Исследование механизма агрегации частиц в глинистых грунтах при загрязнении их углеводородами

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Геология
Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

1408
¦ GEOLOGO-MINERALOGICAL SCIENCES ¦
УДК 624. 131
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА АГРЕГАЦИИ ЧАСТИЦ В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ ИХ УГЛЕВОДОРОДАМИ
Середин В. В., Ядзинская М. Р.
Пермский государственный национальный исследовательский университет, Пермь, e-mail: kafedra. ingeo@gmail. com
При разработке и эксплуатации нефтяных месторождений достаточно часто на земную поверхность проливается нефть, которая распространяется как вглубь, так и по поверхности грунтового массива. В результате этого процесса в поровом растворе грунта появляется техногенная компонента — нефть. Наличие этой новой компоненты ведет к изменению свойств грунтов, которые в свою очередь определяют несущую способность грунтового основания существующих зданий и сооружений. Многие вопросы изменения прочностных свойств грунтов, загрязненных углеводородами, изучены не достаточно полно, а результаты иногда противоречивы. Так, одним из основных факторов, определяющих свойства грунтов, является размер структурных элементов. Однако вопросы агрегирования частиц глинистых грунтов, загрязненных углеводородами, изучены достаточно слабо. Поэтому целью данной работы является исследование закономерностей агрегации частиц в глинистых грунтах, поровым раствором которых являются углеводороды и вода.
Ключевые слова: грунты, физико-механические свойства, инженерная геология, микроагрегатный состав глин
STUDY OF PARTICLES AGGREGATION MECHANISM IN CLAY SOILS HYDROCARBON POLLUTED
Seredin V.V., Yadzinskaya M.R.
Perm State National Research University, Perm, e-mail: georif@yandex. ru
The development and exploitation of oil fields often enough to the earth'-s surface oil spills, which applies to both inland and on the surface of the soil mass. As a result of this process in the soil pore solution appears a technological component — oil. The presence of this new component leads to a change in properties of soils, which in turn determine the bearing capacity of the subgrade of existing buildings and structures. Many questions changes in strength properties of soils contaminated with hydrocarbons, have not been studied adequately, and the results are sometimes contradictory. Thus, one of the main factors determining the properties of soils is the size of the structural elements. However, questions of particle aggregation clay soils contaminated with hydrocarbons studied quite poorly. The aim of this work is to study the laws of particle aggregation in clay soils, the pore solution which are hydrocarbons and water.
Keywords: soils, physical and mechanical properties, engineering geology, microaggregate composition of clays
При разработке и эксплуатации нефтяных месторождений достаточно часто на земную поверхность проливается нефть [3, 6], которая распространяется как по разрезу, так и по площади грунтового массива. В результате этого процесса в поровом растворе грунта появляется техногенная компонента — нефть. Наличие этой новой компоненты ведет к изменению свойств грунтов, которые в свою очередь определяют несущую способность грунтового основания существующих зданий и сооружений.
Исследованиями изменений физико-механических свойств грунтов при загрязнении их нефтью и нефтепродуктами занимались Н. Н. Бракоренко и Т. Я. Емельянова, А. П. Казёнников [2], Ю. Н. Копылов, Ю. А. Нефедьева [4], В В. Середин, М. Р. Ядзинская [9], Л. В. Шевченко, И. В. Ширшова и другие.
Многие вопросы изменения прочностных свойств грунтов, загрязненных углеводородами, изучены не достаточно полно, а результаты иногда противоречивы. Так, одним из основных факторов, определя-
ющих свойства грунтов, является размер структурных элементов. Однако вопросы агрегирования частиц глинистых грунтов, загрязненных углеводородами, изучены достаточно слабо. Поэтому целью данной работы является исследование закономерностей агрегации частиц в глинистых грунтах, поровым раствором которых являются углеводороды и вода.
Материалы и методы исследований
Все лабораторные исследования грунтов проходили на базе лаборатории грунтоведения при Пермском государственном национальном исследовательском университете.
Объект исследований: глина каолинитовая, суглинки и супеси. Для проведения испытаний в качестве поровой жидкости были выбраны вода дистиллированная и масло машинное.
