Коррозионные свойства грунтов
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Близким по сути к электроосмосу является очень важный с практической точки зрения процесс коррозии, характеризуемый коррозионной активностью.

Коррозионные свойства грунтов.

Коррозия – это процесс разрушения материалов при их химическом или электрохимическом взаимодействии с окружающей средой.

Для нас особый интерес представляет коррозия металлов, железа (сталь, чугун), свинца и алюминия, проявляющаяся при взаимодействии металлических сооружений, арматуры, покрытия кабеля с грунтом.

Преимущественно металлы разрушаются за счет электрохимической коррозии.

При соприкосновении металла с поровым раствором, который является электролитом, на поверхности металла возникает множество коррозионных (аналог гальванических) элементов из-за разности электрических потенциалов отдельных участков поверхности металла.

Т.к. оба участка погружены в один электролит и соединены между собой, возникает электрическая цепь. Рисунок……

В результате на аноде ионы из металла вырываются и переходят в р-р. На катоде металл получает вторую защиту.

Интенсивность этого процесса определяется коррозионной активностью грунта: это время, за которое на новом трубопроводе появится 1-ый сквозной питтинг (каверна).Диапозон колебаний коррозионной активности (данные для трубопровода Ф” с толщиной стенок 8-9.....)

                 Низкая – более 25лет

                 Нормальная – 10-25лет

                 Повышенная – 5-10лет

                  Высокая – 3-5лет

                  Очень высокая 1-3года

В лаборатории коррозионная активность грунтов к углеродной стали оценивается по потере массы стандартного образца-трубки, длиной 100мм и внутренним диаметром 19мм, заткнутой снизу резиновой пробкой, помещенного в стеклянную банку с увлажненным грунтом, являющимся анодом (положительным полюсом) в цепи: банка – отрицательный полюс. Если после 24-х часов нахождения под постоянным током, напряжением в 6В потеря массы трубки не превышает 1г, то грунты обладают низкой коррозионной активностью; если 1-2г – средней (нормальной); 2-3г- повышенной; 3-4г – высокой; более 4г-весьма (очень) высокой.

Оценка коррозионной активности выполняется также по отношению к свинцу и алюминию. При этом учитывается рН порового р-ра, содержание органических в-в, нитрат-иона (табл. )для свинца и рН, Сl-, Fe (2+ или 3+-?).

Коррозионная активность грунтов по отношению к свинцовой оболочке кабеля (по ГОСТ 9.015-84)

Таблицы…

Исследования показали, что во всех случаях как для свинца, так и для алюминия коррозионная активность является производной многих факторов (сложное, комплексное). Она зависит от:

1) химического состава грунтов, в частности от наличия воднорастворимых соединений. Т.к. благодаря их растворению образуется электролит.

    Трудно выделить влияние отдельных ионов, но замечено, что кроме этого Са2+ и Na+ имеют большое значение, т.к. изменяют пористость глинистых грунтов, скорость фильтрации, воздухопроницаемость.

2) рН. Известно, что коррозия проходит при больших значениях кислотности (рН=2-3) и щелочности (рН=13-14). При нейтральных значениях рН коррозионную активность определяют другие факторы.

3) rH.Окислительно-восстановительный потенциал. (окисление – это отдача электронов Fe2-→Fe3-; восстановление – обратно.)

 Учитывает опасность биокоррозии, т.к. между rH и количеством органического вещества имеется связь.

При низких значениях rH степень ожидаемой коррозии высокая.

4) W – огромное влияние. В сухих грунтах не наблюдается коррозия ввиду отсутствия электролита, необходимого для образования коррозионных элементов. Интересна зависимость скорости коррозии от W. При прочих равных условиях, сначала растет, потом = соnst, потом убывает.

График…..

5)Очевидно, что воздух будет работать обратно W. Свободный доступ воздуха к коррозионным элементам активизирует их работу. Связь сложная. Играет роль состав газов. Кислород повышает скорость коррозии. Сероводород Н2S, соединяясь с железом, образует сернистое железо – представляет также серьезную опасность.

