Властивості гірських порід по відношенню до води

Всі гірські породи по відношенню до води поділяються на дві великі групи: водотривкі і водопроникні.

До водотривких порід відносять глини та масивні не тріщинуваті скелясті породи (базальт, кварцит та ін.), через які вода практично не проникає.

Через водопроникні ґрунти фільтруються підземні води. До цієї групи належать грубоуламкові породи, піски, супіски, суглинки, тріщинуваті масивні породи.

Вміст води в гірських породах та її вплив на їх властивості залежить від наявності і характеру порожнин в них (пор, каверн, печер, каналів, тріщин), від величини пористості та розміру пор.

Основні властивості, що характеризують відношення гірських порід до води, такі: вологість, вологоємкість, водовіддача та водопроникність.

Вологість (W) – це відношення вагової кількості води в гірській породі до ваги сухої породи. Її називають також природною вологістю.

Ступінь заповнення пор водою називається cтупінню вологості (S_r); за ступінню вологості піщані породи поділяються на маловологі, вологі та насичені водою.

Вологоємкість - здатність породи вміщувати та утримувати воду. Якщо всі пори повністю заповнені водою, порода знаходиться у стані повного водонасичення, а вологість її при цьому називають повною вологоємкістю (W_пв). Максимальне значення повної вологоємкості співпадає з величною пористості. Найбільш вологоємкими є торфи, глини, суглинки; слабко вологоємкими - лес, мергель, крейда і дрібні піски; зовсім невологоємкими - гравій, галька, пісок.

Водовіддача (W_в) – це здатність порід, насичених водою, віддавати гравітаційну воду у вигляді вільного стоку. Оскільки фізично зв’язана вода з пор не витікає, то W_в = W_пв - W_м.м.в., тобто, водовіддача дорівнює різниці між повною та максимальною молекулярною вологоємкістю (W_м.м.в.). Найбільша водовіддача спостерігається у грубоуламкових (галькових і щебенистих), піщаних та супіщаних порід. У глинах водовіддача наближається до нуля.

Водопроникність - здатність пропускати гравітаційну воду через пори та тріщини. Ця властивість залежить від розміру пор і чим вони крупніші, тим більша водопроникність породи. Так, за наявності великого об'єму загальної пористості (до 60 %) у глини, воду вона практично не пропускає, оскільки пори в неї дуже дрібні за розміром. Водопроникність (або фільтраційна властивість) породи характеризується коефіцієнтом фільтрації (К_ф), що є швидкістю руху підземних вод при гідравлічному градієнті, який дорівнює одиниці (см/с, м/добу).

За величини К_ф породи поділяються на три групи:

1. водопроникні (К_ф > 1 м/добу) - галька, щебінь, жорства, гравій, пісок, тріщинуваті породи.

2. напівводопроникні (К_ф = 1 ... 0.001 м/добу) - лес, торф, глинисті піски, пористі вапняки та ін.

3. водонепроникні (К_ф < 0.001 м/добу) - глини, масивні породи.
Водонепроникні породи називають водотривами.

Фізичні властивості та хімічний склад підземних вод.

Фізичні властивості підземних вод – це їх температура, колір, прозорість, смак і запах.

Температура підземних вод змінюється в широких межах. Вона залежить від глибини залягання, кліматичних умов та інших чинників. За температурою води поділяються на холодні (t<20⁰C), теплі (20 ... 37⁰C), термальні (37 ... 100⁰C), перегріті (> 100⁰C).

Хімічно чиста вода не має кольору, будь-якого забарвлення воді надають різні домішки. Чиста вода завжди прозора, її смак залежить від вмісту розчинених у воді речовин: солоний - від хлористого натрію, гіркий - від сульфату магнію і т. ін. Запах підземних вод залежить від наявності газів біохімічного походження (сірководень та ін.) або гниючих органічних речовин.

