CC BY
132
УДК 55 (075)
Э. И. Мулюков (д.т.н., проф.)
Классификация видов воды в приповерхностном слое земной коры и агрессивность подземных вод
Уфимский государственный нефтяной технический университет кафедра «Автомобильные дороги и технология строительного производства»
450080, г. Уфа, ул. Менделеева, 195; тел. (347) 2282400, e-mail: urm_nat@list.ru
E. I. Mulyukov
Classifying of kinds of water in the near-surface layer of the Earth crust and aggressive properties of underground water
Ufa State Petroleum Technical University 195, Mendeleeva Str, 450080, Ufa, Russia; ph. (347) 2282400, e-mail: urm_nat@list.ru
В статье рассматриваются классификации видов воды, разработанные отечественными учеными. Предлагается новая обобщенная классификация видов воды во всех трех ее агрегатных состояниях в приповерхностной зоне земной коры. Выполнена объединяющая систематизация известной информации по воде, определены структура и таксоны новой классификации, состоящей из 5 классов, 16 видов и 42 разновидностей, распределенных в логическом порядке. Кратко описывается непреднамеренная и направленная агрессивность подземных вод.
Ключевые слова: агрессивность подземных вод; вода; грунты; классификация; приповерхностный слой земной коры.
Вода — удивительное вещество, способное воспринимать всевозможные воздействия и нагрузки, которое не разрушается, перевоплощается и воспроизводится, что бы с ним ни происходило. Единственная субстанция на Земле, которая может находиться в трех агрегатных состояниях: жидком, газообразном, твердом. Специфические свойства воды предопределены характерным строением ее молекулы и межмолекулярными водородными связями. Устойчивость к внешним воздействиям обеспечивается ковалентной химической связью, образуемой двумя электронными парами, одновременно принадлежащими атому кислорода и двум атомам водорода. Эта химическая связь обладает значительной энергией разрыва — до 1000 кДж/моль 1.
Вода выполняет определяющую роль в геологической истории планеты и является обязательным компонентом жизни на Земле и практически всех технологических процессов. Она обладает уникальными свойствами во Дата поступления 03.07.12
In the work some classifications of kinds of water developed by the scientists of our country are presented. A new generalized classification of them for the water in its three aggregate states within the near-surface layer of the Earth crust is proposed. The unpremeditated and man-made aggressive properties of underground water are briefly described.
Key words: aggressive properties of underground water; water; soils; classification; Earth crust near-surface layer.
всех ее физических состояниях. Человек всегда старался глубже познать свойства воды и понять ее сущность. В этом ему помогают классификации воды, постоянно развивающиеся и совершенствующиеся.
Известны классификации видов воды, перечисляющие ее разновидности по внешним признакам. Как правило, такие классификации не выделяют классы, виды и разновидности воды в составе характерных групп (таксонов), т.е. не систематизированы в единый взаимоувязанный документ. Логическая разобщенность множества видов и разновидностей воды не придает стройность известным классификациям и затрудняет их совершенствование по мере развития науки о воде.
Цели и задачи
Цель настоящей работы заключается в систематизации известной информации о видах воды в инженерной геологии и в геотехнике, в разработке новой таксономической классифи-
кации воды в приповерхностном слое земной коры. Системность классификации позволит упростить любые операции с классификацией: поиск, внесение новых и уточнение прежних таксонов, их перестановку и т. п.
Практическое значение классификации просматривается в понимании роли и значимости влажности дисперсных грунтов в геотехнике в целом, т. е. при возведении земляных сооружений, устройстве оснований и фундаментов, освоении подземного пространства, а также при поиске сырья и производстве минеральных строительных материалов и изделий. Предстоит рассмотреть также состав загрязненных грунтовых вод, коррозионно влияющих на подземные части зданий и подземную инфраструктуру.
Известные классификации видов воды. Наиболее полная систематизация видов воды в горных породах была выполнена А. Ф. Лебедевым в 1936 году. Она включает семь таксонов: водяной пар, лед, гигроскопическую, пленочную, гравитационную, кристаллизационную и химически связанную воду 2. В том же году была упомянута капиллярная вода 3. Интересным является высказывание Б. М. Гуменского о том, что взгляды Лебедева на «виды воды в грунтах требуют серьезных корректив на основе новых данных» 4.
