logo
Главная История Структура Разработки Лаборатории Контакты

Лаборатория геологии техногенных процессов
Cотрудники Список публикаций Места работ
Максимович Н.Г., Блинов С.М. Защита подземных конструкций от агрессивных сред геохимическими методами // Механика грунтов и фундаментостроение: Тр. Рос.конф. по механике грунтов и фундаментостроению.-СПб.,1995.-Т.3.-С.414-419.

Защита подземных конструкций от агрессивных сред геохимическими методами

Н.Г. Максимович, С.М. Блинов

Одним из неблагоприятных факторов, ведущих к снижению прочностных характеристик или даже к разрушению подземных конструкций, являются агрессивные среды. Агрессивные среды имеют как естественное так и техногенное происхождение, связанное с попаданием в область контакта с сооружением различных ингредиентов в ходе производственной деятельности (проливы, утечки, искусственные грунты) [5]. Техногенные агрессивные среды формируются при изменении гидродинамических и геохимических параметров природных сред, например, при подтоплении засоленных грунтов, окислении пирита и.т.д. [4, 6]. Определенную роль могут играть микробиологические процессы [2]. Защита подземных конструкций как правило сводится к повышению их химической устойчивости с использованием технологических приемов - специальных добавок в бетоны, повышения их плотности, нанесения гидроизоляции на их поверхность. Эти способы нашли отражение в нормативных документах. Известны также случаи, когда производилась замена агрессивного грунта, снижался уровень подземных вод. Указанные способы существенно удорожат строительство и эксплуатацию сооружений. Большая часть из них неприменима в условиях действующих производств.
Практика борьбы с агрессивными средами указывает на необходимость разработки новых подходов к этой проблеме с учетом экономической и технологической целесообразности. Одним из методов является геохимическое воздействие на агрессивные среды. Такой подход был применен авторами на одном из объектов Губахинского ПО Метанол (Пермская область).
Инженерно-геологические условия площадки. Площадка расположена на склоне долины р. Косой (бассейн Камы). Здесь на алевролитах и углисто-глинистых сланцах карбона залегают элювиальные глины с дресвой и щебнем кварцевого алевролита, мощностью 0.5 - 17.0 м. Они перекрыты делювиальными глинами с включениями щебня и дресвы кварцевого песчаника и алевролита, мощностью 2.0 - 16.0 м.
При планировочных работах и формировании насыпей наряду с грунтом, перемещенным в пределах площадки, использовались породы отвалов угольных шахт Кизеловского бассейна. Грунты отвалов характеризуются высоким содержанием различных форм серы, достигающим 8.7 вес.%, при чем значительное ее количество входит в водорастворимые соединения. Содержание сульфатов по данным анализа водной вытяжки может достигать сотен грамм на килограмм грунта. В условиях земной поверхности породы выветриваются, что сопровождается снижением водородного показателя контактирующих с ними вод до 1 - 3.
В результате подтопления в насыпных грунтах, на отметках выше заложения фундаментов, сформировались агрессивные к бетону подземные воды. Режимные наблюдения, проводимые с 1984 г., показали тенденцию к увеличению сульфатной агрессивности вод. На ряде участков содержание сульфатов достигло 4.1 г/л, что превысило допустимые нормативные значения. Для подземных вод характерен следующий состав, г/л: НСО3 – 0.22; SO4 – 2.57; Сl – 0.115; Са – 0.414; Мg – 0.04; Na+K – 0.80; при значениях рН – от 6.6 до 7.9.
Состав вод формируется в результате взаимодействия их с породами шахтных отвалов, что подтверждено лабораторными экспериментами. Относительно высокие значения водородного показателя обусловлены нейтрализацией кислотности при взаимодействии с глинистыми грунтами и карбонатными щебнистыми включениями.
Вскрытие фундаментов и проведение работ по антикоррозийной защите в условиях действующего комплекса с непрерывным циклом практически невозможны. Водопонижение, замена грунтов, в существующих условиях неприемлемы или имеют высокую стоимость.
Известные методы снижения агрессивности сред. Практика снижения сульфатной и кислотной агрессивности среды сравнительно невелика. Изучалась возможность использования золы, получаемой при сжигании угля в качестве добавок к грунтам для нейтрализации кислотности и осаждения вредных компонентов. Положительные результаты получены при внесении щелочных добавок – извести, известняка, троны [7]. При наличии в грунтах сульфидов некоторые исследователи предлагают различные добавки для подавления их микробиологического окисления в тех случаях, когда оно является причиной появления сульфатной агрессивности [3]. Однако, эти процессы трудно управляемы.
Химические основы предлагаемого способа. Для осаждения сульфатов авторы предложили использовать растворимые соединения бария.
SO4 + Ва = ВаSO4 (барит)
Указанная реакция происходит практически мгновенно и не зависит от рН среды.В качестве реагента целесообразно применять гидроокись и хлорид бария.Хлорид бария имеет высокую растворимость в воде, что позволяет использовать концентрированные растворы.Растворимость гидроокиси бария на порядок ниже, однако при ее использовании нейтрализуется кислая реакция среды и в подземные воды не вносятся дополнительные компоненты.
Bа(OH) + НSO4 = ВаSO4 + 2НО
Образующийся барит довольно устойчив в экзогенных условиях и практически не разрушается при выветривания.Он не токсичен, используется в буровых растворах, может применяться как наполнитель бетона, а также в медицине при рентгеновском просвечивании пищевого тракта.
