Badania składu chemicznego gruntu, skał i wody gruntowej

6.11.1. badania chemiczne gruntu i skały

Typowe badania chemiczne wykonywane w laboratoriach gruntoznawczych są zwykle ograniczone do określenia za­

wartości części organicznych (straty przy prażeniu, ogólnej zawartości części organicznych, składu), zawartości węgla­

nów i siarczanów, wartości pH (kwasowości lub zasadowości) oraz zawartości chlorków.

Podstawową metodą określania zawartości części orga­

nicznych, zalecaną przez normę PN-EN 1997-2, jest wylicza­

nie ich zawartości ze straty masy gruntu powstałej w wyniku prażenia. Metoda ta, stosowana powszechnie w laboratoriach badań gruntów, obarczona jest wieloma błędami i ogranicze­

niami – powinna być stosowana tylko dla gruntów z małą ilością (lub w ogóle bez) frakcji iłowej. W normie PN-EN 1997-2 są także dopuszczone inne metody oznaczania zawar­

tości części organicznych, m.in. metoda polegająca na utle­

nianiu ich nadtlenkiem wodoru (wodą utlenioną – H₂O₂). Nie można jej stosować w przypadku gruntów o zawartości części organicznych I_om>10%, lub gdy badany grunt zawiera makro­

skopowo nierozłożone części drewna, roślin itp. W takich przypadkach stosuje się prażenie lub praktykowaną w wielu laboratoriach i uznawaną za uniwersalną metodę Tiurina, po­

legającą na określeniu ilości węgla organicznego z substancji organicznej przez utlenienie go dwuchromianem potasu.

Specyficzne badania chemiczne gruntów (wytypowanych na podstawie analiz materiałów archiwalnych i literatury) powinny obejmować także oznaczenie substancji o silnej agresywności chemicznej, które oddziałują szkodliwie na beton, stal, grunt i występują naturalnie lub zostały wprowa­

dzone do środowiska w wyniku działalności prowadzonej na danym obszarze (pochodzą ze zrzutu ścieków przemysłowych

i wód kopalnianych, z odcieków składowisk odpadów i tere­

nów przemysłowych, ze spływów od szlaków komunikacyj­

nych oraz spływów powierzchniowych).

6.11.1.1. Związki występujące naturalnie

Spośród związków naturalnych mogących negatywnie oddziaływać na konstrukcje budowlane należy wymienić sole nieorganiczne i kwasy organiczne.

Sole Mg²⁺ powodują wydzielenie mazistego Mg(OH)₂, który nie ma właściwości wiążących i niszczy beton. Podob­

ne jest działanie soli NH₄ ⁺, prowadzące do wydzielania amoniaku.

Do szkodliwych kwasów organicznych zaliczają się kwa­

sy octowy i mlekowy oraz kwasy humusowe gleb. Działanie kwasów organicznych na beton, podobnie jak kwasów nie­

organicznych, polega na reagowaniu z wodorotlenkiem wap­

niowym, a częściowo także ze związkami glinu. Wytworzony przez bakterie kwas octowy, należący do mocnych kwasów organicznych, reaguje z wolnym wapnem, tworząc rozpusz­

czalny octan wapniowy, prowadzący do ubytku wapna. Dla­

tego agresywne są nawet roztwory znacznie rozcieńczone.

Inne kwasy karboksylowe (np. kwas oleinowy lub stearynowy) reagują z Ca(OH)₂, tworząc miękkie nierozpuszczalne mydła wapniowe (oleinian lub stearynian wapniowy). jeśli dopływ tych kwasów jest duży, to po wyczerpaniu się w tworzywie cementowym Ca(OH)₂ może dojść do rozkładu krzemianów wapniowych z wytrąceniem żelu krzemianowego i dalszym powstawaniem mydeł wapniowych. W konsekwencji prowadzi to do rozmiękczania lub spękania betonu (Błaszczyński, 1995).

6.11.1.2. Związki wprowadzone do środowiska (pochodzące ze źródeł antropogenicznych)

Wykaz chemicznych substancji o silnej agresji obejmuje benzynę, paliwa lotnicze, ropę naftową, oleje, benzen, alko­

hole, etery glikolowe, halogenopochodne węglowodorów aromatycznych i alifatycznych, organiczne estry i ketony,

rys. 41. badanie igłą termiczną próbek mieszanek do iniekcji otworowych wymienników ciepła.

