Исследование свойств грунтов. Химические свойства грунтов

1.

Министерство науки и высшего образования РФ
Федеральное государственное автономное образовательное
Учреждение высшего образования
«Пермский национальный исследовательский политехнический
университет»
Строительный факультет
Кафедра «Строительное производство и геотехника»
Исследование свойств грунтов. Химические свойства грунтов
2022

2.

Введение
Химические свойства грунтов характеризуют происходящие в них химические изменения, их способность
участвовать в химических взаимодействиях с различными веществами.
Выделяют следующие химические свойства:
- Растворимость грунтов, способность образовывать с другими веществами растворы, переменного
состава. В соответствие со СП 22.13330.2016, засоленные грунты, при длительном воздействие с
водой способны терять свою прочность в результате растворения солей.
-Химическая поглотительная способность грунтов, образование в них труднорастворимых соединений в
результате протекания химических взаимодействий между разными фазами.
-Кислотно-основные свойства грунтов, грунты содержат компоненты, проявляющие свойства кислот,
оснований и амфотерных соединений. Эти свойства определяют и агрессивность грунтов.
-Химическая агрессивность грунта, негативное химическое и физико-химическое влияние грунтов на
строительные материалы инженерного сооружения, приводящее к разрушению его частей (фундаментов,
металлических конструкций и т.д).

3.

Введение
Одной из наиболее значимых причин снижения надежности конструкций подземных
сооружений, воздействие агрессивных грунтов на железобетонные (бетонные)
конструкции.
К основным видам химической агрессивности водных растворов по отношению к
бетону относятся выщелачивающая, магнезиальная, общекислотная, сульфатная и
углекислотная.
Данное химическое свойство грунтов, оказывает наибольшее воздействие среди
прочих, поэтому далее в работе будет рассматриваться именно химическая
агрессивность грунтов.

4.

Введение
К основным видам химической агрессивности водных растворов по отношению к бетону относятся
выщелачивающая, магнезиальная, общекислотная, сульфатная и углекислотная.
В приложении В и Г, СП 28 предоставляет следующие степени агрессивного воздействия сред:
– степень агрессивного воздействия сульфатов в грунтах на бетоны марок по водонепроницаемости W4W20;
– степень агрессивного воздействия хлоридов в грунтах на стальную арматуру железобетонных
конструкций;
– степень агрессивного воздействия жидких неорганических сред на бетон;
– степень агрессивного воздействия жидких сульфатных сред, содержащих бикарбонаты, для бетонов
марок по водонепроницаемости W4-W8;
– степень агрессивного воздействия жидких сульфатных сред для бетонов марок по
водонепроницаемости W10-W20;
– степень агрессивного воздействия жидких органических сред;
– степень агрессивного воздействия биологически активных сред на бетонные и железобетонные
конструкции;
– показатели опасности коррозии железобетонных конструкций, вызываемой блуждающими токами;
– агрессивное воздействие хлоридов.

5.

Нормативная документация
Агрессивность подземных вод по отношению к бетонным сооружения регламентируется различными
нормативными документами, в том числе
1. СП 28.13330.2017 «Защита строительных конструкций от коррозии»
2. ГОСТ 30416-2020 «Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения» Настоящий стандарт
устанавливает общие требования к методам лабораторного определения характеристик физико-механических
свойств грунтов при их исследовании для строительства.
3. ГОСТ 5180-2015 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик» Настоящий
стандарт распространяется на дисперсные песчаные и глинистые грунты, устанавливает методы лабораторного
определения физических характеристик, применяемые при лабораторных испытаниях грунтов в процессе
инженерно-геологических изысканий для строительства.
4. СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-
83* Настоящий документ содержит указания по проектированию оснований зданий и сооружений, в том числе
подземных, возводимых в различных природных условиях, для различных видов строительства.
5. СП 47.13330.2016 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения».

6.

Актуальность, новизна, значимость
В настоящий момент разрабатывается огромное количество химических реагентов,
добавок в строительные смеси и новейших строительных материалов, применяемых в
строительной отрасли. Поэтому, для понимания поведения грунтов при работе с
указанными материалами, необходимо исследование химических свойств грунтов и их
влияние на бетоны различных марок, арматуру и т.д.
Рассмотрено 13 статей и 13 диссертаций. Сделан вывод, об актуальности, новизне и
значимости данной темы.

7.

Экспериментальные исследования. Программа
проведения эксперимента
Основным условием возникновения коррозионного процесса является наличие в
грунтах влаги и различных химических реагентов, за счет чего грунты обладают ионной
электропроводностью. Это делает их коррозионно-активными электролитами по
отношению к эксплуатируемым в них металлическим конструкциям, что приводит к
электрохимической коррозии конструкции.

8.