Н. А. Цытович достаточно подробно обобщил результаты исследований воды как жидкой фазы грунтов и ее влияния на поверхностные свойства тонкодисперсных грунтов с учетом исследований Б. В. Дерягина, П. А. Ребиндера, Ф. Лоу, А. В. Думанского и др. 5.
О прочносвязанной, рыхлосвязанной и свободной воде представлено много информации в учебниках, начиная с 80-х годов 20 века 6. Отметим, что неясные термины, начинающиеся с «прочно-», «рыхло-», «слабо-», не отражают природу количественных сил взаимодействия частиц грунта с водой. Однако, по сей день в учебниках и в научных статьях используются названные термины, а также такие, как «твердосвязанная» вода.
Теоретические и экспериментальные данные по воде, обобщены в учебнике «Грунтоведение» 7. В нем выделена «наиболее обоснованная классификация Р. И. Злочевской 1988 г., согласно которой вода в грунтах может относиться к трем основным категориям — связанной, переходного типа и свободной». Эта классификация воды в сумме включает всего шесть видов и разновидностей (табл. 1). Вышеупомянутые очевидные пар и лед по А. Ф. Лебедеву исчезли из таблицы. Все известные виды воды в горных породах, включая различные классифи-
кации, отражают состояние научной информации в рассматриваемой области в соответствующий период времени. На этом этапе нужна концепция новой классификации видов воды.
Новая классификация видов воды. Сформулируем концепцию: классификация видов воды в приповерхностном слое земной коры должна включать воду во всех ее агрегатных состояниях и учитывать широкие возможности ее пребывания в сложной сообщающейся системе, каковой является поровое пространство и поверхность земной коры. Классификация должна подразделять воду на классы, виды и разновидности с соответствующими цифровыми шифрами для быстрого нахождения требуемого таксона, а также для дополнения либо корректировки по мере накопления новых сведений.
Предлагаемая классификация (табл.2) впервые разработана в соответствии с выше-сформулированной концепцией и синтезирована с табл. 1. В целом классификация систематизи-рованно объединяет все известные таксоны воды, упомянутые в учебниках, научных статьях и др. источниках информации. Включены также таксоны, которые ранее не оглашались в рассматриваемом аспекте, в т.ч.:
— вода мельтинговая (2.3), оттаянная при гипердавлении. По Цытовичу, такая вода возникает в многолетнемерзлых толщах 8. Таяние льда под гипердавлением (мельтинг) и последующее мгновенное замерзание воды (режеля-ция), шифр 5.3.11, были подтверждены в эксперименте Д. Т. Боттомли 9 в 1872 г. Теоретическая сущность мельтинга-режеляции заключается в принципе Ле-Шателье, согласно которому гипердавление понижает температуру плавления льда и приводит к образованию той фазы, которая при той же температуре занимает меньший объем. Этой фазой в данном случае является вода, обладающая меньшим объемом, чем эквивалентная масса льда 1;
— роса (3.1.4);
— термальная подземная (3.3), незамерзшая в мерзлых грунтах (3.4) и тяжелая вода (3.5);
— пар в приземном слое (4.1) и в составе геологических газов (4.3);
— лед атмосферный (5.1) и поверхностный, в т.ч. иней, наст (5.2).
Таким образом, новая классификация содержит практически все известные виды и разновидности воды, которые в сгруппированном виде приобрели научную стройность и форму самостоятельного документа. Ниже представлена эта новая классификация видов воды (табл. 2).
Классификация видов воды в грунтах по Р. И. Злочевской 7
Категория (тип) Вид и разновидности воды
Связанная Переходного типа (от связанной к свободной) Свободная 1.Вода кристаллической решетки минералов (конституционная, кристаллизационно связанная) 2.Адсорбционная вода (островной, мономолекулярной и полимолекулярной адсорбции) 1.Осмотически поглощенная вода 2. Капиллярная вода (капиллярной конденсации и капиллярного впитывания) 1.Замкнутая в крупных порах (иммобилизованная) 2.Текучая
Об агрессивности подземных вод. Химический состав вод приповерхностного слоя земной коры является результатом сложного взаимодействия воды, льда, пара с вмещающими их горными породам и газами. При этом они насыщаются минеральными и органическими веществами.
