Physicochemical mechanics of disperse porous materials as a new approach to assessing mechanical stability of clay soils

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Data are presented on the discrepancy between theoretical calculations and experimental results on assessing the strength of fine dispersed bodies including clay soils. Physicochemical processes operating on the surface of dispersed particles are considered upon interaction of latter with water and the formation of adsorbed water films producing disjoining pressure. The presence of films exerting the disjoining effect controls the development of various types of contacts between soil particles in the course of lithogenesis, i. e., coagulational, transitional, and phase contacts. These contacts are the most important factors influencing the behavior of clay soils. The study dwells on the effect of contact types on the state, deformability and stability of clay soils under external impact. It is concluded that the assessment of clay behavior should be based on physicochemical mechanics, patterns of contact interactions in fine-grained soils, and statistical analysis of experimentally obtained parameters of the mechanical properties of clays.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. I. Osipov

Sergeev Institute of Environmental Geoscience, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: osipov@geoenv.ru
Russian Federation, Ulanskii per. 13, str.2, Moscow, 101000

V. N. Sokolov

Lomonosov Moscow State University

Email: sokolov@geol.msu.ru

Geological Faculty

Russian Federation, Leninskie Gory 1, Moscow, 119991

F. S. Karpenko

Sergeev Institute of Environmental Geoscience, Russian Academy of Sciences

Email: kafs08@bk.ru
Russian Federation, Ulanskii per. 13, str.2, Moscow, 101000

References

  1. [Water in dispersed systems]. Deryagin, B.V., Churaev, N.V., Ovcharenko, N.V. et al., Eds. Moscow, Khimiya Publ., 1989, 288 p. (in Russian)
  2. Deryagin, B.V. [Theory of stability of colloids and thin films]. Moscow, Nauka Publ., 1986, 205 p. (in Russian)
  3. Deryagin, B.V., Kusakov, M.M. [Properties of thin liquid layers]. Izv. AN SSSR, ser. khim., 1936, no. 5, pp. 741–753. (in Russian)
  4. Deryagin, B.V., Obukhov, E.V. [Anomalous properties of thin layers of liquid. Ultramicroscopic studies of lyospheres (solvation envelopes) and the elementary act of swelling]. Kolloidnyi zhurnal, 1935, vol. 1, issue 5, pp. 385–398. (in Russian)
  5. Deryagin, B.V., Churaev, N.V. [Disjoining pressure isotherm of water films on the quartz surface]. Dokl. AN SSSR, 1972, vol. 207, no. 3, pp. 572–575. (in Russian)
  6. Deryagin, B.V., Churaev, N.V. [Wetting films]. Moscow, Nauka Publ., 1984, 137 p. (in Russian)
  7. Zorin, Z.M., Sobolev, V.D., Churaev, N.V. [Changes in capillary pressure, surface tension and liquid viscosity in quartz microcapillaries]. In: [Surface forces in thin films and dispersed systems]. Moscow, Nauka Publ., 1972, pp. 214–221. (in Russian)
  8. Karpenko, F.S. [Physicochemical nature of the clay soil strength]. Geoekologiya, 2019, no. 5, pp. 48–60. (in Russian)
  9. Karpenko, F.S., Kutergin, V.N., Kal’bergenov, R.G. [Disjoining effect of hydrate films on the strength properties of clay soils]. Geoekologiya, 2018, no. 4. pp. 68–74. (in Russian)
  10. Kvilidze, V.I., Krasnushkin, A.V., Zlochevskaya, R.I. [Properties of surface films and layers of water]. In: [Surface films of water in dispersed structures]. Moscow, MGU Publ., 1988, pp. 48–67. (in Russian)
  11. Krasnushkin, A.V., Kvilidze, V.I., Yadynina, I.V. [On the issue of bound water dissolvability]. In: [Bound water in dispersed systems]. Moscow, MGU Publ., 1980, no. 5, pp. 99–104. (in Russian)
  12. Lomtadze, V.D. [Changes in the composition, structure, density and cohesion of clays during their compaction with heavy loads]. In: [Proc. Laboratory for Hydrogeological Problems, the USSR Academy of Sciences]. 1955, vol. 12. (in Russian)
  13. Osipov, V.I. [Nanofilms of adsorbed water in clays, mechanism of their formation and properties]. Geoekologiya, 2011, no. 4. pp. 291–305. (in Russian)
  14. Osipov, V.I. [Physicochemical theory of effective stresses in soils]. Moscow, IFZ RAN Publ., 2012, 72 p. (in Russian)
  15. Osipov, V.I., Karpenko, F.S., Rumyantseva, N.A. [Active porosity and its influence on the physicochemical properties of clay soils]. Geoekologiya, 2014, no. 3, pp. 262–269. (in Russian)
