Шкала для определения механического состава почвы в поле

Механический состав	В сыром состоянии при скатывании	В сыром состоянии при сдавливании	В сухом состоянии по черте ножа
Глины	Дают длинный тонкий шнур	Шар сдавливается в лепешку, не трескаясь по краям	Черта блестящая, узкая и мелкая
Суглинки	Длинного шнура не дают, так как он рвется и крошится	Шар сдавливается в лепешку с трещинами по краям	Черта матовая, широкая
Супеси	Шнура скатать не удается, но можно скатать шар	Шар при легком надавливании рассыпается	Под ножом характерный звук. Края борозды крошатся
Глинистые пески	Шар скатать не удается, расплывается, при растирании на ладони оставляет пылеватые глинистые частицы	Шар сделать не удается	—-
Пески	Шар сделать не удается. При растирании на ладони не оставляет пылевато-глинистых частиц и ладонь остается чистой	Шар сделать не удается	—-

Влажность. Основное значение для грунтов и почв как коррозионной среды имеет характер увлажняющих вод. Вода, содержащаяся в грунте и почве, может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом (лед), жидком и парообразном. Связь влаги с капиллярно-пористыми материалами может быть различной в зависимости от энергии связи.

Физико-механическая связь – это удержание влаги в неопределенных соотношениях. К этому виду связи относится структурная связь (капиллярная связь и связь смачивания, прилипание воды при непосредственном соприкосновении с поверхностью капиллярно-пористого тела).

Физико-механическая связь возникает в различных не строго определенных соотношениях и осуществляется в виде адсорбционной или осмотической связи.

Химическая связь характеризуется присутствием компонентов в строго определенном молекулярном соотношении (стехиометрическая связь). К ней относятся ионная и молекулярная связи.

Почвенно-грунтовая система поглощает влагу под действием ряда сил: капиллярных, гравитационных, осмотических и сорбционных.

Существенное значение имеют гравитационные силы, за счет которых заполняются крупные поры и капилляры. Влага переносится и под действием осмотических сил, которые проявляются в основном при переносе жидкости через микрокапилляры.

Сорбционное увлажнение, т.е. поглощение влаги из влажного воздуха, возможно только для микрокапилляров. При этом заполнение влагой микрокапилляров путем сорбции влаги из воздуха происходит независимо от смачиваемости стенок капилляра.

Особенно заметна интенсификация коррозионных процессов в результате перемещения и конденсации паров воды, вызванных резкими перепадами температур по глубине слоя почвы с более высоким тепловым потенциалом к участкам с меньшим потенциалом, где конденсируются пары, которые превращаются в капельно-жидкую влагу.

В разных климатических зонах почвы прогреваются по-разному. Их температура выше, чем температура окружающего воздуха. Амплитуда суточных колебаний температуры в слое почвы до глубины 1,5 м может достигать 10…30 %, а годовых колебаний десятков градусов Цельсия. Чередование промерзания и оттаивания почвы способно повысить ее агрессивность. Важную роль в распределении влажности в почве играет гидрогеология местности. Грунты, расположенные ниже уровня грунтовых вод, всегда насыщены водой. Выше уровня грунтовых вод почва смачивается вследствие капиллярного подъема воды в порах почвы. Водоподъемная способность почвы тем больше, чем тоньше капилляры. Поэтому в глинах высота подъема достигает 1150…1200 мм, а в крупнозернистых почвах – 20…100 мм. Чем выше испаряющая способность почвы, тем большее количество влаги будет омывать сооружение, протекая из нижних слоев к поверхности.

Большую роль в перемещении и конденсации паров воды играют сами подземные сооружения. Если по трубопроводу перекачивается продукт, имеющий более низкую температуру, чем температура грунта, то на поверхности сооружения происходит конденсация водяных паров. Это вызывает повышение влажности у поверхности сооружения.

Общее количество воды в почве определяется обычно влажностью, представляющей собой отношение количества воды, находящейся в единице объема, к массе сухого твердого вещества в этом же объеме.

Влагоемкость и водопроницаемость связаны с порозностью. Под полной влагоемкостью понимают количество воды, заполняющей все поры, а под водопроницаемостью – способность породы пропускать через себя воду. Водопроницаемость пород характеризуется коэффициентом фильтрации, выражающим скорость прохождения воды через породу.

Степень влажности можно определить по шкале Ф.П. Саваренского (табл. 1.3.2).

Как фактор подземной коррозии влажность почвы существенно влияет на коррозионный процесс. С ростом содержания влаги в грунте уменьшается доступ кислорода к поверхности корродирующего металла. В полевых условиях (при равномерной толщине слоя) кислородная проницаемость в зависимости от структуры и влажности почвы может изменяться в десятки тысяч раз. По этой причине характер коррозии и, в частности, контроль коррозионного процесса могут быть весьма различными. Установлено, что катодный процесс стали в тяжелых почвах при влажности 30…40% заметно тормозится. При этом рост влажности в почве от 10% и выше обычно приводит к заметному монотонному возрастанию скорости анодного процесса. Поэтому часто наблюдается некая критическая влажность почвы, при которой коррозионное разрушение максимально. Значение критической влажности в основном зависит от типа, структуры и гранулометрического состава почвы и составляет, как правило, 30 %. При достижении критической влажности обеспечивается значительное, но не максимальное насыщение грунта влагой.