В строительных целях определяют такие основные показатели состава воды, как общая минерализация; водородный показатель (рН); жесткость; агрессивность.
Общая минерализация — один из главных показателей качества подземных вод. В природных условиях она исключительно разнообразна. Встречается вода с минерализацией от 0.1 г/л (например, в высокогорных источниках) до 400 г/л (например, в Тюменской обл.). В их составе наибольшее распространение имеют хлориды, сульфаты и карбонаты. По общему содержанию растворенных солей воды разделяют на пресные (до 1 г/л растворенных солей), солоноватые (1—10 г/л), соленые (10—50 г/л) и рассолы (более 50 г/л).
Природные жесткость и агрессивность подземных вод связаны с присутствием в них солей кальция и магния. По степени жесткости воды разделяют на очень мягкие (менее 1.5 мг-экв/л), мягкие (1.5—3.0 мг-экв/л), средней жесткости (3.0—6.0 мг-экв/л), жесткие (6.0—9.0 мг-экв/л) и очень жесткие (более 9.0 мг-экв/л) 10.
Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворенных в них солей на подземные строительные бетонные и железобетонные изделия и конструкции. Поэтому при устройстве фундаментов и различных подземных сооружений учитывают химический состав и агрессивность воды по
отношению к бетону и коэффициент фильтра-
11
ции пород .
Металлические конструкции разъедаются под влиянием сильнокислых (рН<4.5) и сильнощелочных (рН>9.0) вод. Коррозии способствуют повышение температуры грунтовой воды, увеличение скорости ее движения, электрические блуждающие токи.
Непреднамеренно созданная агрессивность подземных вод возникает на территориях промышленных предприятий, на которых технологическое производство связано с химическими растворами. По мере износа оборудования, изоляционных элементов и дренажных систем в результате проливов, утечек, аварийных сбросов и смывов (т. е. по неосторожности, халатности и т. п.) в основания фундаментов зданий, технологических установок и в целом в подземное пространство попадают агрессивные реагенты.
В 1972 г. автором и его коллегами были исследованы деформации электролизного цеха размером в плане 156x36 м, построенного в 1964 г. в городе Стерлитамак (Башкирия). Уже через 2 года после окончания его строительства произошло химическое пучение грунтов под полами и фундаментами легкого оборудования. В дальнейшем начали подниматься фундаменты тяжелых несущих железобетонных колонн цеха. За период с 1966 по 1972 гг. произошли неравномерные деформации пучения величиной до 300 мм. В результате цех угрожающе перекосился 12. Оказалось, что глинистые грунты основания при воздействии щелочных растворов, имеющих концентрацию от 5 до 40 % (больше уже не бывает), претерпевают пучение, способное преодолеть внешнее давление от полезной нагрузки и структурную связность грунта. Разработка в цехе котлована общей площадью 400 м2 глубиной до уровня подошвы фундаментов колонн позволило выявить значительные повреждения всей подземной техносферы на исследованной территории. Бурением семи скважин было установлено, что грунтовая вода содержит щелочь в концентрации 38—122 г/л до глубины не менее 6 м (т. е. до глубины бурения скважин). Материалы диагностики данной аварийной ситуации и лабораторные исследования были положены в основу Методических рекомендаций 13 для проектировщиков.