6) Текстурно-структурные особенности: пористость→ влажность→ газоводопроницаемость. Сейчас для характеристики коррозионной активности пород используют также величину удельного электрическрго сопротивления ρ (омхм). Сама по себе ρ не является причиной, вызывающей коррозию, но при малом ρ сила тока в коррозионных элементах может достигать размеров, угрожающих сооружению.

Особенно достается трубопроводам, металлическим частям оснований сооружений. Поэтому коррозионная активность должна правильно и обязательно учитаваться.

 

Проницаемость грунтов

Способность грунта пропускать жидкость или газ при перепаде давления.

Для характеристики проницаемости используется Кф. При ламинарном режиме в водонасыщенных грунтах движение воды подчиняется закону Дарси:

Q = FxKфxi; Q/F=Kфxi=V,

Q-расход, м3/сут.;

F – площадь фильтрации;

i =ΔH/l – напор, равный перепаду давлений на путь;

F=bxm

Кф – скорость фильтрации при i=1м/сут.

Для отделения влияния на Кф свойств воды, используют коэффициент проницаемости, зависящий только от геометрии порового пространства:

Кп=(qxlxη)/Fxtx(P1-P2),

q- объем жидкости, профильтровавшийся через образец,

l – длина образца,

η – вязкость жидкости при температуре опыта,

F – площадь поперечного сечения образца,

T – время фильтрации,

P1-P2- перепад давления,

Проницаемость выделяют:

-абсолютную – характеризующую пропускную способность пористой среды, невзаимодействующей с жидкостью или газом

-эффективную – проницаемость пористой среды для данного раствора или одновременном присутствии в порах другой фазы – жидкой или газовой

- относительная – отношение эффективной и абсолютной. При оценке Кф, Кп подбирают реальные условия. При оценке абсолютной Кп через грунт пропускают воздух. Водопроводимость Кхm=Кв

Липкость грунтов

Способность грунтов прилипать к поверхности различных предметов называется липкостью.

Особенно характерна для связных: глинистых, лессовых, илов.

Существенно зависит от W грунта и внешней нагрузки Р.

Начинается Wчуть< Wммв (при больших Р(>1мПа)) и до чуть > чем Wl.

Т.е. с какого-то момента у воды появляются свободные связи, обуславливающие прилипание к предметам. Увеличение W приводит к образованию свободной воды и липкость резко снижается. Т.е.главное значение для проявления липкости имеет рыхло(слабо) связанная вода.

Характеристикой липкости грунтов является усилие в г/cм2, требующееся для отрыва прилипшего предмета от грунта при различных W.

Показатели: -W начального прилипания;

- W максимального прилипания;

- Максимальное значение липкости.

На липкость влияют: прежде всего: это условия наличия липкости:

А) наличие глинистых минералов или

Б) органических высокодисперсных частиц

В) воды

Г)гранулометрический состав

Очень наглядны графики, полученные П.Ф.Мельниковым для покровной глины.

График…

Липкость частиц, меньше 1мкм из каолиновой глины по данным В.Я.Калачева больше 10н/см2. При липкости фракций 1-2мкм, 2-5, 5-10мкм от 7.3 до 1.2н/cм2. Липкость песков, супесей гораздо меньше.

Минеральный состав.

Липкость монтмориллонита больше липкости каолиновых глин в 5 раз и гидрослюдистых глин в 2 раза.

Состав обменных катионов.

Na+ сильно увеличивает липкость.

Карбонаты уменьшают.

Са2+ уменьшает

Органическое вещество – увеличивает.

Сильная липкость наблюдается у черноземов

Структура.

Грунты с ненарушенной структурой всегда имеют липкость меньшую, чем с нарушенной.

Влияет и состав жидкого компонента

Но для различных солей имеет место свои максимум и минимум влияния концентрации. Например, для каолиновой глины с поровым раствором, содержащим NaCl, CaCl2, максимальная липкость наблюдается при концентрации 0.1-0.5Н.

Условия опыта.

Внешнее давление (Р)

График…

Чем больше Р, тем больше величина липкости

Имеет значение также время воздействия нагрузки на штамп. Причем для каолиновой глины максимум наблюдается при 3-5 минутах, а для монтмориллонитовой – 30-40мин. При большем времени вода отжимается от поверхности и увеличение липкости резко замедляется.

