工程建筑中地下水危害研究

郭豐敏 程 勝

摘要:地下水是很重要的水資源,它與地表水不同,對人類的水源提供具有很重要的意義,然而在工程建設中,由于地下水的特殊性和其化學成分,對鋼筋混泥土具有很大的侵蝕性。采用化學分析方法對地下水進行分析,獲取水中的物質定量指標, 評價其對工程建筑的作用和影響。

關鍵詞:地下水;化學分析;侵蝕性;影響

中圖分類號:P640.26文獻標識碼:A文章編號:1672-3198(2009)23-0296-02

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、巖石空隙當中的水。多呈液態存在,它是構成水圈的重要水體之一,水量很大僅次于海洋?？傮w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,地下水對社會經濟發展具有十分重要的意義。人類的經濟活動加速著地下水環境的惡化,引起一系列地質災害。一般講,地質災害有突發性和緩慢性兩類。地下水開發利用所導致或誘發的地質環境惡化,往往是緩慢性的地質災害,因此,過去常常被人們所忽視,這是非常危險的。即從工程建設的角度來看,地下水的活動不僅對巖石和土產生機械破壞,而且作為一種溶劑還會使土體和巖石的強度和穩定性消弱,以至于產生滑坡、地基沉陷、道路凍脹和翻漿等不良現象,給各類工程建筑以及其正常使用造成危害;同時,地下水中含有的侵蝕性物質如CO32-、Cl-、SO2-4等對混凝土產生化學侵蝕作用,致使其結構遭到破壞,對工程建筑造成不利的影響。

1地下水的物理性質

由于地下水在運動過程中與各種巖土體相互作用,而巖土中的可溶性物質(很多是礦物)隨水遷移、聚集,使地下水成為一種復雜的溶液,這種復雜的地下水溶液通常具有溫度、顏色、透明度、氣味、味道和導電性等等的物理性質。

2地下水的化學成分

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環境。

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地下水的主要化學性質

由于地下水具有如上的物理性質和化學成分,因此在地下水中通常具有如下的化學性質:

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,同時根據礦化度的高低,將水分為淡水、微咸水、咸水、鹽水和鹵水五類。應該強調指出的是高礦化度的水能降低水泥混凝土的強度,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PH值小于5時,水為強酸性水;PH值在5—7之間為弱酸性水,PH值為7時,為中性的水;PH值在7—9之間時為弱堿性水;PH值大于9時為強堿性水。

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Ca2+、Mg2+離子的總含量。

(2)暫時硬度,它是指水在被煮沸時水中的Ca2+、Mg2+離子因失去CO2生成沉淀碳酸鹽而失去的Ca2+、Mg2+離子的數量。

(3)永久硬度是指水經過煮沸后,仍然留在水中的Ca2+、Mg2+離子的含量,也就是總硬度與暫時硬度的差值。

總的說來,地下水的礦化度、酸堿度和硬度對水泥混凝土的強度都有影響。

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。當水中游離的CO2的量增加時,水溶解碳酸鹽的能力就相應的增強,其反應式即為:

CaCO3+H2O+CO2Ca(HCO3)2Ca2++2HCO-3

實際上式是互逆反應。當水中含有一定數量的HCO-3時,必須有相當的游離CO2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,使反應向右進行,直到新的平衡為止。新生成的HCO-3又需要一定數量的游離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。實際上,地下水中只要有一定數量的侵蝕性CO2,便具有碳酸性侵蝕,它就可以溶解碳酸鹽類巖石,腐蝕破壞水泥混凝土構件。

另外,SO2-4與混凝土中的某些成分相互作用,生成含水硫酸鹽結晶,體積膨脹,使混凝土結構破壞,,也稱為結晶式侵蝕,如生成CaSO4、2H2O時,體積增大一倍,生成MgSO4、7H2O時,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,而使混凝土結構破壞。

5地下水對工程建筑的危害

(1)地下水位的變化,對工程建筑的危害影響極大,如地下水位上升,可引起淺基礎地基承載力的降低,在有地震砂土液化的地區會引起液化的加劇,巖土體產生變形、滑移、崩塌失穩等不良的地質作用。再有,在寒冷地區產生地下水的凍脹影響。其實就建筑物本身而言,若是地下水位在基礎底面以下壓縮層內發生上升變化,水浸濕和軟化巖土,因而使地基土的強度降低,壓縮性增大,建筑物則會產生過大的沉降,導致地基嚴重變形。尤其是對于結構

不穩定的土(例如濕陷性黃土,膨脹土等)這種現象更為嚴重,對設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在水對混凝土、可溶性石材、管道以及金屬材料的侵蝕和危害。突出表現在地下水的侵蝕性和地下水中的化學性質的積極作用,在工程上帶來很大的危害,侵蝕性在或快或慢的進行,改變了各種建筑材料的使用預期。

(3)在飽和的砂性土層中施工,由于地下水的水力狀態的改變,使土顆粒之間的有效應力等于零,土顆粒懸浮于水中,隨著水一起流出的現象被稱為流砂。這種不良地質作用的影響主要表現為在工程施工過程中會造成大量的土體流動,致使地表塌陷或建筑物的地基破壞,會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,那么雖然不會產生流砂現象,但是土中細小顆粒仍有可能穿過粗顆粒之間的孔隙被滲流帶走。其結果是使地基土的強度受到破壞,土下形成空洞,從而導致地表塌陷,破壞建筑場地的穩定,此種現象就是常說的潛蝕。

(5)地下水的不良地質作用中,還有一個應尤其注意的是基坑涌水現象。這種現象發生在建筑物基坑下有承壓水時,開挖基坑會減小基坑底下承壓水上部的隔水層厚度,減小過多會使承壓水的水頭壓力沖破基坑底板形成涌水現象。涌水會沖毀基坑,破壞地基,給工程帶來一定程度的經濟損失。

(6)過度開采地下水,經常造成地面沉陷,塌陷的地面給工程造成極大的危害,經濟損失很大。此類的工程實例很多,例如某一工廠為了賺取更大的利潤,工業用水采用地下水,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,給人們帶來了極大的安全隱患,過渡開采地下水的實例告訴我們,地下水資源可以被利用,但是不能盲目的過度的利用,否則就會受到大自然的懲罰。

總之,由于地下水的復雜成分和性質,對工程建筑的不良影響以及危害體現在以上諸多方面,因此工程建筑中要謹防地下水的影響,避免地下水的多種危害。應該做到安全設計、施工和正常使用。