Таблица 1.3.2

Шкала для определения степени влажности почв в полевых условиях

Балл	Признаки для песков	Признаки для глин	Степень
1	На глаз не имеет влаги, при сжатии в горсти и расжатии быстро рассыпается	Руками влажность не ощущается, разламывается с большим усилием; чтобы разбить кусок, надо применить какое-либо орудие	Сухая
2	При сжатии в горсти влага ощущается по холодности, при встряхивании на ладони рассыпается в комки	При сжатии чувствуется влага по ощущению холода. Цвет темнее, чем в сухом образце. При раздавливании несколько сминается и крошится	Полусухая
3	В руке при сжатии ощущается влажность. Можно придать форму, которая при расжатии держится довольно долгое время	Пластична, в руке ощущается влажность. Легко лепится, при изгибе растягивается, но не крошится	Влажная
4	Мокрый на ощупь, на ладони при встряхивании расползается в лепешку	При встряхивании куска теряет свою форму, расплывается	Мокрая
5	При спокойном состоянии расползается и растекается	При спокойном состоянии расползается и растекается	Плавучая

Минерализация грунтовых вод. В результате растворения почв, горных пород или ила грунтовые воды имеют определенную минерализацию. Общая минерализация грунтовых вод – это общее содержание растворенных в воде веществ, которое может изменяться в весьма широких пределах от 10 мг/л до 349 г/л. При минерализации до 1 г/л солей (до 0,1 %) грунтовые воды относятся к пресным. Минерализация от 1 до 10 г/л (от 0,1 до 1 %) характеризует солоноватые, от 10 до 50 г/л – соленые воды, а содержание солей от 50 до 400 г/л (от 5 до 40 %) – рассолы.

Минерализация грунтовых вод в значительной мере связана с водным балансом данной географической зоны. Так, грунтовые воды в полосе увлажнения (тундра, лесная зона, лесостепь) имеют постепенно повышающуюся минерализацию: от 0,1 до 3 г/л в тундре, до 1…3 г/л в лесостепи, в полосе иссушения (степь – 50…100 г/л, полупустыня – 100…150 г/л, пустыня – 200…220 г/л) .

Многие вещества присутствуют в грунтовой воде в виде истинных или коллоидных растворов. Такие растворы находятся в состоянии динамического равновесия с твердым веществом почвы и воздухом и являются наиболее изменчивой и активной их частью.

Растворимость газов в почвенном растворе (свободной воде) зависит от их природы, парциального давления, температуры и содержания в нем растворенных солей. Из почвенных газов наибольшей растворимостью обладает углекислота, затем идет кислород и наименее растворим азот.

Большая часть растворенных в грунтовых водах соединений находится в виде ионов: HCO₃^–, NO₂^–, NO₃^–, Cl^–, SO₄^2–, Н₂РО₄^–, НРО₄^2–, СО₂^2–, S^2–, ОН^– – анионы и Са²⁺, Мg²⁺, Na⁺, К⁺, NН₄⁺, Н⁺, Fe²⁺, Al³⁺ – катионы.

В чрезвычайно малых количествах присутствуют катионы микроэлементов (Mn²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, Со²⁺ и др).

Суммарное количество Cl^– и SO₄^2– более 300 мг/л свидетельствует о весьма большой коррозионной активности среды. Содержание ионов Cl^– больше 0,1% также обусловливает весьма большую коррозионность грунтов и естественных вод по отношению к стали.

Ионы NO₂^– и NO₃^– влияют на процесс коррозии стали незначительно. Они могут оказывать деполяризующее или ингибирующее действие. Ионы PO₄^– могут образовывать на стали в кислородсодержащих растворах пассивирующие пленки.

При действии иона S^2– образуются сульфиды железа, не создающие защитного слоя. Они реагируют также с окисью железа.

Наличие серы более 0,3 % обусловливает высокую коррозионную активность грунтов и грунтовых вод по отношению к стали. Содержание катионов в грунтовых водах связано с растворимостью твердых частей почвы и грунта и составом поглощенных (сорбированных) ионов.

В соответствии с «Общими рекомендациями по защите от коррозии подземных металлических сооружений» коррозионную активность грунта и естественных вод относительно стали в зависимости от химического состава можно оценить по данным табл. 1.3.3.