Величина липкости зависит от того, к какому материалу осуществляется прилипание. Глинистые грунты лучше всего прилипают к дереву, хуже – к железу.

Песчаные и торфяные – наоборот

Липкость важна при оценке работы ковшев дорожных экскаваторов, дорожных и почвообрабатывающих машин.

Сейчас важную роль имеет при оценке расчете эффективности землезахватывающих механизмов, работающих в океанах, морях.

Для маяков и т.п., установл-х на грунт. В военных целях.

 

Пластичность грунтов

Под пластичностью понимается способность грунта деф-ся без разрыва сплошности и сохранять форму после устранения.

Пластичностью обладают только глинистые грунты, лессовые, мел мергели, мел, почвы. У других грунтов ее нет. Характеризуется Wl, Wp и Il. Чем больше Ip, тем большей пластичностью обладает грунт. На нее влияют:

-гранулометрический состав. Пластичность начинается у частиц, размером менее 0.005мм и достигает максимума у частиц меньше 0.001мм.

-минеральный состав. Макс.- монтмориллонит, затем – гидрослюда, мин. – каолинит.

-форма частиц – наилучшим образом проявляются пластические св-ва у минералов пластинчатого строения: биотит менее 2мк имеет пластичность, а кварц – нет.

-состав обменных катионов

катион+>катион2+>катион3+

понятно почему, т.к. тесно связано с содержанием рыхлосвязанной воды

- состав и концентрация водного р-ра

Чем больше «С» солей, тем меньше пластичность.

Для определения пределов пластичности используют различные методы. Наибольшее распространение в СССР получили методы:

А.Казагранде для Wp, А.М.Васильева для WL (ГОСТ 5180-84).

За рубежом для WL тоже А.Казагранде.

LL=1.25WL-4.6

PL=0.91Wp+2.2

PI=1.44Ip-2.4

Используются пределы пластичности для вычисления Ip и далее для классифицирования глинистых грунтов.

Для вычисления IL.

Для расчета коллоидной активности ( по Скемптону, 1953) или показателя пластичности глинистой фракции Кр=Ip/Ф или показатель гидрофильности глинистой фракции К=WL/Ф<0.002.

 

Набухаемость грунтов.

Свойство набухаемость проявляется в способности дисперсных грунтов увеличивать V в процессе взаимодействия с водой или растворами. Свойство обусловлено гидрофильностью тонкодисперсных частиц, их большой удельной поверхностью, в свою очередь определяющ. формирование слабосвязанной воды.

Набухание дисперсных грунтов происходит в результате расклинивающего действия сольватных (гидратных) оболочек связанной воды, образующихся при гидратации минеральных глинистых частиц, органогенных и органоминеральных. Силы структурных связей между этими частицами противодействуют расклинивающему действию водных оболочек. В зависимости от того, какие силы больше, происходит набухание или нет. Набухание идет до восстановления нового равновесия. Разница расклинивающего давления и сил связей, сопротивляющихся ему, будет называться давлением набухания. Оно может быть измерено компенсационной нагрузкой, т.е. нагрузкой, при которой набухание наблюдаться не будет.

Ф.Д.Овчаренко(1961г.) показал, что набухание происходит под действием адсорбционных, осмотических и каппилярных сил, определяющих напряжение, с которым вода связывается в структурированной системе.

Многими исследователями подчеркивалась роль осмотических сил. Если концентрация солей в поровом растворе оказалась больше?, чем в воде, насыщающей грунт, то происходит набухание. Величина его зависит естественно от минерального состава. Особенно ярко проявляется у монтмориллонитовых глин.

Характеристиками набухания являются:

1. Деформация набухания Rн, определяемой по относительному изменению V или h при невозможности бокового расширения грунта после набухания и выражаемая в % или в долях единицы.

Например: СНиП II-15-74. Относительное набухание

     Еsw=(hн-ho)/ho

Если ≥0.04, грунт набухающий;

0.04≤Esw≤0.08 – слабонабухающий;

0.08< Esw≤0.12- средненабухающий;

Esw>0.12 – сильнонабухающий.

