7.4. Определение видов жесткости подземных вод.

Жесткость воды - свойство, обусловленное наличием в ней растворенных соединений Са и Мg, и способностью их образовывать плотный нерастворимый осадок при кипячении (плотная корка в котлах). Это свойство отчетливо выявляется при растворении в воде мыла: чем вода жестче, тем больше мыла требуется. Жесткие воды непригодны для многих производств – бумажного, сахарного, кожевенного и др.

В настоящее время жесткость принято выражать количеством миллиграмм-эквивалентов кальция и магния, 1 мг-экв жесткости соответствует содержанию в 1 л воды 20,04 мг Са²⁺ и 12,16 мг Mg²⁺. В других странах жесткость измеряют в градусах. 1 мг-экв/л жесткости соответствует 2,8⁰ (немецким), 5,005⁰ (французским), 3,511⁰ (английским) и 50,045⁰ (американским). Для питьевых целей используются подземные воды с жесткостью до 7 мг-экв.

Таблица 10

Классификация природных вод по степени жесткости

Характеристика воды	Жесткость в мг-экв	Жесткость в немецких градусах
Очень мягкие	< 1,5	< 4,2^0
Мягкие	1,5 – 3,0	4,2^0 - 8,4^0
Умеренно жесткие	3,0 – 6,0	8,4^0 – 16,8^0
Жесткие	6,0 – 9,0	16,8^0 – 25,2^0
Очень жесткие	> 9,0	> 25,2^0

Различают пять видов жесткости: общую, временную, постоянную, карбонатную, остаточную.

Общая жесткость обусловлена суммой всех солей Са и Мg.

Карбонатная и устранимая (временная) жесткость вызывается наличием гидрокарбонатных и карбонатных солей кальция и магния. Временная жесткость величина экспериментальная, показывающая, насколько уменьшилась общая жесткость после длительного кипячения воды. При кипячении происходит следующая реакция:

Са (НСО₃)₂ → СаСО₃ + Н₂О + СО₂↑

Карбонатная жесткость – расчетная величина, равная сумме миллиграмм- эквивалентов НСО₃^- и СО₃^2-.

Постоянная жесткость равна разнице между общей и временной жесткостью.

Остаточная (некарбонатная) жесткость равна разнице между общей и карбонатной жесткостью.

Жесткость, связанная с наличием сульфатов устраняется путем обработки содой или известью.

7.5. Определение агрессивности подземных вод

Подземные воды определенного состава могут оказывать разрушительное воздействие на различные строительные материалы, в том числе на бетонные сооружения и железные конструкции. Эта разрушительная способность воды получила название агрессивности. Различают следующие виды агрессивности воды: 1) углекислотная; 2) выщелачивающая; 3) общекислотная; 4) сульфатная; 5) магнезиальная; 6) кислородная.

1. Углекислотная агрессивность - состоит в разрушении бетона в результате растворения СаСО₃ под действием агрессивной углекислоты (СО₂) и может быть выражена уравнением:

СаСО₃ + Н₂О + СО₂ ↔ Са(НСО₃)₂ ↔ Са²⁺ + 2НСО₃^-

Количество углекислоты, вызывающее подвижное равновесие между СаСО₃ и Са(НСО₃)₂ называется равновесной углекислотой, допускается в природных водах, не вызывая активного растворения СаСО₃. Количество углекислоты, которое превышает равновесное, вызывая постоянное растворение СаСО₃ бетона со смещением хода реакции необратимо вправо, называется агрессивной углекислотой.

Если содержание свободной углекислоты в воде окажется меньше, чем необходимо для равновесия, то из воды будет выделяться СаСО₃, который тонкой коркой будет покрывать поверхность бетонной конструкции, защищая его от разрушения.

Если же содержание свободной углекислоты будет больше, чем необходимо для равновесия, то при соприкосновении такой воды с СаСО₃ бетона будет происходить его растворение до тех пор, пока не наступит равновесие.

Таким образом, вода будет проявлять углекислотную агрессивность тогда, когда содержание в ней свободной углекислоты будет больше, чем необходимо для равновесия с твердым углекислым кальцием. Измеряется в мг/л.

В нормах и технических условиях предусматривается различное допустимое содержание агрессивной угольной кислоты в зависимости от количества НСО₃^- и общей минерализации, а также от условий, в которых происходит агрессия (толщина конструкции, коэффициент фильтрации, напор, сорт цемента).

Максимальным содержанием агрессивной СО₂, допустимым при наиболее опасных условиях, является 3 мг/л, при наименее опасных – 8,3 мг/л.