Таблица 1.3.3

Коррозионная активность грунтов и грунтовых вод по отношению к углеродистой стали в зависимости от их химического состава

Степень Коррозионной активности среды	Значение рН	Содержание
		серы, %	хлора, %	Cl– и SO42– в воде, мг/л	CO2, мг/л
Низкая	8,5…14	<0,1	<0,02	<100	0
Средняя	6,5…8,5	0,1…0,2	0,02…0,05	100…200	0
Повышенная	6,0…6,5	0,2…0,3	0,05…0,1	200…300	<5
Высокая	6,0	0,3	0,1	300	>5

Концентрация водородных ионов (рН). Величина рН в почве изменяется в зависимости от общей минерализации грунтовых вод и присутствия в них угольной и минеральных кислот; кислых и основных солей. По величине рН различают почвы: сильнокислые (3…4,5), кислые (4,5…5,5) слабокислые (5,5…6,5), нейтральные (6,5…7,0), слабощелочные (7,0…7,5), щелочные (7,5…8,5), сильнощелочные (8,5 и более).

В результате жизнедеятельности высших растений и микроорганизмов образуется ряд кислот (азотная, азотистая, серная, угольная, щавелевая и др.). Однако они быстро нейтрализуются основаниями, сорбированными тонкодисперсной частью почвы. Чем больше в воздухе углекислого газа, тем больше в растворе углекислоты. Однако увеличение углекислоты влечет за собой растворение карбоната кальция и образование бикарбоната кальция, который понижает кислотность. В почвах, лишенных СаСО₃ рН не может быть больше 7.

Влияние величины рН на скорость коррозии железа показано на рис. 1.3.4.

Минимальная агрессивность почв для некоторых металлов отмечается при следующих значениях рН: железо – 10…14; свинец – 7…8; алюминий – 6…7; цинк – 11…11,5; олово – 10…11.

Воздухопроницаемость. Кислород из атмосферы попадает на поверхность сооружения в основном из воздуха через поры грунта и грунтовую влагу. Поэтому подвод кислорода к поверхности металла в грунте связан со скоростью воздухообмена, зависящей от структуры, гранулометрического состава грунта, его влажности, а также от ветрового давления, подсоса атмосферного воздуха при понижении уровня грунтовых вод и т.п. В результате периодических колебаний температуры в верхних слоях почвы, изменения атмосферного давления, силы и направления ветра, влажности и возникает направленное течение воздуха сквозь слой грунта. Такое направленное течение воздуха будет особенно заметно проявляться в зернистых, рыхлых и малоувлажненных, т.е. хорошо аэрируемых грунтах. В плотных, влагонасыщенных грунтах транспорт кислорода протекает значительно медленнее и определяется лишь механизмом диффузии. Таким образом, аэрируемость и влагонасыщение грунтов являются взаимосвязанными факторами, влияющими на коррозионную агрессивность грунтов. Воздух в почве и грунте находится либо в свободном состоянии, либо растворен в жидкой фазе, либо сорбирован твердой составляющей почвы. Сорбированный воздух в процессах коррозии практически участия не принимает. Содержание кислорода, углекислого газа и азота в почвенно-грунтовом и в атмосферном воздухе заметно различается на разных глубинах почвенного слоя (см. табл. 1.3.4).

Характерная особенность почвенного воздуха – насыщенность его парами воды (относительная влажность обычно около 100%). Более высокое содержание углекислоты и низкое кислорода в почвенном воздухе по сравнению с атмосферным обусловлено протекающими в почве биохимическими процессами. Кислород расходуется главным образом на микробиологические процессы разложения органических остатков и потребляется корневыми системами высших растений.

Таблица 1.3.4

Примерное содержание (% по объему) газов в атмосферном и почвенно‑грунтовом воздухе

Газ	Атмосферный воздух	Почвенный воздух
Азот N	78	78 – 80
Кислород O2	21	0,1 – 20
Углекислый газ CO2	0,03	0,1 – 15,0

Состав почвенного воздуха зависит от соотношения между потреблением кислорода и образованием углекислоты, с одной стороны, и полнотой воздухообмена, с другой, и испытывает значительные колебания во времени. Весной и в начале лета в почве на известной глубине (неодинаковой в разных почвах) в течение довольно продолжительного времени наблюдается очень невысокое содержание кислорода.

Зависимость воздухопроницаемости почвы и грунта от гранулометрического состава и влажности и изменение содержания кислорода в почвенном воздухе по глубине слоя почвы являются причинами образования пар дифференциальной аэрации. Та часть подземного сооружения, к которой приток кислорода затруднен, приобретает более отрицательный потенциал и становится анодом пары. Участки подземного сооружения, омываемые достаточным количеством кислорода, служат катодами.

Так как не существует простого метода определения степени аэрации грунтов, то часто в общем случае ограничиваются измерением удельного сопротивления грунта. Уменьшение удельного сопротивления характеризует в определенной степени уменьшение аэрации.

Удельное сопротивление грунта. Электропроводность грунта является функцией влажности, состава и концентрации солей, воздухопроницаемости и т.д. Электропроводность безводных и гидратированных составляющих твердого скелета грунта очень мала.

Жидкая фаза грунта и почвы представляет собой электролит и является проводником второго рода. Электрическое сопротивление жидкой фазы существенно зависит от состава и количества присутствующих в ней ионов.