2. Влажность набухания(Wн) – влажность образца после набухания.

3. Давление набухания (Рн) – давление в мПа, которое развивает грунт в процессе набухания при невозможности объемной деформации.

Интересно, что в процессе набухания происходит не просто водонасыщение глинистого грунта.

Vнабухшего грунта < Vтвердой фазы грунта + Vводы.

 Это явление носит название контракции объема.

Для бентонитовой глины контракция объема равна 1.6см3 на 100г грунта.

Объясняется контракция объема образованием связанной воды.

γs связанной воды> γs свободной воды. При переходе в связанное состояние γs увеличивается, а Vу<.

  Основными факторами, определяющими набухание являются:

А)состав и строение грунта;

Б) химический состав и «С» воды;

В) величина внешнего давления;

 

А)состав и строение грунта.

1.Гран. состав . Пески, супеси не набухают. Глин до 90% и >.

2.Мин.состав: минералы с подвижной кристаллич. решеткой (гр.монтморил.)>чем (гр.каолинит.).

3.Обменный состав катионов.

           + > ++ > +++

Влияют начальная W(чем < тем >); γ (чем>тем>)

4.Строение грунта. Слоистые грунты обладают анизотропией

 

В)существенно влияет величина внешней нагрузки особенно при небольших величинах набухания. Если величина пригрузки велика, то набухание может вообще не проявиться

 

Усадочность грунтов

Свойство уменьшаться в объеме при удалении воды называется усадкой. Вода может удаляться при проявлении таких физико-химических процессов как осмос, синерезис.

Усадка может происходить и в субаэральных условиях – испарение влаги под действием (благодаря ?) разности температур (разности относительной влажности) и в субаквальных – под действием разности концентрации электролитов и при старении коллоидов.

Способностью давать усадку обладает только влажный грунт. Усадочность характерна для глин. Другим породам – глинистым, мергель, известняк, глинистый известняк менее характерна, но растрескивание известняков, мергелей является существенным фактором выветривания этих достаточно прочных пород. На склонах образуются подвижные осыпи, являющиеся источниками грязевых потоков (селей).

Усадка приводит к уплотнению породы, упрочнению грунта, но появляющиеся в результате внутренних напряжений трещины увеличивают водопроницаемость, уменьшают прочность пород в откосах. Глубина усадочных клиновидных трещин достигает 5-7 метров и более.

В процессе усадки происходит перераспределение растворимых химических компонентов грунта. Участки породы, через которые происходит фильтрация и испарение воды, обогащаются солями, могут упрочняться, приобрести повышенную водостойкость. Однако может быть и обратный процесс – дезинтеграция при кристаллизации таких минералов, как гипс.

Т.о. усадка – сложный физико-химический процесс в корне могущий изменить характер структурных связей, структуру грунта.

Субаэральные условия

Температурная: усадка глинистого водонасыщенного грунта протекает в 3 стадии: а) замедленной, б)нормальной

и в)остаточной усадки (по данным МГУ).

а) на первой вода испаряется в основном из крупных пор – общее уменьшение объема грунта меньше объема испарившейся воды;

б) на второй – уменьшение объема грунта максимально и приблизительно равно объему испарившейся воды;

в) уменьшение объема грунта значительно отстает от изменения объема испарившейся воды. Ее доля в общей усадке приблизительно равна 2-3%.

В зависимости от минерального состава эти три стадии протекают по-разному

Для каолиновой глины характерно небольшое увеличение объема системы на 3-ей стадии, что связано с уменьшением сил, действующих на скелет при удалении водных пленок.

Для гидрослюд на 3-ей стадии характерно небольшое уменьшение объема .

Для монтмориллонита наблюдается сначала некоторое увеличение объема, а затем его уменьшение вплоть до достижения нулевой влажности.

Отмеченное увеличение объема (сухое набухание по Е.М.Сергееву) происходит тогда, когда в грунте остается Wг, которая характеризуется островным распределением на поверхности частиц и не может обеспечить равномерное покрытие их поверхности. Дальнейшее уплотнение обусловлено межчастичным взаимодействием вследствие устранения экранирующего влияния связанной воды (Зиангиров, 1979).

