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工程建筑中地下水危害研究工學(xué)論文
摘要:地下水是很重要的水資源,它與地表水不同,對(duì)人類的水源提供具有很重要的意義,然而在工程建設(shè)中,由于地下水的特殊性和其化學(xué)成分,對(duì)鋼筋混泥土具有很大的侵蝕性。采用化學(xué)分析方法對(duì)地下水進(jìn)行分析,獲取水中的物質(zhì)定量指標(biāo), 評(píng)價(jià)其對(duì)工程建筑的作用和影響。
關(guān)鍵詞:地下水;化學(xué)分析;侵蝕性;影響
0前言
地下水與地表水不同,它是埋藏在地表以下的土中孔隙和裂隙、巖石空隙當(dāng)中的水。多呈液態(tài)存在,它是構(gòu)成水圈的重要水體之一,水量很大僅次于海洋。總體說來,地下水是水資源的重要組成部分,地下水是淡水的主要來源,地下水對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的意義。人類的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)加速著地下水環(huán)境的惡化,引起一系列地質(zhì)災(zāi)害。一般講,地質(zhì)災(zāi)害有突發(fā)性和緩慢性兩類。地下水開發(fā)利用所導(dǎo)致或誘發(fā)的地質(zhì)環(huán)境惡化,往往是緩慢性的地質(zhì)災(zāi)害,因此,過去常常被人們所忽視,這是非常危險(xiǎn)的。即從工程建設(shè)的角度來看,地下水的活動(dòng)不僅對(duì)巖石和土產(chǎn)生機(jī)械破壞,而且作為一種溶劑還會(huì)使土體和巖石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性消弱,以至于產(chǎn)生滑坡、地基沉陷、道路凍脹和翻漿等不良現(xiàn)象,給各類工程建筑以及其正常使用造成危害;同時(shí),地下水中含有的侵蝕性物質(zhì)如CO32-、Cl-、SO2-4等對(duì)混凝土產(chǎn)生化學(xué)侵蝕作用,致使其結(jié)構(gòu)遭到破壞,對(duì)工程建筑造成不利的影響。
1地下水的物理性質(zhì)
由于地下水在運(yùn)動(dòng)過程中與各種巖土體相互作用,而巖土中的可溶性物質(zhì)(很多是礦物)隨水遷移、聚集,使地下水成為一種復(fù)雜的溶液,這種復(fù)雜的地下水溶液通常具有溫度、顏色、透明度、氣味、味道和導(dǎo)電性等等的物理性質(zhì)。
2地下水的化學(xué)成分
第一,地下水中常見的氣體有:O2、N2、H2S、CO2等,一般地,地下水中氣體含量不高,但是氣體分子能夠很好地反映地球化學(xué)環(huán)境。
第二,地下水中含有的離子有:地下水中含量最多、分布最廣的離子有七種,即:Cl-、SO2-4、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。隨著地下水礦化度的類型的不同,地下水中占主要地位的離子或分子也隨之發(fā)生變化。
第三,地下水中的化合物有:Fe2O3、Al2O3、H2SiO3等。
3地下水的主要化學(xué)性質(zhì)
由于地下水具有如上的物理性質(zhì)和化學(xué)成分,因此在地下水中通常具有如下的化學(xué)性質(zhì):
第一,地下水的礦化度。
水中所含離子、分子及化合物的總量稱為水的總礦化度,低礦化度的水中常以含有HCO3-為主,中等礦化度水常以含有SO2-4為主;高礦化度的水常以含有Cl-為主,同時(shí)根據(jù)礦化度的高低,將水分為淡水、微咸水、咸水、鹽水和鹵水五類。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出的是高礦化度的水能降低水泥混凝土的強(qiáng)度,腐蝕鋼筋等等。
第二,地下水的酸堿度。
地下水的酸堿度用水的PH值來表示,常溫常壓下當(dāng)PH值小于5時(shí),水為強(qiáng)酸性水;PH值在5—7之間為弱酸性水,PH值為7時(shí),為中性的水;PH值在7—9之間時(shí)為弱堿性水;PH值大于9時(shí)為強(qiáng)堿性水。
第三,地下水的硬度。
通常情況下水的硬度按水中的Ca2+、Mg2+離子的含量的多少可以分為以下三種情況:
(1)總硬度,它是指水在未被煮沸時(shí)Ca2+、Mg2+離子的總含量。
(2)暫時(shí)硬度,它是指水在被煮沸時(shí)水中的Ca2+、Mg2+離子因失去CO2生成沉淀碳酸鹽而失去的Ca2+、Mg2+離子的數(shù)量。
(3)永久硬度是指水經(jīng)過煮沸后,仍然留在水中的Ca2+、Mg2+離子的含量,也就是總硬度與暫時(shí)硬度的差值。
總的說來,地下水的礦化度、酸堿度和硬度對(duì)水泥混凝土的強(qiáng)度都有影響。
4地下水的其他侵蝕性
具體地說,即為侵蝕性的CO2和游離的CO2。
CO2是地下水中的氣體成分之一。以氣體狀態(tài)存在于水中的CO2稱為游離的CO2,由于CO2的存在使水呈酸性。當(dāng)水中游離的CO2的量增加時(shí),水溶解碳酸鹽的能力就相應(yīng)的增強(qiáng),其反應(yīng)式即為:
CaCO3+H2O+CO2Ca(HCO3)2Ca2++2HCO-3
實(shí)際上式是互逆反應(yīng)。當(dāng)水中含有一定數(shù)量的HCO-3時(shí),必須有相當(dāng)?shù)挠坞xCO2與之保持平衡,這部分游離的CO2稱為平衡CO2。如果水中游離CO2含量多于平衡的需要,則有過剩的或多余的便可以溶解CaCO3并生成HCO-3,使反應(yīng)向右進(jìn)行,直到新的平衡為止。新生成的HCO-3又需要一定數(shù)量的游離CO2與之平衡,這部分CO2一定從上述超過平衡所需的CO2中來,因此原來超過平衡所需的游離CO2,一部分與新生的HCO-3相平衡,另一部分則消耗于對(duì)碳酸鹽的溶解,這后一部分的CO2就被稱之為侵蝕性CO2。由此可見,不是所有的游離CO2都能和碳酸鹽起作用,能溶解碳酸鹽的只是其中的一部分。實(shí)際上,地下水中只要有一定數(shù)量的侵蝕性CO2,便具有碳酸蝕,它就可以溶解碳酸鹽類巖石,腐蝕破壞水泥混凝土構(gòu)件。
另外,SO2-4與混凝土中的某些成分相互作用,生成含水硫酸鹽結(jié)晶,體積膨脹,使混凝土結(jié)構(gòu)破壞,,也稱為結(jié)晶式侵蝕,如生成CaSO4、2H2O時(shí),體積增大一倍,生成MgSO4、7H2O時(shí),體積增大4.3倍。另外,鎂鹽和混凝土中的Ca(OH)2作用,形成Mg(OH)2和易溶于水的CaCl2,而使混凝土結(jié)構(gòu)破壞。
5地下水對(duì)工程建筑的危害
(1)地下水位的變化,對(duì)工程建筑的危害影響極大,如地下水位上升,可引起淺基礎(chǔ)地基承載力的降低,在有地震砂土液化的地區(qū)會(huì)引起液化的加劇,巖土體產(chǎn)生變形、滑移、崩塌失穩(wěn)等不良的地質(zhì)作用。再有,在寒冷地區(qū)產(chǎn)生地下水的凍脹影響。其實(shí)就建筑物本身而言,若是地下水位在基礎(chǔ)底面以下壓縮層內(nèi)發(fā)生上升變化,水浸濕和軟化巖土,因而使地基土的強(qiáng)度降低,壓縮性增大,建筑物則會(huì)產(chǎn)生過大的沉降,導(dǎo)致地基嚴(yán)重變形。尤其是對(duì)于結(jié)構(gòu)
不穩(wěn)定的土(例如濕陷性黃土,膨脹土等)這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重,對(duì)設(shè)有地下室的建筑的防潮和防濕也均為很不利。
(2)地下水侵蝕性的影響主要體現(xiàn)在水對(duì)混凝土、可溶性石材、管道以及金屬材料的侵蝕和危害。突出表現(xiàn)在地下水的侵蝕性和地下水中的化學(xué)性質(zhì)的積極作用,在工程上帶來很大的危害,侵蝕性在或快或慢的進(jìn)行,改變了各種建筑材料的使用預(yù)期。
(3)在飽和的砂性土層中施工,由于地下水的水力狀態(tài)的改變,使土顆粒之間的有效應(yīng)力等于零,土顆粒懸浮于水中,隨著水一起流出的現(xiàn)象被稱為流砂。這種不良地質(zhì)作用的影響主要表現(xiàn)為在工程施工過程中會(huì)造成大量的土體流動(dòng),致使地表塌陷或建筑物的地基破壞,會(huì)給工程帶來極大的困難,或者直接影響建筑工程及附近建筑物的穩(wěn)定。
(4)如果地下水滲流水力坡度小于臨界水力坡度,那么雖然不會(huì)產(chǎn)生流砂現(xiàn)象,但是土中細(xì)小顆粒仍有可能穿過粗顆粒之間的孔隙被滲流帶走。其結(jié)果是使地基土的強(qiáng)度受到破壞,土下形成空洞,從而導(dǎo)致地表塌陷,破壞建筑場(chǎng)地的穩(wěn)定,此種現(xiàn)象就是常說的潛蝕。
(5)地下水的不良地質(zhì)作用中,還有一個(gè)應(yīng)尤其注意的是基坑涌水現(xiàn)象。這種現(xiàn)象發(fā)生在建筑物基坑下有承壓水時(shí),開挖基坑會(huì)減小基坑底下承壓水上部的隔水層厚度,減小過多會(huì)使承壓水的水頭壓力沖破基坑底板形成涌水現(xiàn)象。涌水會(huì)沖毀基坑,破壞地基,給工程帶來一定程度的經(jīng)濟(jì)損失。
(6)過度開采地下水,經(jīng)常造成地面沉陷,塌陷的地面給工程造成極大的危害,經(jīng)濟(jì)損失很大。此類的工程實(shí)例很多,例如某一工廠為了賺取更大的利潤,工業(yè)用水采用地下水,由于開采量超大,過度抽取地下水而造成了地面塌陷成很大的漏斗狀,因此而造成周邊的建筑開裂,地基很多失穩(wěn),給人們帶來了極大的安全隱患,過渡開采地下水的實(shí)例告訴我們,地下水資源可以被利用,但是不能盲目的過度的利用,否則就會(huì)受到大自然的懲罰。
總之,由于地下水的復(fù)雜成分和性質(zhì),對(duì)工程建筑的不良影響以及危害體現(xiàn)在以上諸多方面,因此工程建筑中要謹(jǐn)防地下水的影響,避免地下水的多種危害。應(yīng)該做到安全設(shè)計(jì)、施工和正常使用。
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