  16. Osipov, V.I., Sokolov, V.N. [Clays and their properties]. Moscow, GEOS Publ., 2013. 575 p. (in Russian)
  17. Osipov, V.I., Sokolov, V.N., Rumyantseva, N.A. [Microstructure of clay soils]. Moscow, Nedra Publ., 1979, 211 p. (in Russian)
  18. [Surface films of water in dispersed structures]. Shchukin, E.D., Ed., Moscow, MGU Publ., 1988, 279 p. (in Russian)
  19. Rebinder, P.A. [Physicochemical mechanics]. Moscow, Znanie Publ., 1958, 64 p. (in Russian)
  20. Rebinder, P.A. [Physicochemical mechanics of dispersed structures]. In: [Collection of articles “Physicochemical mechanics of dispersed structures”]. Moscow, Nauka Publ., 1966, pp. 3–16. (in Russian)
  21. [Bound water in dispersed systems]. Moscow, MGU Publ., 1977, vol. 4. (in Russian)
  22. Sergeev, E.M. [On the issue of mechanical strength of dispersed soils]. Uchenye zapiski MGU, 1949, no. 10. (in Russian)
  23. Sokolov, V.N. [Physicochemical aspects of mechanical behavior of clay soils]. Inzhenernaya geologiya, 1985, no. 4, pp. 28–41. (in Russian)
  24. Sokolov, V.N. [Models of microstructures of clay soils]. Inzhenernaya geologiya, 1991, no. 6, pp. 32–40. (in Russian)
  25. Sokolov, V.N., Osipov, V.I. [The influence of various categories of bound water on the strength of clays]. In: [Bound water in dispersed systems]. Moscow, MGU Publ., 1977, issue 4, pp. 4–15. (in Russian)
  26. Filatov, M.M. [Fundamentals of road construction]. Moscow-Leningrad, Gosstroyizdat Publ., 1936, 538 p. (in Russian)
  27. [Physicochemical mechanics of natural dispersed systems]. Shchukin, E.D., Pertsev N.V., Osipov, V.I., Zlochevskaya, R.I., Eds. Moscow, MGU Publ., 1985, 263 p. (in Russian)
  28. Shchukin, E.D., Pertsev, A.V., Amelina, E.A. [Colloidal chemistry]. Moscow, MGU Publ., 1982, 352 p. (in Russian)
  29. Yaminskii, V.V., Pchelin, V.A., Amelina, E.A., Shchukin, E.D. [Coagulation contacts in dispersed systems]. Moscow, Khimiya Publ., 1982, 185 p. (in Russian)
  30. Fukue, M., Minato, T., Taya, N., Chida, T. Thickness of adsorbed water layers for clay particles. Clay science for Engineering, Adachi, Fukue, Eds., 2001, Rotterdam, Balkama Publ.
  31. Ravina, J., Low, P.F. Relation between swelling, water properties and b-dimension in montmorillonite – water systems. Clays and clay minerals, 1972, vol. 20. https://doi.org/10.1346/CCMN.1972.0200302
  32. Read, A.D., Kitchiner, J.A. Wetting films of silica. J. Colloid and Interface Sci., 1969, vol. 30, no. 3, pp. 391–398.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Shear diagram constructed in accordance with the Mohr-Coulomb theory for sandy soil (a) and obtained from experimental data for clays (b, red line).

Download (21KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Film of adsorbed water in clays: 1 – mineral surface, 2 – film of adsorbed water, 3 – pore space filled with free water.

Download (18KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Structure of the film of adsorbed water on the surface of clay mineral particles: 1 – mineral surface, 2 – structurally oriented adsorbed water, 3 – diffuse adsorbed water.

Download (10KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of the relative viscosity of water (dashed line) and non-polar liquid CCl4 (solid line) on the radius of quartz capillaries [7].

Download (9KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependence of the film thickness (h) of adsorbed water: a – on quartz on temperature [6]; b – of unfrozen water on temperature (T, °K), on the surface of Ca-kaolinite (1) and Na-montmorillonite (2) [3].

Download (18KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Formation of repulsive forces between solid particles during overlapping of adsorbed water films: 1 – film overlap zone (wedging pressure), 2 – adsorbed water, 3 – particle.

Download (9KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Bubble method for obtaining the isotherm of the wedging pressure of a hydrate film of bound water: 1 – solid, 2 – adsorbed water, 3 – free water, 4 – air bubble.

Download (12KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Integral isotherm of film wedging pressure [3].

Download (7KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Types of contacts: coagulation (a), mixed (b) and phase (c). 1, 2 – particles, 3 – film of adsorbed water. Contact areas: ac(C) – coagulation, ac(S) – phase.

Download (74KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».