2. Выщелачивающая агрессивность - происходит за счет выщелачивания (растворения) карбоната кальция и вымывания из бетона гидрата окиси кальция. При малых концентрациях карбоната кальция в воде часть карбоната кальция бетона переходит в раствор через гидрокарбонатную стадию - Са(НСО₃)₂.

Выщелачивающая агрессия – определяется величиной временной жесткости, которая зависит от НСО₃^-, проявляется в ультрамягких или мягких водах, в которых находится минимальное содержание ионов НСО₃. Ультрамягкие воды способны выщелачивать карбонаты до момента создания равновесия между карбонатами и бикарбонатами.

В зависимости от состава (сорта) цемента и условий в которых находится сооружение, вода согласно нормам обладает выщелачивающей агрессивностью при минимальном содержании НСО₃^- от 0,4 до 1,5 мг-экв/л.

3. Общекислотная агрессивность воды зависит от содержания в воде свободных водородных ионов - величины рН. Особенно активны воды с рН < 5. Кислая среда является активным растворителем для вмещающих пород – солей, карбонатов, опасна для железных конструкций.

4. Сульфатная агрессивность имеет место при высоком содержании ионов SО₄^2-, в результате чего, в случае проникновения воды в тело бетона, при кристаллизации образуются соли, образование которых сопровождается резким увеличением объема (СаSО₄*Н₂О, соль Деваля и др.), производящие вспучивание и разрушение бетона. По нормам принято, что вода обладает сульфатной агрессией в зависимости от условий, в которых находится сооружение и от содержания ионов Сl^-.

При применении обычных цементов вода считается агрессивной при содержании SO₄^2- от 250 мг/л и более, а при применении сульфатостойких цементов – от 4000 мг/л и более.

5. Магнезиальная агрессивность возникает при высоких содержаниях иона Мg²⁺, предельно допустимое количество, которого колеблется в зависимости от сортов цемента, условий и конструкции сооружения и от содержания SO₄^2- (от 750 мг/л и более).

6. Кислородная агрессивность вызывается содержащимся в воде растворенным кислородом и проявляется преимущественно по отношению к металлическим конструкциям, и в частности, к водопроводным трубам, в которых кислород образует ржавчину. Процесс окисления происходит по следующей схеме:

2Fе+О₂ → 2FеО; 4FеО + О₂ → 2Fе₂О₃; Fе₂О₃ + ЗН₂О → 2Fе(ОН)₃;

При совместном присутствии кислорода с углекислотой агрессивное действие первого повышается.

Степень агрессивности воздействия жидких неорганических сред на конструкции из бетона и железобетона приведены в табл. 11, 12 и 13.

Оценка степени агрессивного воздействия сред, указанных в таблице 11, дана по отношению к бетону на любом из цементов, отвечающих требованиям ГОСТ 10178-76 и ГОСТ 22266-76.

Степень агрессивного воздействия сред, указанных в таблицах 11 и 12, следует снижать на одну ступень для бетона массивных малоармированных конструкций (толщина свыше 0,5 м, процент армирования до 0,5).

Степень агрессивного воздействия сред, указанных в таблицах 11, 12 и 13, риведена для сооружений при величине напора жидкости до 0,1 МПа (1 атм).

Таблица 10

Степень агрессивности воздействия жидких неорганических сред по отношению к различным маркам бетона

Показатель агрессивности	Показатель агрессивности жидкой среды^1 для сооружений, расположенных в грунтах с Кф свыше 0,1 м/сут, в открытом водоеме и для напорных сооружений при марке бетона по водопроницаемости			Степень агрессивного воздействия жидкой неорганической среды на бетон
	W4	W6	W8
Бикарбонатная щелочность, мг-экв/л (град)^*	Св. 0 до 1,05(3)	-	-	Слабоагресснвная
Водородный показатель рН^**	Св. 5,0 до 6,5 Св. 4,0 до 5,0 Св. 0,0 до 4,0	Св. 4,0 до 5,0 Св. 3,5 до 4,0 Св. 0,0 до 3,5	Св. 3,5 до 4,0 Св. 3,0 до 3,5 Св. 0,0 до 3,0	Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная
Содержание агрессивной углекислоты, мг/л	Св. 10 до 40 Св. 40***	Св. 40 *** -	- -	Слабоагресснвная Среднеагрессивная
Содержание магнезиальных солей, мг/л, в пересчете на ион Мg^2+	Св. 1000 до 2000 Св. 2000 до 3000 Св. 3000	Св. 2000 до 3000 Св. 3000 до 4000 Св. 4000	Св. 3000 до 4000 Св. 4000 до 5000 Св. 5000	Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная
Содержание аммонийных солей, мг/л, в пересчете на ион NH4^+	Св. 100до500 Св. 500 до 800 Св. 800	Св. 500 до 800 Св. 800до 1000 Св. 1000	Св. 800 до 1000 Св. 1000 до 1500 Св. 1500	Слабоагресснвная Среднеагрессивная Сильноагрессивная
Содержание едких щелочей, мг/л, в пересчете на воны Na^+ и К^+	Св. 50 000 до 60 000 Св. 60 000 до 80 000 Св. 80 000	Св. 60 000 до 80 000 Св. 80 000 до 100 000 Св. 100 000	Св. 80 000 до 100 000 Св. 1 00 000 до 150000 Св. 150 000	Слабоагресснвная Среднеагрессивная Сильноагрессивная
Суммарное содержание хлоридов, сульфатов^2, нитратов и др. солей, мг/л, при наличии испаряющих поверхностей	Св. 10 000 до 20 000 Св. 20 000 до 50 000 Св. 50 000	Св. 20 000 до 50 000 Св. 50 000 до 60 000 Св. 60 000	Св. 50 000 до 60 000 Св. 60 000 до 70 000 Св. 70 000	Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная

Примечания: ¹ При оценке степени агрессивного воздействия среды в условиях эксплуатации сооружений расположенных в слабофильтрующих грунтах с К_ф менее 0,1 м/сут значения показателей данной таблицы должны быть умножены на 1,3. ² содержание сульфатов в зависимости от вида и минералогического состава цемента не должно превышать пределов, указанных в табл. 4 СНиП2.03.11-85 и табл.11.

*При любом значении бикарбонатной щелочности среда неагрессивна по отношению к бетону с маркой по водонепроницаемости W₆ и более, а также W₄ при К_ф грунта ниже 1 м/сут. ** Оценка агрессивности воздействия среды по водородному показателю рН не распространяется на растворы органических кислот высоких концентраций и углекислоту. *** При превышении значений показателя агрессивности, указанных в таблице 10 степень агрессивного воздействия среды по данному показателю не возрастает.

Таблица 11

Степень агрессивности воздействия жидких неорганических сред по отношению к бетону на любом виде цемента

Цемент	Показатель агрессивности жидкой среды^1 с содержанием сульфатов в пересчете на ионы SO4^2+, мг/л, для сооружений, расположенных в грунтах с Кф свыше 0,1 м/сут, в открытом водоеме и для напорных сооружений при содержании ионов НСО3^-, мг/экв/л.			Степень агрессивного воздействия жидкой неорганической среды на бетон марки по водонепроницаемости W4^*
	Св. 0 до 3.0	Св. 3.0 до 6.0	Св. 6.0
Портландцемент по ГОСТ 10178-76	Св. 250 до 500 Св. 500 до 1000 Св. 1000	Св. 500 до 1000 Св. 1000 до 1200 Св. 1200	Св. 1000 до 1200 Св. 1200 до 1500 Св. 1500	Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная
Портландцемент по ГОСТ 10178-76 с содержанием в клинкере С3S не более 65 %, С3А не более 7 %, С3А+С4АF не более 22 % и шлакопортландцемент	Св. 1500 до 3000 Св. 3000 до 4000 Св. 4000	Св. 3000 до 4000 Св. 4000 до 5000 Св. 5000	Св. 4000 до 5000 Св. 5000 до 6000 Св. 6000	Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная
Сульфатостойкие цементы по ГОСТ 22266 -76	Св. 3000 до 6000 Св. 6000 до 8000 Св. 8000	Св. 6000 до 8000 Св. 8000 до 12 000 Св. 12 000	Св. 8000 до 12 000 Св. 12 000 до 15 000 Св. 15 000	Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная

Примечание: ¹ При оценке степени агрессивности воздействия среды в условиях эксплуатации сооружений, расположенных в слабофильтрующих грунтах с Кф менее 0,1 м/сут, значения показателей данной таблицы должны быть умножены на 1.3. * При оценке степени агрессивности среды для бетона марки по водонепроницаемости W₆ значения показателей данной таблицы должны быть умножены на 1,3, для бетона марки по водонепроницаемости W₈ - на 1.7.

Таблица 12

Степень агрессивности воздействия жидких неорганических сред на железобетонные конструкции

Содержание хлоридов в пересчете на Сl^-, мг/л	Степень агрессивного воздействия жидкой неорганической среды на арматуружелезобетонных конструкций
	при постоянном погружении	при периодическом смачивании
До 500 Св. 500 до 5000 Св. 5000	Неагрессивная « Слабоагрессивная	Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная

Примечания: 1. Понятие периодического смачивания охватывает зоны переменного горизонта жидкой среды и капиллярного подсоса.

2. При одновременном содержании в жидкой среде хлоридов и сульфатов количество сульфатов пересчитывается на содержание хлоридов умножением на 0,25 и суммируется с содержанием хлоридов. 3. Коррозионная стойкость конструкций, подвергающихся действию морской воды средней и сильной степени агрессивности, должна обеспечиваться первичной защитой.

Р

Таблица 14

езультаты химических анализов воды

№ п/п	Водопункт	Температура воды, C^0	рН	Своб. СО2, мг/л	Сухой остаток, мг/л	Анионы, мг/л				Катионы, мг/л			Примечание
						СО3^2-	НСО3^2-	SO4^2-	Сl^-	Na^++K^+	Сa^2+	Мg^2+
1.	Скважина 1	8	1.2	0,8	298	-	115,9	107,4	8,9	12.9	52.1	15.2	NO3-- 1.4мг/л
2.	Скважина 2	7	7,7	15,0	328	-	158,6	118,8	5,3	16,0	66.1	14,6
3.	Скважина 3	4	7,1	49,5	278	-	134,2	71,1	7.1	8,5	50,1	12,1	Feобщ - 0,2 мг/л
4.	Шахта	15	7,8	21.0	3394	348,1	2041,0	4,1	585.0	1364,0	9.0	23,1	NO3-3.3мг/л, Feобщ- 0.2мг/л
5.	Скважина 4	5	8,5	57,0	468	3.0	94,6	258,4	5.3	19,1	73,2	32,8	NO2-0,02мг/л, NO3-0.2мг/л
6.	Скважина 5	7	7,3	1,6	798	-	403,7	261,2	24,8	170,1	50,1	36,4	NO3 - 7,0 мг/л
7.	Шахта	10	7,6	33.3	1062	42,0	610,2	174,4	120,6	300.7	23,1	52,3	NO3,-7,5 мг/л
8.	Скважина 6	8	7.7	88,0	211	-	58,0	93,4	10.6	9,4	30,1	15,8	NO3 - 0,9мг/л
9.	Шахта	13	7,3	12,4	3184	9,0	485,1	1564.7	280,1	465,3	244,5	198.2	NO3-1,8мг/л, NO2-1.2мг/л
10.	Скважина 7	10	7,7	43,7	688	12,0	201,3	179,7	152,4	104,8	70,1	44.9	NO3 - 0,9 мг/л
11.	Шахта	12	7.6	31,5	3164	24,0	521.7	811,8	921.8	826,5	86,2	149,6	NO3 - 0.5мг/л
12.	Скважина 8	9	7.1	8.8	390	-	67,1	206,1	7.1	14.9	62,1	21,8	NO3 -1,2мг/л, NН4-1.2мг/л
13.	Скважина 9	9	7,1	19,2	332	-	259,3	68,8	7,5	16,3	70,1	20,6	NO3 -1,8мг/л, Fе-0,9мг/л
14.	Шахта	14	7,7	10,5	2078	66,0	744.4	161.7	657,8	703,0	28,1	53,5	NO3 - 4,0 мг/л
15.	Скважина 10	10	8,3	22,4	328	6,0	137.3	115.6	7,1	11,3	66,1	15,2
16.	Скважина 11	8	7.9	38,9	447	-	94,6	245.7	7.1	9,4	75,2	31,6	NO3- 1,2мг/л, NH4 - 2,0мг/л
17.	Скважина 12	7	8,1	71,8	489	-	85,4	256,0	12.4	27,1	80.2	27,3	NO3 -22,5мг/л, Fе -5,7 мг/л
18.	Скважина 13	8	8,0	13.3	304	-	125,1	104,1	14,2	29,4	56.1	7,9	NO3 - 8,0 мг/л
19.	Шахта	13	7.3	46,0	1056	-	317,2	385,4	145,3	159,3	116.2	55,3	NO3 - 1,2 мг/л
20.	Шахта	14	7,4	11,0	1250	-	283,7	503.6	138,2	143,4	134.2	74,1	NO3 -0.5 мг/л
21.	Скважина 14	9	7,5	78,5	438	-	140,3	216,3	10.6	18,6	86,1	24,3
22.	Шахта	13	7,9	28,0	1842	-	-	291,8	850.9	537,3	58,1	45,0	NH4 - 0,7 мг/л, Fе - 2.0 мг/л
23.	Скважина 15	10	6,4	21,1	617	-	30,5	393,4	7,1	19.8	78,2	49.8	NO3 -1.5, NH4-1 ,0, Fе-1,7
24.	Скважина 16	8	7,1	36,5	295	-	36,6	141.1	26.6	18,8	47,1	15,2	NO3 - 8,0 мг/л
25.	Скважина 17	9	7.6	15,4	367	-	244,0	1.0	9,0	46,3	35,3	6,0