Полезная и зловредная влага

Уже в глубокой древности люди обратили внимание на способность глины легко меситься в руках, а при высыхании на воздухе становиться твердой, сохраняя приданную ей форму.

В Институте археологии АН СССР были исследованы глиняные сосуды из неолитических стоянок (6—7 тыс. лет назад). Ученые установили, что в те далекие времена посуда делалась из смеси птичьего помета или навоза с глиной. Такие сосуды оказались очень прочными  и  не боялись температуры 900 градусов. Эти изделия сначала не обжигались, как это делалось позднее.

Ряд древних народов изготавливал также плетеные сосуды, обмазанные глиной. Это искусство до сих пор известно некоторым племенам Южной Америки и Африки.

Минули многие сотни и, может быть, тысячи лет, пока какая-то фигурка или глиняный сосуд не оказались случайно в костре. Тогда люди поняли, что побывавшая в огне глина приобретает новые качества. Она становится более прочной, не размокает в воде и изменяет цвет. Так, примерно 6—8 тыс. лет назад появилась первая керамика. Можно предположить, что этот век «керамических изделий» предшествовал веку металла (обработка меди началась около 7 тыс. лет назад).

Высокого искусства изготовления из глины керамической посуды достигли древние египтяне, жители Вавилона, ассирийцы, а позднее греки и многие другие народы ушедших цивилизаций. Во времена фараонов в Египте большую группу ремесленников составляли гончары.

В Южном Междуречье (район рек Тигр и Евфрат) из глины делали ведра, ящики, трубы и кирпичи. Хетты (народ, живший в районе Междуречья в XVIII—ХП вв. до н.э.) были создателями первых книг — глиняных табличек, которые затем высушивали на солнце или слегка обжигали.  Эти таблички были «вечными».

При раскопках древней столицы Ассирии — г. Ниневии археологи обнаружили богатейшую библиотеку, содержащую более 200 тыс. глиняных табличек. Она оказалась поистине сокровищем, раскрывшим многие тайны далеких тысячелетий.

Так глинистый грунт помог в развитии и совершенствовании культуры древних народов.

В современном мире использование глин получило необычайно широкое распространение. На толщах из глины возводят здания и сооружения, из нее изготавливаются красный кирпич, канализационные и дренажные трубы, посуда, изоляторы и много других вещей. Во всем этом многообразии изделий из глинистых грунтов широко используется их способность изменять свои свойства при увлажнений.

Исследования ученых показали, что по мере увеличения содержания влаги глинистый грунт переходит из одного состояния (консистенции) в другое. Если влаги мало, то глина сухая и твердая. Теперь начнем постепенно увеличивать влажность грунта. Когда ее величина достигнет «нижнего предела пластичности» (или «границы раскатывания»), глина перейдет в новое состояние пластичной консистенции. Она будет легко меситься, изменять и сохранять приданную ей при сжатии форму. Достижение этого состояния необходимо для формования кирпичей, гончарных труб, черепиц и других изделий. Величина влажности, соответствующая этому пределу (обозначаемому wp), колеблется для различных глинистых грунтов от 8 до 40 %.

Грунтоведам удалось установить, что столь значительные колебания влажности, соответствующей переходу грунта в пластичное состояние, определяются многими факторами. Главными из них являются химический и минеральный состав и содержание тонких глинистых частиц (менее 0,002 мм).

Если мы продолжим увеличение влажности и дальше, то можем достигнуть верхнего предела пластичности (или границы текучести), при котором глина теряет свою прочность и начинает течь. Из грунта с влажностью выше этого предела (обозначаемого wL) ничего сформовать не удается. Строить на такой глине опасно: она будет выдавливаться из-под фундамента, и здания на ней будут оседать. Ученые говорят, что она в этом случае превращается в слабый, водонасыщенный грунт.

Эта граница перехода из пластичной в текучую консистенцию зависит еще в большей степени, чем граница раскатывания, от химических и минералогических особенностей глин, а также от содержания тонких частиц.

Знание влажностей, соответствующих этим пределам, дало неожиданный побочный эффект. Было обнаружено, что разность их значений (wL — wp) позволяет определить наименование глинистого грунта. Ее величину назвали числом пластичности. Если она меньше единицы — грунт песчаный, от 1 до 7 — грунт называют супесью. Другой тип глинистого грунта — суглинок имеет число пластичности от 7 до 17. Наконец, для глины оно превосходит 17. Мы уже встречались с этими названиями грунтов, но тогда они их получили по содержанию глинистых частиц  (размером меньше 0,002 мм).

Один ли это грунт, скажем «суглинок», по числу пластичности и содержанию глинистых частиц? Оказывается, да. При значении числа пластичности 10 суглинок и содержит 12—14 % глинистых частиц.

Способностью к переходу в пластичное состояние обладают многие вещества — воск, стекло, металлы, мед, битум и т. д., но причины перехода всех этих веществ различны. Здесь и температуры, и давление, и химические воздействия. В глинах же переход в пластичное состояние связан с присутствием в них соответствующего числа тонких частиц, покрытых микроскопическими пленками воды.

Еще в 20-х годах нашего века ученый А. Ф. Лебедев обнаружил, что вода в грунтах может находиться в разных видах. Если влаги мало, то она образует тончайшие (в несколько молекул) пленки вокруг частиц. Такая вода была названа прочносвязанной. По мере возрастания влажности толщина пленки увеличивается, связи у молекул воды с поверностью частиц ослабевают и влага становится рыхлосвязанной.

Мы уже говорили о коагуляционной структуре глинистых грунтов. Она и определяется существованием этой пленочной влаги.

Будем продолжать насыщение грунта водой. Тогда в уголках между частицами появится капиллярная вода (о ней мы упоминали, когда шел разговор о песках). Если и дальше продолжать увлажнение, то водой начнут заполняться поры грунта. Так возникнет свободная вода, способная двигаться по порам под действием силы тяжести. Таким образом пластичное состояние грунта возникает после появления рыхлосвязанной воды, которая как бы смазывает частицы, позволяя им скользить относительно друг друга.

После появления первых признаков присутствия свободной воды связи между частицами оказываются нарушенными, капиллярная влага приобретает пологие мениски, и структура грунта нарушается. В этот момент и возникает текучесть глин.

А если грунт насыщать не водой, а керосином, бензином, спиртом или какой-либо другой жидкостью? В этом случае глинистые грунты не образуют пластичного тела. Это связано с различными физико-химическими  особенностями воды и других жидкостей.

Если высушивать на воздухе мокрую глину, то произойдет обратный процесс. Сначала исчезнет свободная, затем капиллярная и, наконец, останется только прочносвязанная вода. В этом случае говорят, что грунт имеет гигроскопическую влажность.

Дальнейшее высушивание глины в сушильном шкафу приведет к исчезновению прочносвязанной воды. Если повысить температуру нагрева до 120°С и более, то начнут разрушаться кристаллические решетки глинистых минералов. При высоких температурах между частицами возникнет явление «спекания». Глинистый грунт настолько изменит свой минеральный состав, что образуется новое вещество, не размокающее в воде. Его примером могут служить керамические изделия и кирпич.