Экспериментальные исследования. Программа
проведения эксперимента
Содержание в грунтах, грунтовых и
других водах минеральных солей,
органических веществ и газов является
основным критерием при оценке их
коррозионной активности.

9.

Экспериментальные исследования. Программа
проведения эксперимента
Для оценки коррозионной агрессивности
грунта по отношению к стали, как правило,
определяют удельное электрическое
сопротивление грунта, измеренное в полевых и
лабораторных условиях, и среднюю плотность
катодного тока при смещении потенциала на
100 мВ отрицательней стационарного
потенциала стали в грунте. Если при
определении одного из показателей
установлена высокая коррозионная
агрессивность грунта (а для мелиоративных
сооружений - средняя), то другой показатель не
определяют.

10.

Экспериментальные исследования. Программа
проведения эксперимента
В данном случае для определения комплексного показателя, характеризующего коррозионную
агрессивность грунта, предлагается использовать расширенную методику экспресс-анализа по ряду
факторов, согласно СТО Газпром 2-3.5-252-2008 «Приложение А) «Методика оценки коррозионной
агрессивности грунта на основе балльной системы».
Цель работы: определить показатель коррозионной агрессивности грунта.
Задачи:
Определить на участке тип и вид грунта;
Определить наличие/отсутствие на уровне сооружения грунтовых вод;
Взять с участка пробу грунта;
Проанализировать однородность грунта;
Определить физико-химические свойства грунта, указанные в «Таблице А.1».
Рассчитать сумму полученных баллов.
По полученному результату оценить коррозионную агрессивность.

11.

Экспериментальные исследования. Программа
проведения эксперимента

12.

Экспериментальные исследования. Программа
проведения эксперимента
Для прогноза необходимо определить минимум 10 характеристик. Если определены не все
характеристики, то следует указать область разброса, которую находят прибавлением к найденной
сумме наибольших и наименьших баллов тех факторов, которые не были исследованы. Область
разброса характеризует надежность прогноза.
Определение класса грунта происходит на основании оценки коррозионной агрессивности по
сумме набранных баллов:
Уровни варьирования факторов влияния из табл. А.1, изменяются от нижнего уровня -4, до
верхнего +2 баллов.

13.

Экспериментальные исследования. Программа
проведения эксперимента
Уточненную оценку коррозионной агрессивности грунтов выполняют в следующей последовательности.
1. На основе данных, приведенных в проектной документации и полученных по результатам дополнительных
исследований, составляют таблицы распределения типов грунтов вдоль исследуемого участка.
2. По результатам комплексного анализа рельефа местности, расположения водных препятствий и иных
факторов на экспертном уровне оценивают гидрогеологические условия на отдельных участках.
3. Рассматривают следующие группы данных, характеризующих влияние грунтовых условий на коррозионную
агрессивность:
- тип грунта;
- наличие грунтовой воды на уровне сооружения;
- влажность грунта;
- определение физико-химических свойств
- удельное электрическое сопротивление грунта.
Интегральную оценку коррозионной агрессивности выполняют по сумме набранных баллов.
При этом одну и ту же пробу разрешается использовать для определения нескольких факторов, если процесс
анализа не влияет на физико-химические свойства и состав грунта.

14.

Экспериментальные исследования. Программа
проведения эксперимента
Количество необходимых испытаний (взятий проб)
По каждому фактору берётся расчетное количество проб. Но из 14 факторов (см. табл. А.1) достаточно
исследовать 10.
Рассчитаем количество проб, для исследования одного фактора.
Для точной и объективной оценки результатов испытаний следует провести такое количество n испытаний
(опытов), чтобы вероятность отклонения выборочной средней от генеральной средней на величину большую Δ
(величина, характеризующая точность оценки) была очень мала (меньше заданного числа доверительной
вероятности р). На основании методов математической статистики и источника, приводится выведенная формула
для определения числа опытов, по которой можно найти необходимое число наблюдений безотносительно к
размерности того или иного признака:
где t – значения критерия Стьюдента;
U - коэффициент вариации;
k0 – заданный коэффициент, показывающий долю предельной ошибки от
средней арифметической величины. На основе обработки результатов
обширного количества опытов установлено, что значение k0 следует брать
0,20-0,30, что соответствует хорошей точности оценки.

15.

Экспериментальные исследования. Программа
проведения эксперимента
Количество необходимых испытаний (взятий проб)
Для распределений существенно положительных величин при определении необходимого числа
наблюдений коэффициент вариации принимается равным 0,25-0,5 и t=3
Подставив наименьшие значения в (1), получим:
Таким образом, рассчитали, что должно быть не менее 6 опытов по каждому фактору.

16.

