7. Химические свойства грунтов

Химические свойства грунтов характеризуют происходящие в них хими­ческие изменения, их способность участвовать в химических взаимодействиях с различными веществами. Они проявляются во всевозможных химических реакциях, протекающих в грунтах, но наиболее важными из них являются растворимость грунтов, особенности кислотно-основ­ных свойств, химическая агрессивность грунтов.

7.1. Растворимость грунтов, ее основные характеристики и методы их определения

Растворимостью грунтов называется их способность образовывать с другими веществами растворы, т. е. гомогенные смеси переменного состава. Количественно растворимость характеризуется максимальным количеством грунта (или минерала), способным растворяться в данном растворителе при определенных Р и Т, т. е. концентрацией насыщенного, или равновесного, раствора, измеряемой, например, в мг/л, в молярной (моль/м³) или моляльной (кмоль/1000 кг) формах. Растворимость минералов и веществ в грунтах удобно также характеризовать особой величиной – произведением растворимости (ПР). Произведением растворимости называется произведение молярных концентраций (активностей) катионов и анионов минерала или вещества в его насыщенном растворе [50].

В инженерно-геологических целях важно знать наиболее растворимые разности, к которым относятся, прежде всего, галоидные грун­ты, содержащие галит, сильвин, некоторые типы карбонатных грунтов (известняк, доломит, мел, мергель), сульфатные грунты, содержа­щие гипс, ангидрит, а также засоленные грунты и др. Во всех случаях, примесь в грунтах хорошо раствори­мых в воде минералов класса простых солей с ионным типом связей и облада­ющих сравнительно невысокими энергиями кристаллических решеток повы­шает их растворимость.

К засоленным грунтам, следует относить грунты, в которых в содержание легко- и среднерастворимых (водорастворимых) солей превышает величины, указанные в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Минимальное содержание лeгко- и среднерастворимых солей в грунтах [111]

Наименование засоленных грунтов	Минимальное суммарное содержание солей в % от веса воздушно-сухого грунта
Крупнообломочный: при содержании песчаного заполнителя 40 % и более при содержании заполнителя в виде суглинка 30 % и более при содержании заполнителя в виде супеси 30 % и более	3 10 5
Песок	3
Супесь	5
Суглинок	10

К легкорастворимым солям относятся: хлориды NaCl, KCl, CaCl₂, MgCl₂; бикарбонаты: NaHCO₃, Ca(HCO₃), Mg(HCO₃); карбонат натрия Na₂CO₃; сульфаты магния и натрия MgSO₄, Na₂SO₄. К среднерастворимым солям относятся гипс CaSО₄ 2HO₂ и ангидрит CaSO₄.

Засоленные грунты приурочены к пустынным и полупустынным, реже – к степным зонам, то есть к районам с отрицательным водным балансом, а также к участкам, расположенным в зонах гипергенеза горных пород, содержащих нестойкие компоненты (сульфатные, галлоидные и др.). Слагают они солончаки, солоди, солонцы, такыры, которые различаются составом и содержанием легкорастворимых солей и формируются на пониженных элементах рельефа: шлейфах склонов, низменностях, берегах соленых озер и лиманов, во впадинах на поймах, в днищах степных блюдец суффозионного происхождения, где минерализованные воды стоят близко к земной поверхности (1–3 м).

Содержание водорастворимых солей в грунтах зоны аэрации зависит от многих факторов, прежде всего от климатических условий, которые опреде­ляют количество выпадающих осадков, способных вымывать соли. Процесс засоления грунтов проявляется в следующих условиях:

• при горизонтальной миграции солей и осаждении их из подземных вод в районах гор и предгорий, в субаэральных дельтах и предгорных равнинах;

• в результате вертикальной миграции солей при испарении поровых растворов; вследствие выветривания горных пород, содержащих нестойкие компоненты (карбонатные, сульфатные, галлоидные горные породы);

• при фильтрации через грунты жидких отходов из шламонакопителей, солеотвалов, растворонесущих коммуникаций промышленных предприятий и т. п.

Засоленные грунты, залегающие в основании сооружений на континентальном шельфе, как правило, не оказывают негативного воздействия на устойчивость сооружений, поскольку в морских условиях невозможно их рассоление и возникновение деформаций суффозионного сжатия.

Засоленные грунты характеризуют следующие показатели [111]:

• степень растворимости в воде (q_sr),

• степень засоленности (D_sal),

• абсолютное суффозионное сжатие (Δh_sf),

• относительное суффозионное сжатие (_sf),

• начальное давление суффозионного сжатия (p_sf),

• степень выщелачивания солей (β).

Степень растворимости в воде q_sr, г/л, – характеристика, отражающая способность грунтов растворяться в воде и выражающаяся в количестве водорастворимых солей. По степени растворимости грунты подразделяют согласно табл. 7.2.

Таблица 7.2

Подразделение грунтов по степени растворимости

Разновидность грунтов	Количество воднорастворимых солей qsr, г/л
Нерастворимый	<0,01
Труднорастворимый	0,01–1
Среднерастворимый	1–10
Легкорастворимый	>10

Степенью засоленности D_sal, %, называется отношение массы водорастворимых солей в определенном объеме грунта к массе сухого грунта данного объема. По степени засоленности D_sal грунты подразделяются согласно табл. 7.3 [113], классификация несколько отличается от классификации приведенной в табл.  2.3.

Степенью выщелачивания солей β, называется отношение массы выщелоченных из грунта солей к их начальной массе.

Абсолютным суффозионным сжатием Δh_sf, мм называется уменьшение первоначальной высоты образца грунта за счет химической суффозии при постоянном вертикальном давлении и непрерывной фильтрации воды или растворов, фильтрация которых возможна в основании сооружения.

Относительным суффозионным сжатием _sf, называется отношение абсолютного суффозионного сжатия к высоте образца грунта природной влажности при природном давлении.

Начальным давлением суффозионного сжатия p_sf, МПа называется минимальное давление, при котором проявляется суффозионное сжатие грунта.

Таблица 7.3

Подразделение мерзлых грунтов при морском типе засоления

Разновидности грунтов	Состояние грунта	Суммарное содержание легкорастворимых солей, % от массы сухого грунта (t = –1±2 °С)
		пески	супеси	суглинки
Незасоленные	Твердомерзлые	0–0,05	0–0,15	0–0,2
Слабозасоленные	Пластично-мерзлые	0,05–0,15	0,15–0,35	0,2–0,4
Среднезасоленные		0,15–0,3	0,35–0,6	0,4–0,6
Сильнозасоленные	Охлажденные	>0,3	>0,6	>0,8

Последние три характеристики (Δh_sf, _sf, p_sf) определяют по результатам испытаний образцов грунта в компрессионно-фильтрационных приборах (см. п. 8.3.2.2), исключающих возможность бокового расширения образца грунта при нагружении его вертикальной нагрузкой. Для детального изучения отдельных участков строительной площадки показатели определяют полевыми испытаниями статической нагрузкой с длительным замачиванием основания. При наличии результатов полевых испытаний и опыта строительства в аналогичных инженерно-геологических условиях указанные характеристики допускается определять только лабораторными методами. Нормативные значения характеристик засоленных грунтов _sf и p_sf вычисляют как средние значения результатов их определений. Расчетные значения допускается принимать равными нормативным (_g = 1).

При проведении инженерно-геологических изысканий в районах распространения засоленных грунтов следует устанавливать качественный состав и количественное содержание водорастворимых солей и их способность к растворению.

Определение содержания солей в грунтах. Содержание легкорастворимых солей следует определять с помощью водной вытяжки, а среднерастворимых ­ с помощью солянокислой вытяжки.

Водная вытяжка. Отбирают среднюю пробу грунта (300–500 г), растирают его и просеивают через сито в 1 мм. Определяют гигроскопическую влажность грунта. Отбирают «среднюю аналитическую пробу» ­ 50 или 100 г (в зависимости от качественно-количественной пробы на Сl^– и SO₄^2–). К навеске прибавляют пятикратное (1:5) количество дистиллированной воды, лишенной CO₂ (если в грунте содержится большое количество сульфата натрия, то лучше приготовить вытяжку 1:10). Смесь взбалтывают в течение 5 мин, после чего вытяжку полностью отфильтровывают через фильтр из плотной бумаги. Анализ водной вытяжки производят по общепринятым методикам с определением величины сухого остатка, рН и содержания ионов CO₃^2–, НСО₃^–, Сl^–, SO₄^2–, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺ в мг-экв на 100 г породы или в процентах к массе породы.

Солянокислая вытяжка. Из воздушно-сухого грунта, просеянного через сито 0,25 мм, берут навеску 2,5 г из расчета на абсолютно сухую массу. Разрушают карбонаты крепкой соляной кислотой (1:1). Замачивают навеску в 125 см² соляной кислоты 0,2 н концентрации (соотношение грунта к кислоте 1:50), тщательно перемешивают и оставляют в течение 12 ч. Затем раствор отфильтровывают в мерную колбу (250 мл). Остаток на фильтре промывают соляной кислотой (0,2 н) до отрицательной реакции на Ca²⁺ и SO₄^2–. Фильтр с осадком прокаливают в тигле и определяют силикатную часть грунта. Фильтрат в колбе доливают до отметки дистиллированной водой и используют для дальнейших определений. По результатам анализа солянокислой вытяжки определяют содержание гипса, а также сульфат-, кальций- и магний-ионов в процентах к массе абсолютно сухого грунта.

Состав и содержание легкорастворимых солей следует определять по результатам анализов водных вытяжек по следующим стандартам: сухой остаток и рН – по ГОСТ 26423, ионов карбонатов и бикарбонатов – по ГОСТ 26424, иона хлорида – аргентометрическим методом или ионометрическим титрованием по ГОСТ 26425, иона сульфата – весовым способом по ГОСТ 26426, ионов кальция и магния – комплексометрическим методом по ГОСТ 26428, ионов калия и натрия – по ГОСТ 26427 с применениям пламенного фотометра.

Для исследования состава поровых вод их следует выделять из грунта следующими методами (в зависимости от влажности, консистенции и гранулометрического состава грунтов): центрифугированием, отжатием под давлением, замещением порового раствора нейтральной жидкостью и др.