工程建筑中地下水危害研究

郭丰敏 程 胜

摘要:地下水是很重要的水资源,它与地表水不同,对人类的水源提供具有很重要的意义,然而在工程建设中,由于地下水的特殊性和其化学成分,对钢筋混泥土具有很大的侵蚀性。采用化学分析方法对地下水进行分析,获取水中的物质定量指标, 评价其对工程建筑的作用和影响。

关键词:地下水;化学分析;侵蚀性;影响

中图分类号:P640.26文献标识码:A文章编号:1672-3198(2009)23-0296-02

0前言

地下水与地表水不同,它是埋藏在地表以下的土中孔隙和裂隙、岩石空隙当中的水。多呈液态存在,它是构成水圈的重要水体之一,水量很大仅次于海洋。总体说来,地下水是水资源的重要组成部分,地下水是淡水的主要来源,地下水对社会经济发展具有十分重要的意义。人类的经济活动加速着地下水环境的恶化,引起一系列地质灾害。一般讲,地质灾害有突发性和缓慢性两类。地下水开发利用所导致或诱发的地质环境恶化,往往是缓慢性的地质灾害,因此,过去常常被人们所忽视,这是非常危险的。即从工程建设的角度来看,地下水的活动不仅对岩石和土产生机械破坏,而且作为一种溶剂还会使土体和岩石的强度和稳定性消弱,以至于产生滑坡、地基沉陷、道路冻胀和翻浆等不良现象,给各类工程建筑以及其正常使用造成危害;同时,地下水中含有的侵蚀性物质如CO32-、Cl-、SO2-4等对混凝土产生化学侵蚀作用,致使其结构遭到破坏,对工程建筑造成不利的影响。

1地下水的物理性质

由于地下水在运动过程中与各种岩土体相互作用,而岩土中的可溶性物质(很多是矿物)随水迁移、聚集,使地下水成为一种复杂的溶液,这种复杂的地下水溶液通常具有温度、颜色、透明度、气味、味道和导电性等等的物理性质。

2地下水的化学成分

第一,地下水中常见的气体有:O2、N2、H2S、CO2等,一般地,地下水中气体含量不高,但是气体分子能够很好地反映地球化学环境。

第二,地下水中含有的离子有:地下水中含量最多、分布最广的离子有七种,即:Cl-、SO2-4、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。随着地下水矿化度的类型的不同,地下水中占主要地位的离子或分子也随之发生变化。

第三,地下水中的化合物有:Fe2O3、Al2O3、H2SiO3等。

3地下水的主要化学性质

由于地下水具有如上的物理性质和化学成分,因此在地下水中通常具有如下的化学性质:

第一,地下水的矿化度。

水中所含离子、分子及化合物的总量称为水的总矿化度,低矿化度的水中常以含有HCO3-为主,中等矿化度水常以含有SO2-4为主;高矿化度的水常以含有Cl-为主,同时根据矿化度的高低,将水分为淡水、微咸水、咸水、盐水和卤水五类。应该强调指出的是高矿化度的水能降低水泥混凝土的强度,腐蚀钢筋等等。

第二,地下水的酸碱度。

地下水的酸碱度用水的PH值来表示,常温常压下当PH值小于5时,水为强酸性水;PH值在5—7之间为弱酸性水,PH值为7时,为中性的水;PH值在7—9之间时为弱碱性水;PH值大于9时为强碱性水。

第三,地下水的硬度。

通常情况下水的硬度按水中的Ca2+、Mg2+离子的含量的多少可以分为以下三种情况:

(1)总硬度,它是指水在未被煮沸时Ca2+、Mg2+离子的总含量。

(2)暂时硬度,它是指水在被煮沸时水中的Ca2+、Mg2+离子因失去CO2生成沉淀碳酸盐而失去的Ca2+、Mg2+离子的数量。

(3)永久硬度是指水经过煮沸后,仍然留在水中的Ca2+、Mg2+离子的含量,也就是总硬度与暂时硬度的差值。

总的说来,地下水的矿化度、酸碱度和硬度对水泥混凝土的强度都有影响。

4地下水的其他侵蚀性

具体地说,即为侵蚀性的CO2和游离的CO2。

CO2是地下水中的气体成分之一。以气体状态存在于水中的CO2称为游离的CO2,由于CO2的存在使水呈酸性。当水中游离的CO2的量增加时,水溶解碳酸盐的能力就相应的增强,其反应式即为:

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

实际上式是互逆反应。当水中含有一定数量的HCO-3时,必须有相当的游离CO2与之保持平衡,这部分游离的CO2称为平衡CO2。如果水中游离CO2含量多于平衡的需要,则有过剩的或多余的便可以溶解CaCO3并生成HCO-3,使反应向右进行,直到新的平衡为止。新生成的HCO-3又需要一定数量的游离CO2与之平衡,这部分CO2一定从上述超过平衡所需的CO2中来,因此原来超过平衡所需的游离CO2,一部分与新生的HCO-3相平衡,另一部分则消耗于对碳酸盐的溶解,这后一部分的CO2就被称之为侵蚀性CO2。由此可见,不是所有的游离CO2都能和碳酸盐起作用,能溶解碳酸盐的只是其中的一部分。实际上,地下水中只要有一定数量的侵蚀性CO2,便具有碳酸性侵蚀,它就可以溶解碳酸盐类岩石,腐蚀破坏水泥混凝土构件。

另外,SO2-4与混凝土中的某些成分相互作用,生成含水硫酸盐结晶,体积膨胀,使混凝土结构破坏,,也称为结晶式侵蚀,如生成CaSO4、2H2O时,体积增大一倍,生成MgSO4、7H2O时,体积增大4.3倍。另外,镁盐和混凝土中的Ca(OH)2作用,形成Mg(OH)2和易溶于水的CaCl2,而使混凝土结构破坏。

5地下水对工程建筑的危害

(1)地下水位的变化,对工程建筑的危害影响极大,如地下水位上升,可引起浅基础地基承载力的降低,在有地震砂土液化的地区会引起液化的加剧,岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良的地质作用。再有,在寒冷地区产生地下水的冻胀影响。其实就建筑物本身而言,若是地下水位在基础底面以下压缩层内发生上升变化,水浸湿和软化岩土,因而使地基土的强度降低,压缩性增大,建筑物则会产生过大的沉降,导致地基严重变形。尤其是对于结构

不稳定的土(例如湿陷性黄土,膨胀土等)这种现象更为严重,对设有地下室的建筑的防潮和防湿也均为很不利。

(2)地下水侵蚀性的影响主要体现在水对混凝土、可溶性石材、管道以及金属材料的侵蚀和危害。突出表现在地下水的侵蚀性和地下水中的化学性质的积极作用,在工程上带来很大的危害,侵蚀性在或快或慢的进行,改变了各种建筑材料的使用预期。

(3)在饱和的砂性土层中施工,由于地下水的水力状态的改变,使土颗粒之间的有效应力等于零,土颗粒悬浮于水中,随着水一起流出的现象被称为流砂。这种不良地质作用的影响主要表现为在工程施工过程中会造成大量的土体流动,致使地表塌陷或建筑物的地基破坏,会给工程带来极大的困难,或者直接影响建筑工程及附近建筑物的稳定。

(4)如果地下水渗流水力坡度小于临界水力坡度,那么虽然不会产生流砂现象,但是土中细小颗粒仍有可能穿过粗颗粒之间的孔隙被渗流带走。其结果是使地基土的强度受到破坏,土下形成空洞,从而导致地表塌陷,破坏建筑场地的稳定,此种现象就是常说的潜蚀。

(5)地下水的不良地质作用中,还有一个应尤其注意的是基坑涌水现象。这种现象发生在建筑物基坑下有承压水时,开挖基坑会减小基坑底下承压水上部的隔水层厚度,减小过多会使承压水的水头压力冲破基坑底板形成涌水现象。涌水会冲毁基坑,破坏地基,给工程带来一定程度的经济损失。

(6)过度开采地下水,经常造成地面沉陷,塌陷的地面给工程造成极大的危害,经济损失很大。此类的工程实例很多,例如某一工厂为了赚取更大的利润,工业用水采用地下水,由于开采量超大,过度抽取地下水而造成了地面塌陷成很大的漏斗状,因此而造成周边的建筑开裂,地基很多失稳,给人们带来了极大的安全隐患,过渡开采地下水的实例告诉我们,地下水资源可以被利用,但是不能盲目的过度的利用,否则就会受到大自然的惩罚。

总之,由于地下水的复杂成分和性质,对工程建筑的不良影响以及危害体现在以上诸多方面,因此工程建筑中要谨防地下水的影响,避免地下水的多种危害。应该做到安全设计、施工和正常使用。