Fot. a. Łukawska rys. 40. igła termiczna z zestawem wymiennych końcówek

pomiarowych dostosowanych do różnych materiałów (skały, grunty, mieszanki do iniekcji otworów itd.). Fot. a. Łukawska

Badania składu chemicznego gruntu, skały i wody gruntowej 125

roztwory wodne kwasów organicznych o stężeniu do 10%

(z wyjątkiem kwasu mrówkowego), ich sole (w roztworze wodnym), kwasy nieorganiczne o stężeniu do 20% i hydro-lizujące sole o odczynie kwaśnym w roztworze wodnym (z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego i kwasów utleniają­

cych oraz ich soli), zasady nieorganiczne i ich hydrolizujące sole o odczynie zasadowym w roztworze wodnym (pH > 8) (z wyjątkiem roztworów soli amonowych i roz tworów soli utleniających), roztwory nieorganicznych soli nieutleniają­

cych, aminy i ich sole, roztwory wodne środków powierzch­

niowo czynnych oraz etery (PN-EN 13529). Substancje te oddziałują niszcząco na beton i powodują korozję stali (jaro­

szyńska-Wolińska, 2011). Poniżej scharakteryzowano oddzia­

ływanie niektórych związków wprowadzonych do środowiska jako skutki działalności gospodarczej.

alkalia (ług sodowy i potasowy). Alkalia z zanieczysz­

czonego gruntu wchodzą w reakcje z krzemionką, w wyniku czego powstaje żel, który absorbuje wodę i powoduje pękanie betonu (Owsiak, 2015). Reakcja alkaliów z kruszywem w betonie jest dużym zagrożeniem dla trwałości, zwłaszcza be­

tonowych budowli wodnych oraz nawierzchni i infrastruktu­

ry drogowej, a skutki tej szkodliwej reakcji mogą pojawić się już po kilku latach od zakończenia budowy obiektu.

Uszkodzenia elementów konstrukcji betonowych spowo­

dowane reakcją alkaliów z kruszywem mają różne formy, najczęściej występują powierzchniowe pęknięcia, czasami dochodzi do wypływania żelu na odsłoniętej powierzchni.

Pierwsze uszkodzenia w postacie pęknięć powstają w prze­

dziale od kilku miesięcy do kilku lat po zakończeniu budowy.

Reakcja alkaliów z kruszywem jest jedną z głównych przy­

czyn destrukcji betonu i wymaga podejmowania działań minimalizujących jej następstwa. Typowymi objawami tej reakcji są bezładnie rozmieszczone spękania.

Kwasy nieorganiczne. korozję betonu i stali powodują kwasy nieorganiczne: HCl, HNO₃, H₂SO₄, H₃PO₄ i słaby kwas siarkowodorowy H₂S. Roztwory kwasu siarkowego oprócz korozji kwasowej wywołują korozję siarczanową, charaktery­

zującą się tworzeniem uwodnionych siarczanów o zwiększo­

nej objętości, co wywołuje ekspansję materiału i rozsadzanie.

Związki chlorowe. Niszczące działanie składników be­

tonu oraz korozję stali mogą powodować związki chlorowe (chlorki, nadchloryny, podchloryny, chlorany, chlorowodór).

Źródłem chlorków mogą być zrzuty wód kopalnianych, woda morska i środki zimowego odladzania. Inne związki chloru pochodzą ze środków dezynfekcyjnych, piorących, wybiela­

jących i ścieków przemysłowych. Obecność jonów chlorko­

wych prowadzi do obniżenia pH i powstania związków po­

wodujących pękanie betonu i korozję stali zbrojeniowej.

Węglowodory. Ropa i jej pochodne to przede wszystkim węglowodory, które zawierają też związki siarki i metali cięż­

kich. Całkowicie niszczą one strukturę koloidalną gruntu, zaburzając jego fizyczne właściwości pierwotne (zwięzłość, plastyczność, lepkość) i wtórne (właściwości wodne, po­

wietrzne i cieplne). Pod wpływem zanieczyszczeń substan­

cjami ropopochodnymi następuje spadek gęstości objętościo­

wej gleby, a w konsekwencji zmieniają się porowatość i właściwości wytrzymałościowe. Obecność substancji ropo­

pochodnych w porach wpływa też na obniżenie plastyczności gleby i przekształcenie jej konsystencji w bardziej płynną (Izdebska-Mucha, 2005). Najbardziej szkodliwymi węglo-wodorami są oleje mineralne zanieczyszczające nie tylko teren obiektów związanych z wydobyciem ropy naftowej (np. wieże wiertnicze), lecz także terminale towarowych odpraw celnych, zajezdnie taboru transportowego, fundamen­

ty pod maszyny itp. Beton obniża swoje fizykomechaniczne właściwości w wyniku wchłaniania oleju. Zmiany wytrzyma­