Загрязненные грунтовые воды, аналогичные вышеописанным, были также исследованы, например, Л. И. Корженко 14 и В. И. Фек-
Классификация видов воды в приповерхностном слое земной коры *>
Класс Вид Разновидность
шифр наимено- вание шифр наименование шифр наименование
1 Вода связанная (аномальная) 1.1 Вода кристаллическая в решетках минералов 1.1.1 Конституционная
1.1.2 Кристаллизационная в кристаллогидратах
1.1.3 Координационно-ненасыщенная атомами и ионами
1.2 Вода адсорбционная 1.2.4 Пятнисто-локальная
1.2.5 Мономолекулярная
1.2.6 Полимолекулярная
2 Вода переходного типа (от связанной к свободной) 2.1 Осмотически поглощенная в двойном электрическом слое 2.1.1 Внутренняя(адсорбционная)
2.1.2 Внешняя (диффузная)
2.2 Капиллярная в порах (конденсированная) 2.2.3 Подземная, восходящая до уровня капиллярной каймы
2.2.4 Подвешенно замкнутая в порах
2.3 Мельтинговая, в ледниках 2.3.5 Оттаянная в ледниках при гипердавлении
3 Свободная вода 3.1 На поверхности грунтового массива 3.1.1 Поверхностная самотечная, гравитационная
3.1.2 В водоемах, накопителях
3.1.3 Принудительно транспортируемая либо совершающая работу
3.1.4 Роса (капельно-конденсационная)
3.2 В грунтовом массиве (замкнутая) 3.2.5 Защемленная в порах, кавернах, полостях, трещинах
3.2.6 Естественная артезианская
3.2.7 Межпластовая
3.3 Термальная подземная 3.3.8 Относительно теплая, 1 < 20 оС
3.3.9 Теплая, 20 < 1 < 37 оС
3.3.10 Горячая 1> 37 оС
3.4 Незамерзшая в мерзлых грунтах 3.4.11 Насыщенно связанная
3.4.12 Дискретно связанная переменного фазового состава
3.5 Тяжелая вода 3.5.13 Обычная с примесью изотопа водорода Д
3.5.14 Послеэлектролизная из молекул Д2О
4 Водяной пар (газообразная вода) 4.1 В приземном слое 4.1.1 Атмосферный приповерхностный
4.2 В деятельном слое грунта 4.2.2 Подземный, сообщающийся с атмосферой
4.2.3 Изолированный в поровом пространстве
4.3 В составе геологических газов 4.3.4 Вулканический
4.3.5 Метаморфический
4.3.6 Радиогенный
5 Лед (твердая модификация воды) 5.1 Атмосферный 5.1.1 Снег, в т.ч. с дождем
5.1.2 Град, в т.ч. с дождем
5.2 Поверхностный 5.2.3 Иней (сублимационный)
5.2.4 Снежный покров, лавины,заносы
5.2.5 Наст
5.2.6 Устилающий гололед, фирн
5.3 Подземный 5.3.7 Лед-цемент, омоноличивающий грунт
5.3.8 Сегрегационный (линзы)
5.3.9 Инъекционный, бугры пучения
5.3.10 Жильный, в осадочных горных породах
5.3.11 Режеляционный, смерзшийся
*) Курсивом выделены таксоны, упомянутые в табл. 1
Башкирский химический журнал. 2012. Том 19. 3
линым 15. Было установлено, что растворы с концентрацией щелочи более 4% агрессивны по отношению к глинистым грунтам — растворяют оксиды кремния, железа, алюминия и разрушают глинистые материалы 16. В наши дни утечки из старых корродированных резервуаров для горюче-смазочных материалов и других агрессивных жидкостей, а также из систем трубопроводного транспорта наблюдаются повсеместно.
Преднамеренно (умышленно) созданная агрессивность подземных вод возникает при инъекционной обработке глинистых толщ все той же щелочью, применяемой якобы для закрепления оснований фундаментов. Однако, этот метод не находит поддержки. В НИИОСП неоднократно проводили лабораторные попытки закрепления образцов глинистого грунта концентрированными растворами каустика. Но все они оказались безуспешными — образцы распадались в воде, не выдержав и трех циклов водо-насыщения-высушивания 17. Не дали результата эксперименты и автора настоящей статьи 18.
Едкая щелочь активно разрушает подземные строительные элементы и конструкции на основе минерального цемента (штукатурку, бетон), керамики (плитку, канализационные трубы, глиняные кирпичи, керамзит), органических продуктов (битум, органопластик, кожаные изделия, синтетические рулонные материалы), древесины (ДВП, ДСП, ЦСП, фанеру, мебель). Чрезвычайно опасно разъедание алюминиевых и свинцовых кабельных коммуникаций с возможным возникновением короткого замыкания и пожара 19. Щелочь чудовищно опасна на стройплощадке, даже при кратковременном хранении.
Современные достижения теории и практики фундаментостроения, геотехники, освоения подземного и подводного пространства во всех странах позволяют прекрасно обходиться без загрязнения подземных вод щелочами и разрушения в результате этого горных пород и подземной техносферы 20, 21. Начиная с последней четверти 20 века в геотехнике используются природные грунтовые толщи без какой-либо, тем более щелочной переработки, благодаря освоению революционных технических решений, позволяющих блестяще осуществлять самые фантастические проекты, включая
усиление и реконструкцию, в любых грунто-
22
вых и стесненных условиях .
К преднамеренному загрязнению подземных вод относятся также закачка в подземные горизонты промышленных стоков, создание стихийных свалок мусора и пр.
Литература
1. Глинка Н. Л. Общая химия / Под ред. А. И. Ермакова.— М.: Интеграл-Пресс, 2005.— 728 с.
2. Виды воды в горных породах / Российская геологическая энциклопедия (в 3 томах).— М.-СПб.: Изд-во ВСЕГЕИ, 2010.- С.190.
3. Основания и фундаменты: Справочное руководство / Под ред. Н. Н. Богословского, Н. К. Николаева.- М.-Л.: ОНТИ, 1936.- Т.8.- 567 с.
4. Гуменский Б. М. Основы физико-химии глинистых грунтов и их использование в строительстве.- Л.-М.: Стройиздат, 1965.- 255 с.
5. Цытович Н. А. Механика грунтов.- М.: Гос-стройиздат, 1963.- 636 с.
6. Далматов Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты.- М.: Стройиздат, 1981.- 319 с.
7. Трофимов В. Т., Королев В. А., Вознесенский Е. А., Голодковская Г. А., Васильчук Ю. К., Зианги-ров Р. С. Грунтоведение / Под ред. В. Т. Трофимова.- М.: Изд-во МГУ, 2005.- 1024 с.
8. Цытович Н. А. Механика мерзлых грунтов.-М.: Высшая школа, 1973.- 446 с.
9. Мерзляков В. П. / / Основания, фундаменты и механика грунтов.- 2007.- №1.- С.2.
10. Чернышев С. Н., Чумаченко А. Н., Ревелис И. Л. Задачи и упражнения по инженерной геологии: Уч. пос..- М.: Высшая школа, 2001.- 254 с.
11. СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии.- М.: Госстрой СССР, 1986.
12. Волков Ф. Е., Мулюков Э. И., Колесник Г. С., Гарифзянов Г. Г. / / Промышленное строительство.- 1972.- №11.- С.23.
13. Волков Ф. Е., Мулюков Э. И. Методические рекомендации по учету набухаемости глинистых грунтов под воздействием растворов щелочи при проектировании оснований зданий и сооружений. — Уфа: Изд-во НИИпромстрой, 1978.- 26 с.
14. Корженко Л. И. Основания и фундаменты в условиях Урала.- Свердловск: Книжн. изд-во, 1963.- 154 с.
15. Феклин В. И. // Основания и фундаменты в сложных инженерно-геологических условиях.-1978.- №2.- С.19.
16. Зиангиров Р. С., Лаврова Н. А., Окнина Н. А. // Изменения свойств грунтов под влиянием природных и антропогенных воздействий.- М.: Стройиздат, ПНИИИС, 1981.- С.3.
17. Соколович В. Е. // Основания, фундаменты и механика грунтов.- 1987.- №6.- С.16.
18. Мулюков Э. И. // Основания, фундаменты и механика грунтов.- 2008.-№5.- С.21.
19. Правила безопасности при использовании неорганических жидких кислот и щелочей.- М.: Госгортехнадзор России, 2003.- №35.
20. Мулюков Э. И. // Вестник АН РБ.- 2008.-Т.13, №4.- С.44.
21. Мулюков Э. И. Щелочное набухание и защелачи-вание грунтов // Труды Междунар. конф. по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство».- С.-Пб, 2008.- Т.4.- С. 631.
22. Российская геотехника - шаг в XXI век // Труды Юбилейн. конф., посвящ. 50-летию РОМГ-ГиФ.- М.: НИИОСП, 2007.