Результаты лабораторных и натурных работ. С целью определения возможности использования соединений бария для нейтрализации агрессивных сред и выявления оптимальных концентраций в лабораторных условиях, исследовались отобранные на площадке три вида грунта с различным содержанием серы. Через грунт, помещенный в специальную установку, фильтровались растворы хлорида и гидроокиси бария различной концентрации, а также дистиллированная вода. Профильтровавшийся раствор анализировался на содержание сульфат-иона и рН. Всего было проведено 29 серий опытов. Установлено, что при фильтрации через грунт дистиллированной воды в раствор переходит от 19 до 62 % от общего количества серы. На основании исследований рассчитано количество солей бария, необходимое для осаждения сульфат-иона. Установлено, что при обработке грунта можно осадить до 97 % подвижных форм серы.
Опытные работы проводились на двух участках. На первом, где подземные воды обладали средней сульфатной агрессивностью, пробурены 2 скважины диаметром 60 мм (рис.), в которые засыпано по 30 кг хлорида бария (ВаСl · 8НО) и произведен налив деминерализованной воды (10 л). В скважине, расположенной ниже по потоку грунтовых вод, велось наблюдение за составом воды. Через сутки после начала опытных работ содержание сульфатов в наблюдательной скважине снижается до нуля. Отмечается кратковременное увеличение содержания ионов хлора, появляются ионы бария. Через 14 суток в водах не обнаружено ионов Ва, сульфаты составляют 0.55 г/л, содержание иона хлора и минерализация принимают значения, близкие к исходным. В дальнейшем отмечалось закономерное понижение содержания сульфатов и минерализации. К концу четвертого месяца наблюдений концентрация сульфат-иона составляла 0.18 г/л, т.е. вода становится неагрессивной по отношению к бетону, состав ее сменился с сульфатно-кальциевого на хлоридно-кальциевый. Содержание хлоридов за весь период наблюдений было намного ниже значений, обуславливающих солевую агрессивность.
Опытный участок 1
Второй опытный участок включал две канавы для засыпки реагента и четыре наблюдательные скважины, расположенные ниже по потоку подземных вод (рис.). Данные анализов водных вытяжек показывают, что содержание сульфатов в грунтах изменяется в пределах 1.05-7.43 г/кг. Грунты классифицируются как агрессивные. Содержание сульфат-иона в подземных водах участка до проведения опытных работ составляло 1.09-1.52 г/л, минерализация – 2.81-3.42 г/л.
Опытный участок 2
Работы по снижению сульфатной агрессивности подземных вод проводились в два этапа. На первом этапе в канаву 1 было внесено 45 кг хлорида бария (ВаСl · 8Н О) По данным химического анализа во всех наблюдательных скважинах прослеживается тенденция к уменьшению содержания сульфат-иона, и к концу четвертого месяца наблюдений его концентрация не превышала 0.36 г/л. Содержание хлоридов изменяется от 0.01 до 1.08 г/л. Минерализация уменьшилась до 1.50-2.49 г/л.
На втором этапе для нейтрализации агрессивных свойств среды использовалась гидроокись бария (Ва(ОН) · 8НО). Через полтора года после начала опыта в канаву 2 было внесено 60 кг реагента. Среднее содержание сульфатов снизилось до 0.04 г/л. Наблюдалось снижение минерализации воды. На конечном этапе наблюдений она составляла 0.39-1.40 г/л (рис.).
Проведенные на участке опытные работы показали, что подземные воды, обладавшие средней и сильной сульфатной агрессивностью, становятся неагрессивными по отношению к бетону. Содержание хлоридов и рН на протяжении всего периода наблюдений остаются в норме .
В результате внесения реагентов существенно изменилась геохимическая активность грунтов. По результатам водной вытяжки, общее содержание растворимых солей в грунте на участке 2 уменьшилось в 2.5 раза и к концу наблюдений составляло 2.69 г/кг, содержание сульфатов уменьшилось в 3 раза и имело значение 1.30 г/кг. Содержание растворимых солей в 1 м от канавы с реагентом не превышает 0.07 г/кг. Для достижения положительного эффекта потребовалось 29 кг хлорида бария на 1 м3 грунта или 22 кг гидроокиси бария. Эти значения близки к расчетам, проведенным по лабораторным данным.
Побочные эффекты. Обработка массива растворимыми соединениями бария приводит к изменению минералогического состава и свойств грунтов.Со дна канавы, в которую засыпалась гидроокись бария, был отобран желтовато-белый осадок. Рентгенометрические исследования показали, что в состав осадка входит барит 24 %, кальцит 15 %, витерит 30 %, кварц 30 %, гипс. Грунт в стенках и нижней части канавы сцементирован.
Для уточнения состава осадка, выпадающего из подземных вод при взаимодействии с соединениями бария, была отобрана вода из скважины, расположенной рядом с участком 1, имеющая следующий состав, г/л: НСО3 – 0.23, SO4 – 4.08, Сl – 0.03, Са – 0.37, Мg – 0.04, Na+K – 1.51, NH4 – 0.03, Fe*** – 0.02; общая минерализация – 6.31, при рН – 5.65. В воду добавлялся избыток гидроокиси или хлорида бария. Выпавший при этом осадок собирался и исследовался рентгенографически. При использовании хлорида бария осадок состоял на 99 % из барита, при осаждении гидроокисью бария происходит образование барита (72 %) и витерита.
Известно, что при наличии в растворе сульфат-иона идет реакция обмена, поскольку растворимость барита намного меньше витерита [1]:
ВаСО3 + SO4 = ВаSO4 + СО3

