material care are tendinţa de a respinge apa poartă numele de „hidrofob”. Pentru a fi hidrofil un material trebuie sa aibă în mod obligatoriu o structură polară. Având în vedere faptul că materialele care nu se dizolvă în lichide polare se pot dizolva în general în lichide nepolare, acestea poartă numele de „liofile”, datorită faptului că cei mai cunoscuţi solvenţi nepolari sunt uleiurile. Astfel, orice material hidrofil va fi automat liofob şi orice material hidrofob va fi şi liofil. Cu toate acestea, pentru a califica faptul că există soluri alcătuite din particule care au o afinitate mai mare faţă de apă decât altele, au început să fie utilizate noţiunile de „soluri hidrofile” – cele cu o foarte mare afinitate faţă de apă şi „soluri hidrofobe” – cele cu o mai redusă afinitate faţă de apă. Ceea ce trebuie, însă subliniat este faptul că solurile hidrofobe nu sunt alcătuite din particule solide hidrofobe. Un astfel de sol hidrofob este argila. Coloidul apă-argilă are, deci, următoarele caracteristici:

· sistem bifazic cu suprafeţe mari de interfaţă; · comportamentul coloidului este guvernat de forţele de suprafaţă; · partea solidă se coagulează în prezenţa ionilor liberi din lichid.

Gelurile sunt un caz special de coagulare a solurilor. În acest caz, tot sistemul se coagulează într-o singură structură continuă. Aceste geluri, datorită structurii lor prezintă rigiditate şi elasticitate. Transformarea în gel este caracteristică multor argile. Gelul are tendinţa de a se extinde în întreg volumul ocupat. Când particulele sunt aproximativ sferice ele au tendinţa de a forma structuri de tip şir căpătând o anumită rigiditate. O structură şi mai rigidă este cea alcătuită din particule lamelare sau aciculare care formează o structură de tip castel de cărţi de joc. Rigiditatea gelului depinde de numărul şi sarcina electrică a particulelor care alcătuiesc structura. Coagularea solurilor depinde foarte mult atât de electrolit cât şi de proprietăţile dielectrice ale lichidului. Una din cele mai cunoscute legi care guvernează coagularea este şi legea Schulze-Hardy care enunţă că acest fenomen este determinat preponderent de valenţă şi nu de tipul ionilor cu sarcina opusă sarcinii particulelor din suspensie. Cu cât este mai mare valenţa ionilor de sarcini diferite cu atât va fi mai mare puterea de coagulare şi, implicit, cu atât va fi mai mică concentraţia de coagulare. Ca ordin de mărime se pot da următoarele valori ale concentraţiei de coagulare: 25-150 mmol/dm3 pentru ioni monovalenţi, 0.5 – 2.0 mmol/dm3 pentru ioni bivalenţi şi 0.01-0.1 mmol/dm3 pentru ioni trivalenţi. Legea Schulze-Hardy este valabilă pentru o varietate largă de soluri, inclusiv cu electroliţi inerţi (electroliţi care nu prezintă nici un fel de reacţii în sol).



În ceea ce priveşte lichidul, coagularea poate fi indusă şi prin prezenţa unor diferite substanţe (de exemplu substanţe organice dizolvate – acetone, alcooli sau unele tipuri de enzime).

3.3 Interacţiunea apă-solid Este unanim acceptat faptul că datorita dimensiunii reduse a particulelor de argilă, comportarea fizico-mecanică a pământurilor cu un conţinut important din această fracţiune granulară, este profund influenţată de relaţiile inter ionice ca şi cele de tip electrolitic ce se stabilesc între particule. Din punct de vedere dimensional, în cazul argilelor se pot aplica în mod evident principiile fizicii coloidale, dar chiar şi în cazul prafurilor, aceste principii rămân valabile. Astfel, sistemul coloidal electrolitic argilă-apă se poate caracteriza prin:

· sistem bifazic cu suprafaţă mare de contact; · comportamentul coloidal este determinat de forţele de suprafaţă; · se poate coagula în prezenţa unor cantităţi relativ mici de substanţe ionice (săruri, ioni liberi,

substanţe ionice de tip organic, etc.) Există mai multe posibile mecanisme care încearcă să explice natura forţelor de suprafaţă care guvernează interacţiunea apă-argilă (Figura 3.1).