Подготовка образцов производилась следующим образом: в сухой порошкообразный грунт, добавлялась дистиллированная вода (20%) и масло моторное марки «ЛУКОЙЛ-МОТО 2Т» (МГД-14м) в концентрациях 1,5- 2,5- 4,5 и 10%о. Затем полученная масса помещалась в эксикатор на 1 сутки. Далее определялся гранулометрический и микроагрегатный состав согласно методике ГОСТ 12 536–79.
¦ FUNDAMENTAL RESEARCH № 8, 2014 ¦
Масло моторное марки «ЛУКОЙЛ-МОТО 2Т» (МГД-14м) имеет следующие физико-химические характеристики:
— вязкость кинематическая при 100 °C — 13,515,5 мм2/с-
— индекс вязкости — 90-
— температура вспышки в открытом тигле — 215 °С-
— температура застывания — минус 15 °С-
— общая щелочность — 2,0 мг КОН/1 г-
— массовая доля сульфатной золы — 0,25% масс-
— моющие свойства по ПЗВ — 0,5 баллов. Результаты исследований приведены в табл. 1−3.
Таблица 1
Изменение микроагрегатного состава глины при загрязнении ее маслом моторным
Степень нефтяного загрязе-ния, % Содержание микроагрегатов в каждой фракции, %
Песок Итого песчаной фракции Пыль Итого пыле-ватой фракции Глина
1−0,5 0,5−0,25 0,25−0,1 0,1−0,05 0,05−0,01 0,01−0,005 & lt- 0,005
0,0 0,05 0,50 1,40 0,01 1,96 39,22 9,81 49,02 49,02
1,5 0,05 0,20 1,50 0,02 1,77 49,12 9,82 58,95 39,28
2,5 0,05 0,30 2,00 0,40 2,75 58,59 29,30 87,89 9,36
4,5 0,10 0,45 1,65 0,00 2,20 19,56 39,12 58,68 39,12
10,0 0,10 0,40 1,50 0,02 2,02 29,40 19,60 49,00 48,98
Таблица 2
Изменение микроагрегатного состава суглинка при загрязнении его маслом моторным
Степень нефтяного за-грязне-ния, % Содержание микроагрегатов в каждой фракции, %
Песок Итого песчаной фракции Пыль Итого пыле-ватой фракции Глина
1−0,5 0,5−0,25 0,25−0,1 0,1−0,05 0,05−0,01 0,01−0,005 & lt-0,005
0,0 1,13 4,76 11,53 0,01 17,44 16,51 43,03 49,54 33,02
1,5 2,43 6,80 5,76 0,01 15,04 22,66 22,66 45,32 39,64
2,5 2,66 11,06 16,13 0,03 29,90 42,08 40,00 42,08 28,02
4,5 1,56 5,63 6,83 0,01 14,04 40,12 11,46 51,58 34,38
10,0 2,90 6,40 6,23 0,01 15,54 39,42 5,63 45,05 39,41
Степень нефтяного загрязнения, % Содержание микроагрегатов в каждой фракции, %
Песок Итого песчаной фракции Пыль Итого пыле-ватой фракции Глина
1−0,5 0,5−0,25 0,25−0,1 0,1−0,05 0,05−0,01 0,01−0,005 & lt-0,005
0,0 0,675 9,825 24,05 0,01 34,56 52,36 6,54 58,90 6,54
1,5 0,675 7,5 19,325 0,02 27,52 47,13 18,13 65,25 7,23
2,5 16,875 9,4 21,125 0,01 47,41 21,04 23,67 44,71 7,88
4,5 25,95 0,45 9,4 0,00 35,80 6,42 54,57 60,99 3,21
10,0 11,05 7,275 13,9 0,02 32,25 44,05 16,94 61,00 6,76
Таблица 3
Изменение микроагрегатного состава супеси при загрязнении ее маслом моторным
¦ ОЕОШОО-МШЕКАШаГСАЬ БСШКСЕБ ¦
1410
Результаты исследований и их обсуждение
На рис. 1 приведен график изменения микроагрегатного состава глины при загрязнении ее маслом моторным. Из рис. 1 видно, что при увеличении в поровой жидкости грунта масла моторного (УВ) до 2,5% наблюдается уменьшение содержания глинистой фракции. Это можно объяснить коагуляцией глинистых частиц, при увеличении же содержания УВ в грунте более 2,5% содержание глинистой фракции увеличивается, что обусловлено, вероятно, процессом диспергации.
