Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

ИЗМЕНЕНИЕ СИЛ АДГЕЗИИ МОНТМОРИЛЛОНИТОВОЙ И КАОЛИНОВОЙ ГЛИН, ОБРАБОТАННЫХ СТРЕССОВЫМ ДАВЛЕНИЕМ


https://doi.org/10.25296/1993-5056-2019-14-2-44-59

Полный текст:


Аннотация

Для формирования технологических свойств глин разработаны различные способы их обработки: тепловая, химическая, ультрафиолетовая, механическая и др. Однако вопросы трансформации энергетических свойств поверхности глинистых частиц, предварительно уплотненных стрессовым давлением, изучены недостаточно полно. Поэтому целью работы является изучение закономерностей изменения сил адгезии на поверхности частиц монтмориллонитовой и каолиновой глин, обработанных стрессовым давлением до 800 МПа и сдвигом на 90°. Исследования сил адгезии образцов глин, подвергнутых стрессовому давлению и сдвигу, осуществлялись при помощи атомно-силового микроскопа NT-MDT NTEGRA Prima (Россия). Экспериментально доказано, что при механической обработке каолиновой и монтмориллонитовой глин стрессовым давлением и сдвигом изменения силы адгезии имеют разнонаправленный характер. В каолиновой глине при увеличении давления сила адгезии возрастает. В монтмориллонитовой рост давления до 150 МПа приводит к усилению адгезионного взаимодействия, дальнейшее увеличение до 800 МПа — к его снижению. Выявлено, что при обработке глин стрессовым давлением и сдвигом в них протекают процессы дробления, агрегации и деформации частиц, приводящие к изменению дефектности кристаллической решетки и поверхности частиц. Такие преобразования вызывают изменения энергетического потенциала глинистых частиц, что в свою очередь изменяет сорбционные и адгезионные свойства глин. При этом в исследуемых грунтах формирование энергетического потенциала на поверхности частиц при воздействии высоких давлений происходит по-разному: в каолиновой глине основным является процесс дробления, а в монтмориллонитовой — агрегации.


Об авторах

В. В. Середин
Пермский государственный национальный исследовательский университет
Россия

Середин Валерий Викторович

Заведующий кафедрой инженерной геологии и охраны недр геологического факультета

д.г.-м.н., профессор



И. В. Лунегов
Пермский государственный национальный исследовательский университет
Россия

Лунегов Игорь Владимирович

Заведующий кафедрой радиоэлектроники и защиты информации физического факультета 

к.ф.-м.н., доцент



М. В. Федоров
Пермский государственный национальный исследовательский университет
Россия

Федоров Максим Вячеславович

Магистрант кафедры инженерной геологии и охраны недр геологического факультета


Н. А. Медведева
Пермский государственный национальный исследовательский университет
Россия

Медведева Наталья АлександровнА

Доцент кафедры физической химии химического факультета 

к.х.н.



Список литературы

1. Болдырев В.В., 2006. Механохимия и механическая активация твердых веществ. Успехи химии, Том 75, № 3, с. 203–216.

2. Галкин В.И., Растегаев А.В., Галкин С.В., 2001. Вероятностно-статистическая оценка нефтегазоностности локальных структур. Изд-во УРО РАН, Екатеринбург.

3. Гойло Э.А., Котов Н.В., Франк-Каменецкий В.А., 1966. Экспериментальное исследование влияния давления и температуры на кристаллические структуры каолинита, иллита и монтмориллонита. В сб. Физические методы исследования осадочных пород. Наука, Москва, с. 123–129.

4. Григорьев М.В., Молчунова Л.М., Буякова С.П., Кульков С.Н., 2013. Влияние механической обработки на структуру и свойства порошка нестехиометрического карбида титана. Известия высших учебных заведений. Физика, Том 56, № 7/2, с. 206–210.

5. Карасал Б.К., Сапелкина Т.В., 2012. Повышение адсорбционных свойств глинистых пород Тувы в зависимости от методов активации. Актуальные проблемы современной науки, № 5, с. 158–162.

6. Ничипоренко С.П., Круглицкий Н.Н., Панасевич А.А., Хилько В.В., 1974. Физико-химическая механика дисперсных минералов, под ред. Н.Н. Круглицкого. Наукова думка, Киев.

7. Осипов В.И., 2011. Нанопленки адсорбированной воды в глинах, механизм их образования и свойства. Геоэкология, № 4, с. 291–305.

8. Осипов В.И., Соколов В.Н., 2013. Глины и их свойства. Состав, строение и формирование свойств. ГЕОС, Москва.