łości zastosowanego betonu i spadki przyczepności pomiędzy nim a prętami zbrojeniowymi mają pierwszorzędne znaczenie i prowadzą do poważnych awarii (Bastian red., 1991). Z upły­

wem czasu w konstrukcjach pojawiają się uszkodzenia w postaci rys i pęknięć. Czynnikami powodującymi chemicz­

ny mechanizm niszczenia struktury betonu w środowisku produktów ropopochodnych są:

– obniżenie wartości pH środowiska olejowo-wodnego w wyniku rozwoju bakterii tlenowych i siarkowych;

– działanie kwasów organicznych produkowanych przez bakterie tlenowe (kwas octowy) oraz pozostałości po ra­

finacji ropy naftowej lub powstałe w wyniku eksploatacji jej produktów (oleje maszynowe);

– wodny roztwór siarkowodoru produkowany przez bakte­

rie beztlenowe;

– kwas siarkowy produkowany przez bakterie siarkowe;

– siarka i jej związki zawarte w ropie naftowej i w jej produktach.

W efekcie mamy do czynienia z dwoma rodzajami che­

micznego mechanizmu zniszczenia: ogólnokwasowym (ob­

niżenie pH środowiska wodno-olejowego przez kwasy orga­

niczne) i siarkowym (siarka i jej związki).

Zaleca się, żeby wszystkie badania chemiczne gruntów zanieczyszczonych były przeprowadzane przez laboratoria chemiczne lub laboratoria badań gruntów, które mają odpo­

wiednią aparaturę i wdrożony system zarządzania jakością.

grunty te mogą wymagać zastosowania niestandardowych procedur, ze względu na potencjalne reakcje jakie mogą wystąpić między stosowanymi odczynnikami a zanieczysz­

czeniami.

6.11.2. badania chemiczne wody gruntowej Według normy PN-EN 1997-2 przy projektowaniu i wy­

konawstwie obiektów obowiązkowa jest ocena składu che­

micznego wód podziemnych. Wymagane jest także określenie trwałości stosowanych materiałów, m.in. przez ustalenie czyn­

ników agresywnych w wodach podziemnych (PN-EN 1997-2).

Wykonanie analizy fizykochemicznej wody może być ko­

nieczne również w celu uzyskania niezbędnych danych do obliczeń oddziaływań, np. ciężar właściwy roztworów wod­

nych, stężeń poszczególnych związków chemicznych, obec­

ności zanieczyszczeń.

Zakres analiz laboratoryjnych należy zawsze dostosowy­

wać do rodzaju inwestycji i specyfiki jej oddziaływania na środowisko gruntowo-wodne. Typowy zakres badań obejmu­

je zazwyczaj podstawowe wskaźniki fizyczne, parametry umożliwiające ocenę stopnia agresywności oraz najbardziej

charakterystyczne wskaźniki zanieczyszczeń, dobrane indy­

widualnie dla konkretnego przypadku.

Podstawowy zakres analizy laboratoryjnej wody, który powinien być wykonywany w każdym przypadku, obejmuje:

– wskaźniki fizyczne: przewodność elektryczna właściwa, odczyn, zapach;

– wskaźniki nieorganiczne: chlorki, siarczany, azotany, jon amonowy, magnez, dwutlenek węgla agresywny;

– wskaźniki organiczne: ogólny węgiel organiczny.

Zakres rozszerzony należy dostosować do specyfiki miej­

sca, uwzględniając m.in. kierunek spływu wód podziemnych i obecność ujęć zbiorowego zaopatrzenia w wodę, tak żeby osiągnąć zamierzony cel. W przypadku inwestycji liniowych lub innych, które mogą potencjalnie negatywnie oddziaływać na wody podziemne należy rozszerzyć analizę o:

– wskaźniki fizyczne: utlenialność;

– wskaźniki nieorganiczne: azotyny, wodorowęglany, sód, potas, wapń, fosfor ogólny, fluorki, żelazo ogólne, mangan;

– metale ciężkie: ołów, kadm, cynk, chrom, kadm, kobalt oraz bor;

– wskaźniki organiczne: suma węglowodorów ropopochod­

nych (TPH), wielopierścieniowe węglowodory aroma­

tyczne (WWA), lotne węglowodory aromatyczne (BTEX), fenole;

– detergenty.

W standardowym dokumentowaniu geologiczno-inżynier­

skim nie przewiduje się dodatkowych badań laboratoryjnych wód powierzchniowych i osadów dennych oraz wód podziem­

nych (np. analiz bakteriologicznych lub izotopowych). ko­

nieczność ich wykonania powinna być szczegółowo uzasad­

niona i ograniczać się do wyjątkowych sytuacji (Rodzoch i in., 2006).

W dokumencie Państwowy Instytut Geologiczny – Państwowy Instytut Badawczy (Stron 125-128)