+

-----------------

+

+

Supr

afaţ

a la

mel

ei

++

+++

+

+

+

+

++

+

++

+ +

++

+

+

+

+

Supr

afaţ

a la

mel

ei

++

++ + +

-----------------

Supr

afaţ

a la

mel

ei

-----------------

-----------------

Supr

afaţ

a la

mel

ei

+

+

+

+

+

Supr

afaţă

(OH

)-

---------

Supr

afaţă

O2-

a. b.

c. d.

Figura 3.1: Posibile mecanisme ale adsorbţiei apei de către argilă (a. legătură de hidrogen, b. hidratare ionică, c. atracţie osmotică, d. atracţie prin dipoli)



Primul model este cel al legăturii de hidrogen (Figura 3.1.a.) Este cunoscut faptul că suprafaţa liberă a particulei de argilă este alcătuită din O2-, „terminaţii” de molecule tetraedrice (SiO2) sau din (OH)-, „terminaţii” de molecule octaedrice (Al(OH)2 sau Al(OH)3, Mg(OH)3, etc). Făcându-se, în plus, analogia cu structura hexagonală a moleculei de gheaţă s-a avansat ideea că dipolii de apă ar fi legaţi prin legături de hidrogen de suprafaţa particulei de argilă, sau cu alte cuvinte, apa strâns legată ar fi gheaţă. S-a arătat în paragraful anterior că acest model este contrazis de realitate. Modelul cationilor liberi hidrataţi (Figura 3.1.b.) presupune că aceştia sunt atraşi de către suprafaţa negativă a lamelei de argilă şi, odată cu ei şi apa de hidratare. Acest mecanism este probabil real, însă numai pentru valori mici ale umidităţii (apa peliculară). Atracţia prin osmoză pleacă de la ipoteza acumulării ionilor în preajma suprafeţelor libere datorită atracţiei electrostatice, astfel încât dipolii de apă vor avea tendinţa de a difuza spre suprafaţă pentru a egala concentraţiile de ioni. În argila uscată, cationii adsorbiţi sunt strâns legaţi de feţele particulelor de argilă încărcate negativ. Cationii în exces satisfacerii echilibrului ionic al particulelor de argilă sunt prezenţi în masa uscată sub formă de săruri precipitate. În momentul hidratării, sărurile precipitate se dizolvă. Cationii adsorbiţi formează o concentraţie ionică foarte mare la suprafaţa particulei de argilă şi vor avea tendinţa de a migra spre locurile cu concentraţie ionică mică (chemio-osmoză). Cu toate acestea, forţa electrostatică exercitată de particula solidă îi împiedică să difuzeze. Este un fenomen similar difuziei aerului unde tendinţei de expansiune a gazelor i se opune gravitaţia pământului. În urma disocierii sărurilor rezultă, de asemenea şi anioni, care vor fi respinşi de suprafaţa încărcată negativ, dar atraşi de capătul încărcat pozitiv al lamelei de argilă. Figura 3.2 înfăţişează distribuţia ionilor în vecinătatea particulei solide.

--+

------------

-+

++++

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

+

++

+

++

+ +

++

+

+ -

-+

+

Supr

afaţ

a la

mel

ei

Con

cent

raţia

ioni

că

Concentraţiade echilibru

Distanţa faţăde suprafaţă

Figura 3.2: Distribuţia ionilor în vecinătatea particulei solide Modelul atracţiei prin dipoli face analogia între lamelele de argilă şi armăturile unui condensator. Dipolii de apă vor avea tendinţa de a se orienta cu capătul pozitiv spre suprafaţa încărcată negativ a argilei. Această orientare va fi cu atât mai pronunţată, iar forţa de atracţie cu atât mai mare cu cât dipolul este mai aproape de suprafaţa solidă. Dacă s-ar considera doar acest fapt, la jumătatea distanţei dintre două particule de argilă alăturate ar trebui ca dipolii să fie dezorientaţi întrucât polii de acelaşi semn ai dipolilor ar fi îndreptaţi unii spre ceilalţi. Ingles (1968) [13] a sugerat că, datorită numărului mare şi potenţialului ridicat al ionilor de aluminiu din structura cristalină a argilei, apa este puternic atrasă de suprafaţă şi are tendinţa de a se interpune între suprafaţa sau capătul lamelei şi ionii liberi de semn opus, ioni care s-ar găsi la o distanţă destul de mare de particula solidă (mai exact la jumătatea



distanţei dintre două particule alăturate - Figura 3.1.d). Această structură este compatibilă cu comportarea argilelor la nivel „macro” şi poate rezulta din mecanismul hidratării ionilor odată cu creşterea umidităţii. Un alt model este cel care consideră că legătura dintre apă şi suprafaţa solidă se realizează prin intermediul forţelor Van der Waals, adică mişcarea orbitală a electronilor, cu aceeaşi fază atât la solid cât şi la apă, creează dipoli temporari care se atrag reciproc.

3.4 Sistemul electrolitic argilă-apă La fel ca şi soluţiile ionice, solurile hidrofobe nu au o sarcină electrică netă, de aceea particulele încărcate electrostatic trebuie să îşi compenseze sarcinile electrice între ele în sol. Balanţa internă a sarcinilor într-un sol este caracterizată de conceptul de „strat electric dublu” (Gouy, 1910 [11] - Chapman 1913 [7]). Stratul electric dublu este alcătuit din particule încărcare electric şi o cantitate echivalentă de sarcini punctiforme care se acumulează în lichidul de lângă particule. Aceste sarcini punctiforme se mai numesc şi contra-ioni. Atunci când argila este uscată, contra-ionii rămân ataşaţi particulei de argilă. De aceea când argila este umezită structura de strat dublu se creează în mod spontan. Ipotezele acestui model sunt:

· Ionii care alcătuiesc sistemul sunt consideraţi sarcini punctiforme fără interacţiune între ionii de acelaşi semn;

· Sarcina pe suprafaţă este uniform distribuită; · Suprafaţa particulei este plană; · Permitivitatea mediului (ε) este constantă în mediul considerat.

Permitivitatea electrică este o constantă definită prin prisma ecuaţiei lui Coulomb privind atracţia

electrostatică ( 2dQqFε

= , unde F este forţa de interacţiune electrostatică, Q şi q sunt sarcinile a două

particule încărcate electrostatic, iar d este distanţa dintre ele) şi are semnificaţia fizică a măsurii în care moleculele pot fi polarizate şi orientate în câmp electrostatic. Permitivitatea relativă sau constanta dielectrică a mediului D este definită ca raport între permitivitatea electrică a mediului şi cea a vidului (ε0). Astfel, considerând permitivitatea electrică a vidului ca fiind ε0 = 8.854 * 10-12 C2/Jm şi cea a apei la 20°C ε = 708.336 * 10-12 C2/Jm, se poate calcula constanta dielectrică a apei, D ~ 80. Pentru a calcula concentraţia de ioni (în ioni/m3) se poate folosi ecuaţia lui Boltzmann:

kTEE

0ii

i0i

e*nn−

= (3.1)

unde:

ni este concentraţia ionilor de tip „i”; ni0 este concentraţia ionilor de tip „i” la distanţă foarte mare de suprafaţa stratului dublu; E reprezintă energia potenţială a ionilor; T reprezintă temperatura (exprimată în K) k este constanta Boltzmann (k = 1.38 * 10-23 J/K)