Это следует рассматривать как положительный фактор, поскольку в случае поступления в обрабатываемый массив сульфат-ионов они будут осаждаться в соответствии с указанной реакцией.
Формирование барита, витерита, воздействие щелочного компонента на грунт ведет к существенному повышению его прочности. Заполнение пор снижает водопроницаемость грунта. Указанные побочные явления следует рассматривать как положительные, т.к. уменьшение водопроницаемости грунта и интенсивности водообмена снижает воздействие агрессивных вод на бетонные конструкции, а увеличение прочности грунта повышает надежность оснований сооружений.
Использование хлорида и гидроокиси бария не приводит к негативным изменениям состава подземных вод. В скважинах, расположенных в непосредственной близости от источника, ионы бария фиксируются только в первые моменты после начала обработки массива. При использовании хлорида бария концентрация иона хлора повышается только в начальной стадии, причем его содержание значительно ниже допускаемых значений. Не отмечено увеличения водородного показателя при использовании гидроокиси бария. Ионы бария не оказывают агрессивного воздействия на бетон.
Перспективы использования метода. В зависимости от конкретных инженерно-геологических условий и особенностей сооружений возможны различные пути реализации разработанного способа. При неглубоком залегании подземных вод, для введения в грунт реагентов можно использовать канавы, расположенные выше по потоку подземных вод от защищаемого сооружения.В случае их глубокого залегания возможна инъекционная обработка массива. При потенциальной опасности возникновения агрессивных сред реагент может вноситься в грунт в ходе строительства.
Таким образом, проведенные опытные работы показали высокую эффективность борьбы с агрессивными к строительным конструкциям средам на основе разрабатываемых нетрадиционных подходов — воздействием на агрессивные компоненты геохимическими методами.
ЛИТЕРАТУРА
  1. Busenberg E., Plummer L. The solubility of BaCOз (cr) (witherite) in CO - H O solutions between 0 and 90 C, evaluation of the association constants of BaHCOз+(aq). Geochim. et cosmochim. acta, 50, N 10, 1986, p. 2225-2233
  2. Bock E. Biologische Korrosion. Tiefbaw-Ingenienrbau - Strassenbau, N 5, 1984, p. 240-250
  3. Evangelou V.P., Grove J.H., Rawlings F.D. Rates of Iron Sulfide Oxidation in Coal Spoil Suspensions. J. of environmertal Quality, 14, N 1, 1985, p. 91-94
  4. Hawkins A.B., Pinches G.M. Cause and significance of heave at Llandough Hospital, Cardiff - a case history of ground floor heave due to gypsum growth. Quarterly Journal of Engineering Geology, 20, 1987, p. 41-57
  5. Maximovich N.G., Gorbunova K.A. Geochemical aspects of geological medium changes in coalfields Proc. 6th IAGE. Rotterdam, Balkema, 1990, p. 1457-1461.
  6. Rethati L. Geotechnical effects of changes in gronndwater level. Proc. 10th ICSMFE. Stockholm, Balkema, 1981, p.471-476
  7. Sandereggen J.L., Donovan I.I. Laboratory simulation of flu ash as an amenoment to pyritte - rich tailing. Ground water monitoring review: 4, N 3, 1984, p.75-80

назад