Хімічний склад підземних вод залежить від розчинених в ній солей, газів і органіки. Розчинені гази (O₂, СO₂, СН₄, H₂S та ін.) обумовлюють ступінь придатності води для питного та технічного водопостачання. Із солей в підземних водах найпоширенішими є хлориди, сульфати, карбонати. Сумарна кількість розчинених у воді мінеральних речовин має назву загальної мінералізації. Про її величину свідчить сухий залишок (мг/л), який одержують після випарювання певного об’єму води при температурі 105⁰С. Високогірні підземні води мають мінералізацію біля 0.1 г/л, води Ангаро-Ленського басейну до 600 г/л. За загальним вмістом розчинених солей підземні води поділяються на прісні (<1 г/л), солонкуваті (1...10 г/л), солоні (10...50 г/л) і розсоли (> 50 г/л).

Для кількісного вираження активної реакції води використовують логарифм концентрації іонів водню. [H⁺] = [OH^-] = 10^-7 грам-молекул; -lg[H⁺]=7; pH = -[H⁺]=7. Вода з pH=7 має нейтральну реакцію, pH<7 – кислу, pH>7 – лужну. Найкраща якість питної води при pH= 6.5...8.5.

Поблизу поверхні Землі підземні води часто бувають забруднені органічними та іншими домішками і тому непридатні для пиття і навіть шкідливі для здоров'я. Вода для питних цілей має бути безбарвною, прозорою, без запаху, приємною на смак, без шкідливих домішок. Кількість розчинених в ній солей не повинна перевищувати 1 г/л.

Присутність солей надає водам такі властивості як жорсткість і агресивність.

Жорсткість води обумовлена вмістом значної кількості розчинених у ній солей кальцію та магнію. Така вода дає великий накип в котлах і погано милиться. Жорсткість води визначають кількістю міліграм-еквівалентів Ca⁺² та Mg⁺²; один мг/екв. жорсткості відповідає вмісту в 1 л води 20.04 мг іона кальцію або 12.6 мг іонів магнію. За жорсткістю підземні води поділяють на м'які (<3 мг/екв.), середньої жорсткості (3...6 мг/екв.). жорсткі (6...9 мг/екв.) та дуже жорсткі (> 9 мг/екв.). Найкращою за якістю є вода, що має жорсткість до 3 мг/екв.

Агресивність підземних вод обумовлена руйнівною дією розчинених в ній солей на будівельні матеріали. При будівництві фундаментів і підземних споруд необхідно мати відомості про агресивність підземних вод і, в разі необхідності, передбачити заходи захисту від неї. Прояв агресивності залежить також від фільтраційних властивостей порід: чим вища швидкість руху води, тим значнішою буде руйнівна дія агресивних вод.

По відношенню до бетону розрізняють такі види агресивності підземних вод:

- загальнокислотна, оцінюється величиною водневого показника рН; в пісках вода вважається агресивною, якщо рН < 7, в глинах – рН < 5;

- сульфатна, визначається вмістом іонів SO^-2₄; вода агресивна відносно бетону на портландцементі, якщо вміст іонів перевищує 1000 мг/л в пісках і 1500 мг/л в суглинках;

- магнезіальна, оцінюється наявністю іонів Mg⁺²; вода вважається агресивною, якщо їх вміст перевищує 2000 мг/л в пісках і 5000 г/л у суглинках;

- карбонатна, пов’язана з розчинною дією на бетон агресивної вуглекислоти (можлива тільки у піщаних породах).

Для запобігання шкідливої дії агресивних підземних вод на будівельні конструкції використовують сульфатостійкі цементи, спеціальні наповнювачі, які зменшують водопроникність бетону, застосовують гідроізоляцію підземних частин будівлі, знижують рівень підземних вод шляхом влаштування дренажів.

Підземні води, до складу яких входить вуглекислота, мінеральні і органічні кислоти, солі важких металів, сірководень, хлористі і деякі інші солі, мають також корозійні властивості. М’яка вода впливає на метал значно агресивніше, ніж жорстка. Для захисту від корозії формують захисну плівку карбонату кальцію (СаСО₃) на внутрішній поверхні труб, виконують фосфатування труб розчином гексаметафосфату і триполіфосфату.