Energia potenţială a ionilor în câmp electric este:



Ψν= eE ii (3.2) unde:

νi este valenţa ionilor; e este sarcina electrică a electronului (e =1.602 * 10-19 C); Ψ este potenţialul electric în punctul considerat. Potenţialul electric este definit ca lucrul mecanic consumat pentru deplasarea unei sarcini electrice unitare pozitive de la referenţial în punctul considerat). Variaţia calitativă a potenţialului electric cu distanţa faţă de sursa câmpului (în cazul nostru suprafaţa particulei de argilă) este înfăţişată în Figura 3.3.

ΨΨ0

d Figura 3.3: Variaţia calitativă a potenţialului electric cu distanţa faţă de suprafaţă Considerând potenţialul electric la o distanţă mare de suprafaţă ca fiind egal cu 0, putem deduce din ecuaţia (3.2) că Ei0 = 0. Ecuaţia (3.1) devine:

kTe

0ii

i

ennΨν

= (3.3)

Pentru a exprima variaţia potenţialului electric cu distanţa vom folosi ecuaţia lui Poisson:

ερ

−=ψ2

2

dxd (3.4)

unde ρ este densitatea de sarcină electrică C/m3. Dar luând în considerare natura discretă a sarcinii electrice, putem exprima densitatea de sarcină:

∑ν=ρ iine (3.5) Introducând în ecuaţia (3.5) expresia lui ni din ecuaţia (3.3) obţinem:

∑Ψν−

ν=ρ kTe

0ii

i

ene (3.6)

Folosind (3.6), ecuaţia (3.4) devine:



∑Ψν−

νε

=Ψ kT

e

0ii2

2 iene

dxd (3.7)

Ecuaţia (3.7) este ecuaţia diferenţială a două straturi electrice adiacente unei suprafeţe. Pentru cazul unei perechi anion-cation de valenţe egale, adică i = 2, ν+ = ν+ = ν şi n0+ = n0- = n0, expresia (3.7) se reduce la ecuaţia Poisson-Boltzmann:

kTesh

en2

dxd 0

2

2 Ψνε

ν=

Ψ (3.8)

Pentru rezolvarea ecuaţiei (3.8) vom folosi următoarele schimbări de variabile:

Funcţii de potenţial:

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

Ψν=

Ψν=

kTe

z

kTey

0

Funcţie distanţă: Kx=ξ , unde kTen2

K22

02ε

ν=

(3.9)

Ecuaţia (3.8) devine:

y shd

yd2

2=

ξ (3.10)

Condiţiile la limită pentru prima integrare sunt la ∞=ξ , y = 0 şi 0ddy

=ξ

. Astfel:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

ξ 2y sh2

ddy (3.11)

Condiţiile la limită pentru cea de-a doua integrare sunt 0=ξ , y = z (adică 0Ψ=Ψ ), care conduc la:

ξ−

ξ−

−−+

−++=

e)1e(1e

e)1e(1ee

2z

2z

2z

2z

2y

(3.12)

Această funcţie descrie variaţia descrescătoare a potenţialului electric cu creşterea distanţei.

Dacă potenţialul suprafeţei este mic (



Ψ=Ψ 22

2K

dxd (3.13)

unde:

Kx0e

−Ψ=Ψ (3.14) Ceea ce conduce la concluzia că potenţialul descreşte după o lege simplu exponenţială. Astfel, mărimea „K” poate fi considerată ca o măsură a „grosimii” stratului dublu. Centrul de greutate al acestui strat se găseşte la o distanţă x = 1/K. Din expresia lui K (ecuaţiile (3.9)) se poate deduce că această valoare depinde numai de proprietăţile fazei lichide şi sărurilor dizolvate (ioni liberi). Cu toate acestea, valorile reale ale concentraţiei ionice şi potenţialului electric depind de potenţialul electrostatic al suprafeţei şi sarcina particulei solide. Sarcina stratului dublu este dată de:

∫∞

ρ−=σ0

dx (3.15)

Folosind ecuaţia lui Poisson, obţinem:

0x02

2

dxddx

dxd

=

∞⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Ψε−=

Ψε=σ ∫ (3.16)

Panta funcţiei de potenţial la suprafaţa particulei 0xdx

d

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Ψ poate fi determinată folosind ecuaţia

(3.11). Introducând acest rezultat în ecuaţia (3.16) obţinem:

2zsh kTn8 0=σ (3.17)

pentru cazul general şi:

0KΨε=σ (3.18)

0

KΨεσ

=

pentru cazul valorilor mici ale lui 0Ψ . Având relaţia dintre concentraţie ionică şi potenţial definită de ecuaţia (3.3), relaţia între potenţial şi distanţa faţă de suprafaţă dată de (3.12) sau (3.14) şi cea între sarcină şi potenţialul suprafeţei dată de una din relaţiile (3.17) sau (3.18), problema este complet descrisă dacă se cunosc n0, ν, şi σ sau ψ. Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru ecuaţia (3.12), care leagă potenţialul de distanţa faţă de particulă, putem alege originea axei ξ într-un plan imaginar, la o distanţă x0 în spatele suprafeţei reale astfel încât pentru această suprafaţă potenţialul să tindă către infinit (Figura 3.4, Bolt, 1955).



kTey Ψν=

00 Kx=ξ)xx(K 00 −=ξ−ξ

ξ

Plan cu sarcină şi potenţial infiniteSuprafaţa particulei de argilă

Figura 3.4: Ipoteza simplificatoare în care se presupune existenţa suprafeţei de potenţial infinit Astfel, expresia (3.12) devine:

2cth

1ch1che y ξ=

−ξ+ξ

=− (3.19)

unde:

Γνβ=

Γν

==ξK4

Kc4

Kx 000 (3.20)

unde:

c0 este concentraţia ionilor la o distanţă mare de suprafaţă exprimată în mmol/cm3; Γ este densitatea de sarcină pe suprafaţă sau capacitatea de schimb cationic pe unitatea de suprafaţă exprimată in meq/cm2;

mol/m10~DRT

F2 162=β la 20°C;

F = 9.6485 * 104 C/mol - constanta lui Faraday; D este constanta dielectrică a sistemului; R = 8.3144 J/K*mol – constanta gazelor.

Din ecuaţia (3.20), unde se poate aproxima distanţa x0 cu 1/10ν nm pentru ilit, 1/20ν nm pentru caolinit şi 1/40ν nm pentru montmorillonit (Bolt, 1956 [5]) ca fiind foarte mică, putem conchide că este practic neglijabilă corecţia de distanţă între planul real şi cel considerat cu potenţial electrostatic infinit. Ecuaţiile dezvoltate pentru stratul difuz dublu izolat vor servi în continuare aprecierii interacţiunii dintre două straturi duble paralele. Acesta este de fapt cazul real, în care straturile de cationi aparţinând a două particule de argilă adiacente se suprapun. Variaţia potenţialului electric şi distribuţia sarcinilor electrice pentru cazul a două straturi duble aflate la o distanţă 2d una faţă de cealaltă, sunt prezentate în Figura 3.5.



a. b.

d dx0 x0xy

c = u

Ψ0Ψ0

Plan imaginar de potenţial infinit

n c+ ,

c c+

n c-

Anion

Cation

d dx0x

x0

Figura 3.5: Distribuţia de potenţial electric şi sarcină electrică între două straturi duble plane în interacţiune. (a. potenţial, b. sarcina)