9. Пушкарева Г.И., 2000. Влияние температурной обработки брусита на его сорбционные свойства. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, № 6, с. 90–93.

10. Сапронова Ж.А., Лесовик В.С., Гомес М.Ж., Шайхиева К.И., 2015. Сорбционные свойства УФ-активированных глин Ангольских месторождений. Вестник Казанского технологического университета, Том 18, № 1, с. 91–93.

11. Середин В.В., Растегаев А.В., Медведева Н.А., Паршина Т.Ю., 2017. Влияние давления на площадь активной поверхности частиц глинистых грунтов. Инженерная геология, № 3, с. 18–27.

12. Середин В.В., Федоров М.В., Лунегов И.В., Медведева Н.А., 2018. Закономерности изменения сил адгезии на поверхности частиц каолинитовой глины, подверженной сжатию. Инженерная геология, Том 13, № 3, с. 8–18, https://doi.org/10.25296/1993-5056-2018- 13-3-8-18.

13. Франк-Каменецкий В.А., Котов Н.В., Гойло Э.А., 1970. Изменение структуры глинистых минералов в различных термодинамических условиях. В сб. Рентгенография минерального сырья. Недра, Москва, № 7, с. 166–174.

14. Франк-Каменецкий В.А. (ред.), 1983. Рентгенография основных типов породообразующих минералов (слоистые и каркасные силикаты). Недра, Ленинград.

15. Шлыков В.Г., 2000. Использование структурных характеристик глинистых минералов для оценки физико-химических свойств дисперсных грунтов. Геоэкология, № 1, с. 43–52.

16. Шлыков В.Г., 2006. Рентгеновский анализ минерального состава дисперсных грунтов. ГЕОС, Москва.

17. Ata A., Rabinovich Y.I., Singh R.K., 2002. Role of surface roughness in capillary adhesion. Journal of Adhesion Science and Technology, Vol. 16, Issue 4, рр. 337–346, https://doi.org/10.1163/156856102760067145.

18. Biggs S., Cain R.G., Dagastine R.R., Page N.W., 2002. Direct measurements of the adhesion between a glass particle and a glass surface in a humid atmosphere. Journal of Adhesion Science and Technology, Vol. 16, Issue 7, pp. 869–885, https://doi.org/10.1163/ 156856102760136445.

19. Çolak A., Wormeester H., Zandvliet H.J.W., Poelsema B., 2012. Surface adhesion and its dependence on surface roughness and humidity measured with a flat tip. Applied Surface Science, Vol. 258, Issue 18, pp. 6938–6942, https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.03.138.

20. Ehrenberg S.N., Aagaard P., Wilson M.J., Fraser A.R., Duthie D.M.L., 1993. Depth-dependent transformation of kaolinite to dickite in sandstones of the Norwegian continental shelf. Clay Minerals, Vol. 28, Issue 3, pp. 325–352, https://doi.org/10.1180/claymin.1993.028.3.01.

21. Fritzsche J., Peuker U.A., 2015. Wetting and adhesive forces on rough surfaces — an experimental and theoretical study. Procedia Engineering, Vol. 102, pp. 45–53.

22. Galan E., Aparicio P., La Iglesia Á., 2006. The effect of pressure on order/disorder in kaolinite under wet and dry conditions. Clays and Clay Minerals, Vol. 54, No. 2, pp. 230–239, https://doi.org/10.1346/CCMN.2006.0540208.

23. Guo Y., Yu X., 2017. Characterizing the surface charge of clay minerals with Atomic Force Microscope (AFM). AIMS Materials Science, Vol. 4, No. 3, pp. 582–593, https://doi.org/10.3934/matersci.2017.3.582.

24. Jones R., Pollock H.M., Cleaver J.A.S., Hodges C.S., 2002. Adhesion forces between glass and silicon surfaces in air studied by AFM: effects of relative humidity, particle size, roughness, and surface treatment. Langmuir, Vol. 18, No. 21, pp. 8045–8055, https://doi.org/10.1021/la0259196.

25. Klaassen A., Liu F., Van den Ende D., Mugele F., Siretanu I., 2017. Impact of surface defects on the surface charge of gibbsite nanoparticles. Nanoscale, Vol. 9, No. 14, pp. 4721–4729, https://doi.org/10.1039/C6NR09491K.

26. Kossovskaya A.G., Shutov V.D., 1965. Facies of regional epi- and metagenesis. International Geology Review, Vol. 7, No. 7, pp. 1157–1167, https://doi.org/10.1080/00206816509474768.

