Свойства всех разновидностей грунтов, особенно песчаных, пылеватых и глинистых, самым существенным образом зависят от состава и содержания в них воды. Можно выделить следующие состояния воды в грунте: кристаллизационная (химически связанная), связанная и свободная.
Кристаллизационная вода принимает участие в строении кристаллических решеток минералов и находится внутри частиц грунта. Удаление ее путем длительного нагревания грунта может привести к разложению минералов и значительному изменению свойств грунта.
Вода, заполняющая поры грунта («поровая вода»), может растворять содержащиеся в нем соли и всегда является химическим раствором обычно слабой концентрации. При этом происходит обмен ионов с переходом ионов водорода в раствор. В результате на поверхности тонкодисперсных (глинистых) частиц возникает отрицательный электрический заряд, а вокруг самих частиц образуется электрическое поле.
Рисунок 3 – Схема взаимодействия частиц с водой:
I - твердая частица; II – прочно- связанная вода;
III – рыхло связанная вода; IV – свободная вода;
1 – частица; 2 – катион; 3 – анион; 4 – молекула воды
Молекулы воды в целом электронейтральны, но, поскольку атомы водорода и кислорода расположены в них несимметрично, они представляют собой слабые диполи, один конец которых соответствует положительному, а другой – отрицательному заряду. Электрическое поле поверхности частиц притягивает катионы грунтового раствора, образуя диффузные оболочки.
Электромолекулярные удельные силы взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды у самой поверхности составляют около 1000 МПа. По мере удаления от этой поверхности удельные силы взаимодействия быстро убывают и на некотором расстоянии уменьшаются до нуля.
Вне пределов, ограниченных этим расстоянием, вода обладает свойствами, присущими ей в открытых сосудах, и ее молекулы не притягиваются к поверхности твердой частицы. Эту воду принято называть свободной. Она свободна от сил взаимодействия с твердыми частицами. Свободной является вода гравитационная (перемещающаяся под действием силы тяжести) и капиллярная.
Вода, адсорбированная на поверхности твердых частиц, называется связанной – она связана с твердыми частицами. Эта вода создает гидратные пленки вокруг твердых частиц, и ее часто называют пленочной водой. Поскольку в пределах слоя адсорбированной воды удельные силы изменяются от очень больших величин до нуля, его принято делить на два слоя: прочно связанной и рыхло связанной воды.
Прочно связанная вода,слой которой состоит из одного или нескольких слоев молекул, обладает свойствами, существенно отличающимися от свойств свободной воды. Прочно связанная вода не отделяется от твердых частиц даже при воздействии сил, в десятки раз превышающих силы земного притяжения. Она замерзает при температуре значительно ниже 0 оС, имеет большую, чем свободная вода, плотность, обладает ползучестью4 такую воду можно отделить от твердых частиц лишь выпариванием при температуре выше 100 оС.
Рыхло связанная водапредставляет собой диффузный переходный слой от прочно связанной воды к свободной. Она обладает свойствами прочно связанной воды, но эти свойства выражены слабее. Это обусловлено резким уменьшением в ее слое удельных сил взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды.