ХИМИЧЕСКОЕ ПУЧЕНИЕ ГРУНТОВ

Химическое пучение глинистых и песчаных грунтов

"Основание, фундаменты и механика грунтов" - 1995, №4
© B.E. Соколович

Рассматриваются физико-химические реакции, проходящие в процессе взаимодействия глинистых минералов с кислотами и щелочами с образованием сильногидратированных гелеобразных новообразований, вспучивающих глинистые грунты. Рассматривается химическое пучение песчаных грунтов. Анализируются способы восстановления сооружений, деформированных вспученными грунтами.

Химическое пучение глинистых грунтов происходит при замачивании их водными растворами кислот и щелочей. Оно необратимо, сопровождается частичным изменением химико-минералогического состава грунтов и по своему значению в несколько раз может превышать набухание в водной среде. При высушивании вспученных грунтов их объемы намного превышают объемы, которые они имели ранее.
Химическое пучение грунтов чаше всего проявляется в основаниях фундаментов промышленных предприятий, связанных с производством или применением кислот и щелочей. При технологических недосмотрах или аварийных ситуациях происходит инфильтрация кислот и щелочей в грунты оснований, которые в процессе интенсивного вспучивания вызывают опасные деформации фундаментов и надфундаментных конструкций. В России и за рубежом известны серьезные аварии, вызванные химическим пучением грунтов, залегающих в основаниях деформированных сооружений.
Но закислочивание грунтов и глинистых пород наблюдается и в естественных условиях. Например, оно сильно проявляется при выветривании аргиллитов, содержащих пирит. Аргиллиты, представляющие собой слабометаморфизированные глины, до вскрытия их горными выработками изолированы от воздуха. При их вскрытии кислород воздуха интенсивно окисляет содержащийся в аргиллитах пирит до закисного сернокислого железа и серной кислоты. Реакция идет по схеме:

2FeS₂ + 70₂ + 9Н₂0 → 2FeS0₄ • 7Н₂0 + 2H₃SO₄

Образовавшаяся серная кислота разлагает глинистые минералы, входящие в состав аргиллитов, в результате чего они сильно разрыхляются и увеличивают свой объем. Такое пучение крайне нежелательно, так как повышает горное давление кровли на крепь и часто является причиной ее разрушения, а также образования завалов в горных выработках. 

Кроме того, окисление пиритов сопровождается интенсивным поглощением из рудничной атмосферы кислорода и обогащением ее углекислым газом, который образуется при разложении кислотой карбонатов, содержащихся в породе. По наблюдениям автора пучение аргиллитов, вызванное окислением пиритов, проходит очень быстро. Так в кровле угольных пластов Воркутинского месторождения за шесть месяцев эксплуатации штреков аргиллиты разрушились на глубину 0,4 м.

В НИИОСПе изучались физико-химические реакции взаимодействия глинистых минералов с кислотами и щелочами. Исследования показали, что минералы активно разлагаются в кислых и щелочных средах с образованней сильногидратированных новообразований увеличенного объема.

При химическом взаимодействии грунтов с кислотами разрушается алюмосиликатное ядро глинистых минералов, что сопровождается выходом из кристаллической решетки иона алюминия и образованием деполимеризованной кремневой кислоты. Последняя образуется на участках поверхностного растворения минералов и неподвижна, а ион алюминия, связанный с тем или иным кислотным анионом, свободен, и может поступать в в водную фазу грунта [1]. Алюминиевые соли минеральных кислот не реагируют с деполимеризоваиной кремневой кислотой и другими содержащимися в глинистых грунтах компонентами.

На повышение эффективности вспучивания глинистых грунтов влияет вил кислоты и концентрация. Активнее вспучиваются грунты, замоченные серной и фосфорной кислотой, в меньшей степени азотной и соляной. С повышением концентрации всех кислот вспучивание грунтов возрастает. Дополнительное вспучивание происходит при замачивании кислотами карбонатных глинистых грунтов, карбонаты которых в кислой среде разлагаются с выделением углекислого газа. Серная и фосфорная кислоты, реагируя с катионами кальция, поступающего в раствор от разложения карбонатов, образуют объемные осадки двуводного гипса и фосфорнокислого кальции. Азотная и соляная кислоты в этих условиях образуют растворы азотнокислого и хлористого кальция, почти не влияющие на пучение грунтов.
Химическое пучение закислоченных грунтов возрастает в процессе нейтрализации их щелочью, что обусловлено конденсацией деполимеризованных кремневых кислот в кислые сильнооводненные гели и образованием гидроокиси алюминия, связывающей большое количество свободной воды. При нейтрализации защелоченных грунтов конценфироваиными растворами серной и фосфорной кислоты набухание грунтов может увеличиваться вследствие образования кристаллогидратов сернокислого натрия и фосфорнокислых натриевых солей, обладающих большими молекулярными объемами

Способность закислоченных грунтов увеличивать свой объем в процессе нейтрализации должна учитываться при изыскании способов ликвидации аварийных последствий. В противном случае, при нейтрализации закислоченных грунтов оснований, сооружениям, пострадавшим от закислочивания оснований, может быть причинен еще больший вред.
Защелачивание глинистых грунтов также вызывает их пучение, но оно менее эффективно, чем кистотнос пучение, проходит сложнее и с меньшей скоростью. При защелачивании глинистые минералы растворяются с выходом из них иона алюминия и образованием деполи-меризованных кремневых кислот. Ион алюминия в щелочной среде образует алюминат на трия NaAlO₂, который активно взаимодействует с кремневыми кислотами. При этом происходит конденсация алюмосиликатных гелей и натри ево-алюмосиликатных комплексов. В отличие от кислых гелей, щелочные гели менее оводнены и в меньшей степени влияют на процесс щелочного пучения глинистых грунтов.
Реакция разложения глинистых минералов (в данном случае каолинита) щелочью с образо-яаниеч натриево-алюмосиликатного комплекса происходит по следующей схеме:

Al₂O₃ • 2SiO₂ • 2Н₂0 + 2NaOH → Na₂O • Al₂O₃ • 2SiO₂ • nH₂0

Эффективность защелачивания глинистых грунтов сильно уменьшается в концентрированных щелочных растворах. При нейтрализации защелоченных грунтов их объемы увеличиваются, но в меньшей степени, чем при нейтрализации закислоченных грунтов.
Дополнительное увеличение объемов защелоченных грунтов может происходить при активно проходящей карбонизации свободной щелочи. В данном случае образуется сода, содержащая десять молекул кристаллогидрагной воды. При этом молекулярный объем соды в 10 раз превышает молекулярный объем гилрооки си натрия. При наличии в грунтах гипса возможно образование в них глауберовой соли с высоким молекулярным объемом.
Физико-химические процессы взаимодействия глинистых минералов с кислотами и щелочами похожи на топохимические реакции, которые проходят в твердой фазе, когда процесс локализован на границе раздела "твердое исходное вещество - твердый продукт реакции" (внашем случае гндратированная глина - гидра тированные новообразования). 

Поскольку такие реакции проходят в пределах межфазовой поверхности, скорость процесса будет пропорциональна величине этой поверхности в каждый момент времени. В целом процесс будет зависеть не от скорости химической реакции, а от скорости диффузии реагирующих ионов через слой образующегося пролукта [2]. Поэтому интенсивность химического пучения грунтов будет лимитироваться прежде всего наличием в них глинистой фракции ( не менее 10%) и доступностью к ней кислот и щелочей. Установлено, что более эффективно пучение происходит в проницаемых пылевато-глинистых грунтах. В плотных, непроницаемых глинах перенос кислот и щелочей осуществляется диффузионным путем и, как показали лабораторные исследования, скорость диффузии в глинах в тугопластичном состоянии при влажности, близкой к пределу раскатывания, для кислот не превышает 2- 3 см/сут., а для щелочей - около 1 см/сут. С течением времени скорость диффузии в обоих случаях уменьшается.

Следует отметить, что кислотному и щелочному разложению подвергается небольшая часть глинистых минералов. Даже в концентрированных растворах разложение не превышает 6%. Однако такого количества достаточно для синтеза сильногидратированных новообразований, способных вызвать интенсивное химическое пучение грунтов
Подьем фундаментов сооружений проявляется не только на набухающих или вспученных грунтах. Так Е А.Сорочан [3] приводит случай деформации здания, возведенного на шлаковых отвалах, которые вследствие активного выветривания сильно увеличили свой объем Деформации здания произошли после пяти лет его эксплуатации.
В Москве на Краснопресненском сахарорафинадном заводе создалась аварийная ситуация на главном корпусе, вызванная сильным пучением песчаного основания [4]. Вспучивание произошло в результате длительного замачивания грунтов основания растворами гидроокиси натрия и хлористого аммония. В растворе щелочи происходило разложение хлористого аммония с выделением аммиака и образованием хлористого натрия. Последний, вследствие малой растворимости в щелочи, накапливался в виде кристаллов и откладывался в порах песчаного грунта. Кроме того, при определенных соотношениях гидроокиси натрия к хлористому натрию происходило образование кристаллогидратов типа NaCl • NaOH • nН₂О.
В выбуренных из деформированного грунта кернах обнаружено полное заполнение пор шелочно-солевым и кристаллогидратами. В отдельных местах они были сосредоточены в друзы размером до 4 см.
Для хранения конструкций сооружения были выполнены мероприятия по усилению колонн в первом этаже. Они были объединены обшей жесткой стальной рамой с вертикальными стойками, охватывающими колонны, и горизонтальными поясами под потолком и в уровне пола первого этажа.
В результате проведенных мероприятий и устранения замачивания технологическими водами, а также после частичного вымывания ранее образованных кристаллогидратов водой произошло равномерное опускание колонн, и конструкции здания возвратились в первоначальное положение.
Восстановление деформированных зданий на вспученных грунтах является трудной и еще нерешенной проблемой. Сложность состоит в том, что процессы химического пучения грунтов локализованы, неравномерны и проходят в течение длительного времени. Вспученные грунты оснований обладают высоким вспучивающим давлением, превышающим в 2- 3 раза давление набухания [5], что затрудняет использование традиционных методов восстановления деформированных зданий, применяемых для набухающих грунтов при замачивании их водой. В данном случае восстановительные мероприятия могут оказаться неэффективными и временными.
За рубежом сильнодеформированкыс сооружения химических заводов часто демонтируют и строят на новых площадках с применением долговечных экранов непроницаемых для воды и агрессивных растворов.
Зашелачиванис грунтов в основаниях промышленных сооружений кислыми и щелочными растворами, вызывающее крайне нежелательное в фунламентостроении химическое пучение грунтов, влечет за собой также разрушение коммуникаций, бетонных конструкций и на длительное время наносит большой вред окружающей среде.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Соколович В. Е.  О химическом закреплении вспученных грунтов кисютами // Основания, фундаменты и механика грунтов, - 1973 - № 4 - С. 22-31
2 Соколович В. Е. . Семкин В. В. Химическая стабилизация лессовых грунтов // Основания, фундаменты  и механика грунтов, - 1984 - № 4 - С. 8-9
3 Сорочан Е. А. Строительство сооружении на набухавших грунтах - М Стройиздат. 1989 - 308 с.
4. Соколович B.E. Троицкий Г. М. Пучение песчаного основания вследствие образования в нем кристаллогидратных новообразований // Основания, фундаменты  и механика грунтов - 1976 - № 6 - C. 5-7
5. Мальцев А. В. Химическое пучение грунтов в основании сооружений, - Автореф. дис. канд. техн. наук - М. 1993 - 24 с.