Изменение содержания в глинах пы-леватой фракции не связано с процессами диспергации и агрегации, а обусловлено изменением содержания в грунтах глинистой фракции. Так, при концентрации УВ в глинах до 2,5% содержание глинистой фракции в грунте падает на 39,66% (от 49,02 до 9,36%), а пылеватой соответственно возрастает на 38,87% (от 49,02 до 87,89%). Содержание песчаной фракции не изменяется. Таким образом, при загрязнении глин углеводородами процессам диспер-гации и агрегации подвержена в основном глинистая фракция.
Рис. 1. Изменение микроагрегатного состава глин при загрязнении их маслом моторным.
На рис. 2 представлены данные по изменению микроагрегатного состава суглинка при загрязнении его маслом моторным. Из рис. 2 видно, что при увеличении масла моторного (УВ) до 2,5% в поровой жидкости грунта наблюдается
коагуляция частиц глинистой и пылеватой фракций, при увеличении же содержания УВ более 2,5%, наоборот, протекает процесс диспергации, о чем свидетельствует изменение содержания этих фракций в грунтах.
Рис. 2. Изменение микроагрегатного состава слева — суглинка, справа — супеси при загрязнении маслом моторным
Изменение содержания песчаной фракции обусловлено изменениями содержания глинистой и пылеватой фракций. Так, при концентрации УВ в суглинках до 2,5% со-
держание глинистой и пылеватой фракций в грунте снижается на 12,46%, а песчаной соответственно возрастает также на 12,46%. Таким образом, при загрязнении
¦ ЕШБАМЕШАЬ КЕБЕАЯСИ № 8, 2014 ¦
суглинков углеводородами процессами дис-пергации и агрегации затронуты в основном глинистая и пылеватая фракции.
Из рис. 2 видно, что при увеличении масла моторного (УВ) до 2,5% наблюдается коагуляция частиц пылеватой фракций, при увеличении же содержания УВ более 2,5%, наоборот, протекает процесс диспергации, о чем свидетельствует изменение содержания этой фракции в грунтах.
Изменение содержания в супесях песчаной фракции обусловлено изменением содержания в грунтах пылеватой фракции. Так при концентрации УВ в супесях до 2,5% содержание пылеватой фракции падает на 14,20%, а песчаной соответственно возрастает на 12,85%. Содержание глини-
Изменение агрегатного состава грунтов влечет за собой изменение их свойств. Таким образом, при загрязнении грунтов углеводородами следует ожидать наибольшего изменения физико-механических свойств в глинах.
Механизм агрегации и диспергации частиц глинистых грунтов
Поровая жидкость — электролит и углеводороды. Механизм агрегации основан на электростатическом взаимодействии между частицами. Процесс агрегации протекает следующим образом. На поверхности глинистой частицы (коллоида) формируется некомпенсированный отрицательный заряд. При увлажнении глины до максимальной гигроскопической влажности вокруг частицы формируется слой прочносвязанной воды.
Этот слой компенсирует часть отрицательного заряда частицы, поэтому его поверхность также заряжена отрицательно. При добавлении в грунт углеводородов в поровом растворе породы активизируются природные (биогенные) поверхностно активные вещества (ПАВ) и техногенные (ПАВ масла машинного). Молекула ПАВ состоит из полярной (голова) и неполярной (хвост) частей. Полярная часть молекулы гидрофильная, а неполярная гидрофобная и представлена углеводородными соединениями. ПАВ, как и все вещества в зависимости от способности к диссоциации, делятся на электролиты (ионогенные ПАВ) и неэлектролиты (неионогенные ПАВ). Ионогенные ПАВ подразделяются на катионоактивные,
стой фракции изменяется незначительно, на 1,30%. Таким образом, при загрязнении супеси углеводородами процессам диспер-гации и агрегации подвержена в основном пылеватая фракция.