Субаквальные условия

Усадка может происходить вследствии коллоидно-химических процессов, протекающих как в подводных, так и в континентальных условиях.

Одним из видов таких процессов является синерезис: самопроизвольное удаление поровой воды из коллоидно-дисперсной системы в результате уменьшения ее потенциальной энергии. Происходит сжатие системы, изменение связей, перекристаллизация. Синергетическое уплотнение трудно отделить от осмотического, связанного с различием концентраций солей в растворе. Изменение природных условий на дне водоема приводит к изменению солености и осмотическому уплотнению.

Параллельно идет гравитационное уплотнение.

Экспериментально доказано, что при изменении концентрации порового раствора даже в подводном состоянии образуются трещины, глубина которых и ширина зависит от минерального состава осадков, наличия коллоидов, химического состава и концентрации порового раствора.

Показателями усадочности являются:

1) относительная линейная δу и 2) объемная δуо усадки

δу=(h1-h2)/h1-?            δуо = (v1-v2)/v1, где

h1 и v1 – начальные высота и объем образца,

h2 и v2 - после усадки.

Ориентировочно δуо ≈ 3 δу .

 

Влияние свойств твердого компонента.

Величина усадки зависит от минерального состава, который обуславливает дисперсность, кристаллохимические особенности поверхности минеральных частиц, кристаллическую структуру минералов ( подвижная или нет кристаллическая решетка и пр.). Наибольшее δу, δуо имеют монтмориллонитовые, палыгорскитовые, каолиновые и гидрослюдистые – наименьший.

Структурное строение. У глин, состоящих из частиц трубчатого габитуса, характерна большая усадка, что объясняется рыхлой упаковкой таких частиц в образце.

 

Прочность структурных связей

Усадка паст, как правило в несколько раз выше, чем образцов с естественными структурными связями при одинаковых «W» и «n». Например, для лессовидных суглинков в 3.6-5.8. Естественные структурные связи препятствуют уплотнению грунта при усадке, тогда как в пасте частицы могут еще относительно свободно перемещаться относительно друг друга.

Для молодых глинистых отложений влияние структурных связей на усадку при отсутствии прочного цемента может быть и несущественным. У глин с ориентированной микротекстурой величина усадки на 5-10% больше по сравнению с глинами с хаотичным расположением частиц.

Слоистые глины характеризуются анизотропией усадочности. Например, относительная линейная усадка хвалынских глин параллельно слоистости, по данным Я.С.Метерского, равна 1.5-5.2% ( в среднем 4%), а перпендикулярно ей – 2.7-14.0% (в среднем 8%).

Состав раствора.

Существенное влияние на усадочность оказывает состав порового раствора: состав обменных катионов, концентрация солей. Монтмориллонитовые гидрослюдистые глины, насыщенные ионом Na+ или Li+, дают наибольшую усадку, т.к. для них характерна высокая гидрофильность и высокая начальная W. Содержание Са++, К+ и еще > трехвалентных катионов понижают усадку.

Условия.

Существенное влияние оказывает режим сушки. Обычно чем быстрее, тем меньше усадка, т.к. ей мешают внутренние, еще не высохшие слои.

Высыхание ведет к росту внутренних сжимающих напряжений сил (в случае палыгорскитовых глин до 10 МПа).

Интересно, что если сушить грунт до влажности W и объемной массы γ и сжимать грунт до тех же W и γ, то прочность первых будет значительно больше.

Это происходит из-за структурных связей между частицами, возникающих при сушке в результате кристаллизации солей, проявления молекулярных и электростатических связей.

В процессе сушки обычно образуются трещины, появляющиеся из-за развития напряжений, превышающих прочность структурных связей между частицами и агрегатами, возникающих из-за неравномерного распределения W и t. В центре тела возникают сжимающие, а на поверхности – растягивающие. Если усадка происходит под действием медленного изменения t и W, разрывов сплошности не происходит.

В естественных условиях мы наблюдаем усадку в виде шелушения глин, образования полигональной сети.

 

Дата: 2019-02-02, просмотров: 432.