27. Kumar N., Zhao C., Klaassen A., Van den Ende D., Mugele F., Siretanu I., 2016. Characterization of the surface charge distribution on kaolinite particles using high resolution atomic force microscopy. Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol. 175, pp. 100–112, https://doi.org/10.1016/j.gca.2015.12.003.

28. La Iglesia A., 1993. Pressure induced disorder in kaolinite. Clay Minerals, Vol. 28, Issue 2, pp. 311–319, https://doi.org/ 10.1180/claymin.1993.028.2.11.

29. Leite F.L., Ziemath E.C., Oliveira Jr. O.N., Herrmann P.S.P., 2005. Adhesion forces for mica and silicon oxide surfaces studied by atomic force spectroscopy (AFS). Microscopy and Microanalysis, Vol. 11, Issue S03, pp. 130–133, https://doi.org/10.1017/S1431927605051068.

30. Peng Zh., Chen S.H., 2011. Effects of surface roughness and film thickness on the adhesion of a bioinspired nanofilm. Physical Review E, Vol. 83, Issue 5, pp. 051915, https://doi.org/10.1103/PhysRevE.83.051915.

31. Persson B.N.J., Tosatti E., 2001. The effect of surface roughness on the adhesion of elastic solids. The Journal of Chemical Physics, Vol. 115, No. 12, pp. 5597–5610, https://doi.org/10.1063/1.1398300.

32. Range K.J., Range A., Weiss A., 1969. Fire-clay type kaolinite or fire-clay mineral? Experimental classification of kaolinite-halloysite minerals. Proceedings of International Clay Conference, Tokyo, Japan, 1969, Vol. 1, pp. 3–13.

33. Ruiz Cruz M.D., Andreo B., 1996. Genesis and transformation of dickite in Permo-Triassic sediments (Betic Cordilleras, Spain). Clay Minerals, Vol. 31, Issue 2, pp. 133–152, https://doi.org/10.1180/claymin.1996.031.2.01.

34. Seredin V.V., Khrulev A.S., 2016. Variations of temperature in specimens of rocks and geomaterials under failure. Journal of Mining Science, Vol. 52, No. 4, pp. 683–688, https://doi.org/10.1134/S1062739116041081

35. Seredin V.V., Rastegaev A.V., Galkin V.I., Isaeva G.A., Parshina T.Yu., 2018. Changes of energy potential on clay particle surfaces at high pressures. Applied Clay Science, Vol. 155, pp. 8–14, https://doi.org/10.1016/j.clay.2017.12.042.

36. Seredin V.V., Rastegayev A.V., Panova E.G., Medvedeva N.A., 2017. Changes in physical-chemical properties of clay under compression. International Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol. 4, Issue 3, pp. 22–29.

37. Tombacz E., Szekeres M., 2006. Surface charge heterogeneity of kaolinite in aqueous suspension in comparison with montmorillonite. Applied Clay Science, Vol. 34, Issue 1–4, pp. 105–124, https://doi.org/10.1016/j.clay.2006.05.009.

38. Zhou Z., Gunter W.D., 1992. The nature of the surface charge of kaolinite. Clays and Clay Minerals, Vol. 40, Issue 3, pp. 365–368, https://doi.org/10.1346/CCMN.1992.0400320.

39. Zhu X., Zhu Z., Lei X., Yan C., 2016. Defects in structure as the sources of the surface charges of kaolinite. Applied Clay Science, Vol. 124–125, pp. 127–136, https://doi.org/10.1016/j.clay.2016.01.033.


Дополнительные файлы

Для цитирования: Середин В.В., Лунегов И.В., Федоров М.В., Медведева Н.А. ИЗМЕНЕНИЕ СИЛ АДГЕЗИИ МОНТМОРИЛЛОНИТОВОЙ И КАОЛИНОВОЙ ГЛИН, ОБРАБОТАННЫХ СТРЕССОВЫМ ДАВЛЕНИЕМ. Инженерная геология. 2019;14(2):44-59. https://doi.org/10.25296/1993-5056-2019-14-2-44-59

For citation: Seredin V.V., Lunegov I.V., Fedorov M.V., Medvedeva N.A. CHANGES IN ADHESION FORCES OF MONTMORILLONITE AND KAOLIN CLAYS AT STRESS PRESSURES. Engineering Geology World. 2019;14(2):44-59. (In Russ.) https://doi.org/10.25296/1993-5056-2019-14-2-44-59

Просмотров: 17

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1993-5056 (Print)
ISSN 2587-8247 (Online)