В табл. 4 приведены данные по влиянию углеводородов на агрегированность частиц в грунтах. Из табл. 4 видно, что в глинах агрегированию подвержена в основном глинистая фракция, в суглинках глинистая и пылеватая, а в супесях пылеватая. При этом наиболее интенсивно процессы агрегации протекают в глинах. Это обусловлено, вероятно, величиной энергий на поверхности частиц, глины имеют наибольшую энергию по сравнению с суглинками и супесями.
анионоактивные и амфотерные. Отсюда полярная часть молекулы может быть заряжена как положительно, так и отрицательно.
В водной среде молекула ПАВ ориентируется таким образом, что гидрофобная часть стремится расположиться вне водной фазы (в углеводородах), а полярные части (голова) обращены в сторону водной среды.
Таким образом, поверхности «капли» УВ со слоем ПАВ и минеральной глинистой частицы имеют некомпенсированные заряды как отрицательные, так и положительные. Поэтому при незначительном содержании УВ в грунтах (до пороговых, равных 2,5%), молекула ПАВ с положительно заряженной «головой» компенсирует заряд глинистой частицы, и при полной компенсации энергии происходит слипание частиц грунта, то есть грунт агрегирует (рис. 3).
При увеличении УВ в поровом растворе глин выше пороговых значений (больше 2,5%) включаются в работу ПАВ, имеющие отрицательный заряд «головы». Они нейтрализуют положительный заряд «голов» ПАВ, окружающих глинистую частицу. После чего на поверхности глинистой частицы вновь появляется отрицательный заряд, что влечет за собой диспергацию частиц.
Выводы
1. Экспериментально установлено, при загрязнении глинистых грунтов (глин, суглинка и супеси) маслом машинным до 2,5% в них протекают процессы коагуляции, а при увеличении загрязнения — диспергации.
Таблица 4
Степень агрегации частиц
Номенклатура грунта Глина Суглинок Супесь
Фракция глинистая пылеватая глинистая пылеватая глинистая пылеватая
Степень агрегации, % 39,60 — 5,02 7,50 1,20 14,20
1412
¦ ОЕОШаО-МШЕКАШаГСАЪ БСТЕКСЕБ ¦
Слой прочно-связанной воды
Рис. 3. Механизм коагуляции частиц в глинистых грунтах, поровым раствором которых
являются углеводороды и вода.
2. Наиболее интенсивно процессы агрегации протекают в глинах, поэтому при загрязнении глин углеводородами следует ожидать в них значительных изменений физико-механических свойств.
3. В грунтах, загрязненных углеводородами, агрегация частиц связана, вероятно, с наличием поверхностно-активных веществ в поровом растворе, которые влияют на энергию поверхности частиц, а она (величина энергии) в свою очередь определяет процессы коагуляции и диспергации.
Список литературы
1. Бракоренко Н. Н., Емельянова Т. Я. Влияние нефтепродуктов на петрографический состав и физико-механические свойства песчано-глинистых грунтов (на примере г. Томска) // Вестник Томского государственного университета. — 2011. — № 342. — С. 197−200.
2. Казенников А. П. Исследование физико-механических свойств грунтов, загрязненных нефтепродуктами // Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России: материалы Международной научно-практической конференции. — М.: МГУП, 2009.
3. Лейбович Л. О., Середин В. В., Пушкарева М. В., Чиркова А. А., Копылов И. С. Экологическая оценка территорий месторождений углеводородного сырья для определения возможности размещения объектов нефтедобычи. Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. — 2012. — № 12. — С. 13−16.
4. Нефедьева Ю. А. Роль трансформации нефтяного загрязнения в изменении свойств грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания: автореф. дис. … канд. геол. -минер. наук. — МГУ, 2010.
5. Осипов В. И., Соколов В. Н., Румянцева Н. А. Микроструктура глинистых пород — М.: Недра, 1989. — 211 с.
6. Середин В. В. Санация территорий, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. — 2000. — № 6. — С. 525.