Funcţia potenţial la jumătatea distanţei între plane este kTe

y cΨν

= şi o vom nota cu u. Condiţiile la

limită pentru ecuaţia (3.10) sunt

⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪

⎨

⎧

=ξ

==ξ

0ddy

uyKd

. A doua integrare, folosind condiţiile la limită impuse şi la

ecuaţia (3.11), ne conduce la:

Kddd

0−=ξ∫ (3.21)

Ecuaţia (3.21) are soluţii tabelate (van Olphen, 1977 [30]) astfel încât să dea valorile potenţialului la mijlocul distanţei între plane introducându-se valorile 2d şi K. Considerând dipolii de apă distribuiţi omogen în jurul particulei de argilă se poate utiliza ecuaţia (3.21) pentru calculul grosimii complexului de adsorbţie. În Tabelul 3.1 este înfăţişată relaţia dintre grosimea stratului dublu şi tipul de ioni din stratul difuz. Pentru a defini această grosime a stratului dublu, care teoretic este infinită, vom considera ca sarcina electrica cuprinsă până la o anumită distanţă de suprafaţa solidului dispusă sub formă plană va alcătui un „condensator” al cărui capacitate va fi egală cu capacitatea totală a stratului dublu. Tabelul 3.1

Grosimea stratului dublu (nm) Concentraţia ionilor de semn opus particulei (mmol/dm3) Ioni monovalenţi Ioni bivalenţi 0.01 100 50 1.00 10 5 100.00 1 0.5



3.5 Echilibrul forţelor de atracţie şi respingere dintre particule Având în vedere faptul că particulele de argilă au suprafeţele încărcate din punct de vedere electric cu acelaşi semn (de obicei negativ), vor exista forţe de respingere între particule. Aceste forţe de respingere sunt forţe de tip electrostatic care variază exponenţial cu distanţa dintre particule şi cu sarcina lor electrică nebalansată. Având în vedere faptul că sistemul electrolitic al pământurilor argiloase conţin un număr relativ mare de ioni liberi, forţele de respingere dintre particule fiind foarte mici. Dacă dintr-un motiv sau altul ionii liberi din argilă nu sunt într-un număr suficient pentru a satisface sarcinile libere din particulele de argilă va apare un fenomen de respingere reciprocă între acestea. Forţa de respingere va scădea exponenţial cu creşterea distanţei dintre particule (Figura 3.6).

d

Concentraţieionică scăzută

Concentraţieionică medie

Concentraţieionică ridicată

Atra

cţie

van

der

Waa

lsR

espi

nger

e el

ectro

stat

ică

Figura 3.6: Variaţia forţelor de atracţie şi respingere între particulele de argilă cu interdistanţa, pentru trei concentraţii diferite ale ionilor liberi Coagularea demonstrează existenţa forţelor de atracţie dintre particule. La o primă vedere pare că forţele van der Waals nu ar fi suficient de mari ca modul sau acţionând la distanţă suficient de mare pentru a induce apropierea dintre particulele de argilă. Aceste forţe au un modul mic şi descresc rapid odată cu creşterea distanţei dintre particule. Cu toate acestea, forţele van der Waals au o natură aditivă în sensul că atracţia exercitată de un grup de particule este egală cu suma atracţiilor fiecărei particule. Prin însumarea acestor forţe nu rezultă numai o forţă mult mai mare ca modul, dar aceasta şi descreşte mult mai lent cu distanţa. Pentru doi atomi, forţa de atracţie van der Waals este invers proporţională cu puterea a şaptea a distanţei dintre ei, dar pentru două particule de dimensiuni mari este invers proporţională cu puterea a treia a distanţei dintre ele. Sumarea forţelor de atracţie şi respingere arată că pentru concentraţii electrolitice relativ mari balanţa înclină spre respingere numai pentru distanţe dintre particule foarte mici, în rest efectul forţelor de respingere fiind foarte redus.


3. Car

cuprinsdigilib.utcb.ro/repository/ccn/pdf/serbulea.pdf · 2006. 11. 29. · 1 introducere sau de ce...

Documents