Программа проведения эксперимента
Согласно ГОСТ 9.602-2016 «Единая система защиты от коррозии и старения.
Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии» существуют 2
методики определения удельного электрического сопротивления грунта:
1. Определение УЭС грунта в полевых условиях (без отбора проб грунта по
четырехэлектродной схеме непосредственно на объекте)
2. Определение удельного электрического сопротивления грунта в лабораторных
условиях (бывают методы определения в полевых условиях и в лабораторных):

17.

Описание проведения эксперимента
1. Отбор проб.
1.1. Для определения удельного электрического сопротивления грунта отбирают
пробы грунтов в шурфах, скважинах и траншеях из слоев, расположенных на глубине
прокладки сооружения, с интервалами от 50 до 200 м на расстоянии от 0,5 до 0,7 м от
боковой стенки трубы.
1.2. в соответствии с ГОСТ 12071-2014 отбор проб осуществляется:
1.2.1. Для отбора образцов грунта из открытых горных выработок (шурф, дудка,
канава и т. д.) используют лопату, нож. зубило, молоток, лом и т. д.

18.

Описание проведения эксперимента
1.2.2. Для отбора образцов
грунта из буровых скважин в
зависимости от вида грунта и его
состояния применяют буровой
инструмент (в соответствии с
таблицей А.1 ГОСТа), в основном –
почвенный бур (например Бур АС40).

19.

Описание проведения эксперимента
1.3. Для пробы берут от 1,5 до 2 кг грунта, удаляют твердые включения размером
более 3 мм. Отобранную пробу помещают в полиэтиленовый пакет и снабжают
паспортом, в котором указывают номера объекта и пробы, место и глубину отбора
пробы.
Если уровень грунтовых вод выше глубины отбора проб, отбирают грунтовый
электролит объемом от 200 до 300 см3 и помещают в герметически закрывающуюся
емкость, которую маркируют и снабжают паспортом.

20.

Средства контроля и вспомогательные устройства
Источник постоянного (9-15 В) или низкочастотного переменного тока любого типа
Миллиамперметр любого типа класса точности
Вольтметр любого типа
Реостат для регулирования силы тока.
Ячейка прямоугольной формы внутренними размерами а = 100 мм; b = 45 мм; h =
45 мм
Электроды внешние (А, В) размером 44х40 мм
Электроды внутренние (М, N) из медной проволоки или стержня
Шкурка шлифовальная зернистостью 40 (или менее)
Вода дистиллированная.
Ацетон
Рекомендуется использовать специальные устройства и приборы, например, АКАГ-К
(анализатор коррозионной активности грунта).

21.

Подготовка к измерению
1. Отобранную пробу песчаных грунтов смачивают до полного влагонасыщения, а глинистых - до
достижения мягкопластичного состояния. Если уровень грунтовых вод ниже уровня отбора проб,
смачивание проводят дистиллированной водой, а если выше - грунтовой водой.
Степень влагонасыщения определить с помощью влагомера грунта МГ-44, гигрометра или другого
электронного измерителя влаги.
2. Электроды зачищают шлифовальной шкуркой, обезжиривают ацетоном и промывают
дистиллированной водой. Внешние электроды устанавливают вплотную к внутренним торцовым
поверхностям ячейки. При сборе ячейки пластины размещают друг к другу неизолированными
сторонами.
3. Затем в ячейку помещают грунт, послойно утрамбовывая его. Высота грунта должна быть на 4
мм менее высоты ячейки.
4. Устанавливают внутренние электроды вертикально, опуская их до дна по центральной линии
ячейки на расстоянии 50 мм друг от друга и 25 мм - от торцовых стенок ячейки.

22.

Схема установки
1 - миллиамперметр; 2 - источник тока; 3 - вольтметр;
измерительная ячейка размерами a, b, h; А и В - внешние
электроды; М и N - внутренние электроды
4-
Рисунок А.1 - Схема установки для определения
удельного электрического сопротивления грунта в
лабораторных условиях

23.

Проведение измерений
Удельное электрическое сопротивление грунта определяют по четырехэлектродной схеме на
постоянном или низкочастотном переменном токе (рисунок А.1).
Внешние электроды с одинаковой площадью рабочей поверхности Sр поляризуют током определенной
силы I1 и измеряют падение напряжения V1 между двумя внутренними электродами при расстоянии lMN
между ними.
Измерения проводят при трех разных значениях силы тока, например 1.10-3, 2.10-3 , 3.10-3 А. При
работе на постоянном токе меняют полярность электродов А и В и измерения повторяют.
При проведении измерения - меняем силу тока реостатом, получаем падение напряжения между
внутренними электродами, записываем эти значения, ставим в формулу.
При проведении измерений с помощью специального прибора (АКАГ-К) – измерения осуществляются
автоматически в три фазы по три секунды, на индикатор выводится запомненный результат последнего
измерения.

24.

Обработка результатов измерения