7. Середин В. В., Андрианов А. В. К вопросу о методике определения прочностных характеристик грунтов // Современные проблемы науки и образования. — 2013. — № 6. — С. 946
8. Середин В. В., Каченов В. И., Ситева О. С., Пагла-зова Д. Н. Изучение закономерностей коагуляции глинистых частиц // Фундаментальные исследования. — 2013. -№ 10−14. — С. 3189−3193.
9. Середин В. В., Ядзинская М. Р. Закономерности изменений прочностных свойств глинистых грунтов, загрязненных нефтепродуктами // Инженерная геология. — 2014. -№ 2. — С. 26−33.
10. Середин В. В., Андрианов А. В. К вопросу о методике определения прочностных характеристик грунтов. Современные проблемы науки и образования. — 2013. — № 6. — С. 946
References
1. Вгакогепко ЕшеНапоуа Т. 1а. УШаше пей-ергоЛ^Йоу па petrograficheskii 8ов1ау i fiziko-mehanicheskie 8Уо1§ 1уа peschano-glinistykh gruntov (па рптеге g. Тотвка) // УевШеук Tomskogo gosudarstvennogo ип^еге^а. 2011. по. 342. рр. 197 200.
2. Kazennikov А.Р. Issledovanie fiziko-mehanicheskikh svoistv gruntov, zagriaznennykh nefteproduktami // Materialy Mezhdunarodnoi паш^по-ргаШЛев^ konferentcii «Яо1 me-1ioratcii v оЬевреЛепп prodovo1stvennoi i е^^^ев^ bezo-равповй Яовви». М.: МОИР, 2009.
3. Leibovich Ь.О., Seredin У.У., Pushkareva М.У., СЫГ-kova А.А., Kopy1ov 1.8. Eko1ogicheskaia ocenka territorii mesto-rozhdenii ug1evodorodnogo syria d1ia oprede1eniia vozmozhnosti razmeshcheniia obektov neftedobychi. Zashchita okruzhaiushchei й^у v neftegazovom komp1ekse. 2012. по. 12. рр. 13−16.
4. Nefedeva Ш. А. Яо1 transformatcii neftianogo zagriazne-niia v izmenenii svoistv gruntov s1oev sezonnogo ottaivaniia i sezonnogo promerzaniia: avtoreferat па soiskanie uchenoi ste-peni k.g. -m.n. МОИ, 2010.
5. Osipov У.1., Soko1ov УЖ, Rumiantceva N.A. Mikros-truktura g1inistykh porod. M. :Nedra, 1989. 211 р.
6. Seredin У.У. Sanatciia territorii, zagriaznennykh neftiu i nefteproduktami. Оеое^^иа, inzhenernaia geo1ogiia, gidro-geo1ogiia, geokrio1ogiia. 2000. по. 6. рр. 525.
7. Seredin У.У., Andrianov А.У. К voprosu о metodike oprede1eniia prochnostnykh harakteristik gruntov // Sovremen-nye prob1emy nauki i obrazovaniia. 2013. по. 6. рр. 946.
8. У.У., Kachenov У.1., Siteva О.8., Pag1azova D.N.Леше zakonomernostei koagu1iatcii g1inistykh chastitc. // Fundamenta1nye iss1edovaniia. 2013. по. 10−14. рр. 3189−3193.
9. Seredin У.У., Iadzinskaia M.R. Zakonomernosti izmen-епп prochnostnykh svoistv g1inistykh gruntov, zagriaznennykh nefteproduktami. Inzhenernaia geo1ogiia. 2014. по. 2. рр. 26−33.
10. Seredin У.У., Andrianov А. У. К voprosu о metodike oprede1eniia prochnostnykh harakteristik gruntov. Sovremennye prob1emy nauki i obrazovaniia. 2013. по. 6. рр. 946.
Рецензенты:
Ибламинов Р. Г., д.г. -м.н., заведующий кафедрой минералогии и петрографии Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь-
Осовецкий Б. М., д.г. -м.н., профессор, заслуженный деятель науки РФ, профессор кафедры минералогии и петрографии Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.
Работа поступила в редакцию 28. 07. 2014.
¦ FUNDAMENTAL RESEARCH № 8, 2014 ¦

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой