WYZNACZENIE WSPÓŁCZYNNIKA POROWATOŚCI EFEKTYWNEJ SKAŁ
METODĄ POROZYMETRYCZNĄ. Porowatość jest to własność skał wynikająca z występowania w skałach pomiędzy poszczególnymi ziarnami mineralnymi lub kryształami wolnych przestrzeni nazywanymi porami. Wyróżniamy następujące rodzaje porowatości: - porowatość międzyziarnowa, - porowatość gąbczasta, - porowatość miarolityczna, - porowatość pęcherzykowata. Porowatość międzyziarnowa zależy od następujących czynników: jednorodność uziarnienia - skały różnoziarniste złożone z ziarn o jednakowych wymiarach mają wysoką porowatość niezależnie od tego czy składają się z ziarn dużych czy małych. - Kształt ziarn , - stopień ułożenia ziarn -skały sypkie (piaski, żwiry) Porowatość gąbczasta występuje w takich skałach jak np. rudy darniowe, wapienie komórkowe. Tworzą je pęcherzyki, rurki i próżnie różnego kształtu z reguły o większych wymiarach, które łączą się z sobą przenikając skałę i umożliwiając przepływ przez nią wody ( jest to najczęściej porowatość wtórna powstała w skutek wietrzenia skały). Porowatość miarolityczna występuje w skałach magmowych (litych). Tworzą ją przestrzenie między kryształami i próżnie po gazach uwięzionych w czasie krzepnięcia magmy. Porowatość pęcherzykowata występuje głównie w skałach magmowych (pęcherzyki i kanaliki po gazach są zamknięte). Z punktu widzenia hydrogeologicznego wyróżniamy dwa rodzaje porowatości: -porowatość rzeczywistą, - porowatość efektywną. Aparatura. Współczynnik porowatości efektywnej można oznaczyć przy pomocy porozymetru rtęciowego.Zasady działania porozymetru i podstawy teoretyczne metody. Oznaczenie współczynnika porowatości efektywnej w porozymetrze rtęciowym wykonuje się przy pomocy powietrza. Aby określić współczynnik porowatości efektywnej danej skały należy zmierzyć objętość porów czynnych (połączonych ze sobą) zwartych w próbce tej skały Ve oraz objętość całkowitą tej próbki V (patrz wzór). W porozymetrze przeprowadzamy pomiar: - objętość szkieletu próbki łącznie z porami zamkniętymi Vze - objętość całkowitej próbki V ( na próbce zaparafinowanej). Objętość porów otwartych Veotrzymamy ze wzoru: Ve =V - Vze Stan I - porozymetr w położeniu poziomym I. Powietrze wypełniające komorę zajmuje objętość V1 = V0 -Vz i znajduje się pod ciśnieniem atmosferycznym p1 = ha , gdzie V0 - objętość komory pomiarowej i zbiornika rtęci wypełnionej powietrzem, Vz - objętość fazy stałej ( objętość szkieletu skalnego i porów zamkniętych dla próbki niezaparafinowanej Vz = Vze lub objętość całkowita próbki zaparafinowanej Vz = V, ha ciśnienie atmosferyczne w mm Hg. Stan II - część ruchoma porozymetru w położeniu pionowym II. Powietrze wypełniające komorę zajmuje teraz objętość V2 = V0 - Vz - Vr i znajduje się pod ciśnieniem p2 = ha + h, h = h0 - hr gdzie h - wielkość obniżonego słupka rtęci w mm, hr - wielkość obniżenia się słupka rtęci w rurce szklanej w mm, h0 - całkowita wysokość początkowa słupka rtęci w mm, Vr przyrost objętości rtęci w zbiorniku rtęci w związku z obniżeniem się jej słupka w rurce szklanej, jest to objętość jaką pierwotnie zajmowała rtęć w rurce szklanej na odcinku hr, V r = V w - d2 (h r - h w). Wyposażenie stanowiska badawczego. Do wykonania ćwiczenia niezbędne są następujące przyrządy: - porozymetr rtęciowy, - zestaw do parafinowania próbki, - waga laboratoryjna.
WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA POROWATOŚCI EFEKTYWNEJ METODĄ NAFTOWĄ. Porowatość jest to własność skał wynikająca z występowania w skałach pomiędzy poszczególnymi ziarnami mineralnymi lub kryształami wolnych przestrzeni zwanych porami. Pory mogą być: - otwarte, gdy nie łączą się ze sobą tworząc system specjalnych kanalików, mają one bardzo ważne znaczenie w hydrologii gdyż umożliwiają przewodzenie wody przez skałę, - zamknięte, gdy nie łącza się ze sobą czyli są całkowicie otoczone substancją skalną. Ze względu na ruch wody i działanie sił międzycząsteczkowych pory dzieli się w zależności od ich wymiarów na: - nadkapilarne, o średnicy większej od 0.5 [mm] (woda wolna może poruszać się w nich pod działaniem siły ciężkości), - kapilarne, o średnicy od 0.5 do 0.0002 [mm] ( woda może odbywać w nich jedynie ruchy kapilarne w wyniku działania sił wytwarzających się na granicy dwóch ośrodków tzn. skały i wody, - subkapilarne, o średnicy mniejszej od 0.0002 [mm] ( woda zostaje w nich związana i unieruchomiona działaniem sił międzycząsteczkowych - skały mogą chłonąć wodę, nie mogą jej jednak przewodzić i oddawać). Współczynnik porowatości rzeczywistej n - nazywamy stosunek objętości wszystkich porów zawartych w skale Vp do objętości całej skały V.
N = V - Vz /V * 100 = Vp / V * 100 [%] gdzie V z - objętość szkieletu skalnego. Współczynnikiem porowatości efektywnej ne nazywamy stosunek objętości porów biorących czynny udział w procesie filtracji V e do objętości całej skały V. ne = V - Vze / V * 100 =Ve / V * 100 [%]. Gdzie: Vze - objętość szkieletu skalnego i porów zamkniętych. W zależności od wielkości współczynnika porowatości skały dzielą się na: 1. szczelne n < 1%, 2. o małej porowatości 1%<n<5%, 3. o średniej porowatości 5%,n,15%, 4. 0 dużej i bardzo dużej porowatości n>15%. Aparatura W skład zestawu do oznaczania współczynnika porowatości efektywnej metoda naftową wchodzą: Komora próżniowa z pompą próżniową oraz naczynie szklane z naftą. Aby określić współczynnik porowatości efektywnej danej skały należy zmierzyć objętość porów czynnych Ve oraz całkowitą objętość próbki V. Obietość porów czynnych oznaczamy nasycając próbkę naftą. Przeprowadza się to poprzez zanurzenie próbki nafcie, wówczas nafta wypełnia pory w skale komunikujące się ze soba, wypierając z nich powietrze. Objętość porów czynnych Ve liczymy ze wzoru: Ve = Gp - G / γn gdzie: G - masa próbki nie nasyconej nafta, Gp - masa próbki nasyconej naftą, γn - gęstość przemienna nafty, (Gp - G) - masa nafty wypełniającej pory. Wyposażenie stanowiska badawczego: 1. komora próżniową z pompą próżniową, 2. waga laboratoryjna, 3. waga hydrostatyczna, 4. naczynie z naftą. Przebieg badania: Próbkę ważymy na wadze laboratoryjnej i wyniki wpisujemy do tabeli, próbkę wkładamy do naczynia z nafta tak aby próbka była całkiem zanurzona. Naczynie z próbka umieszczamy w komorze próżniowej i odpompowujemy powietrze. W trakcie pompowania powietrza obserwujemy pęcherzyki powietrza utleniające się z próbki. Następnie po odsączeniu powietrza odkręcamy zawór łączący komorę z atmosferą i wyjmujemy próbkę z komory i ważymy na wadze hydrostatycznej. Wyniki wpisujemy do tabeli. Następnie próbkę wyjmujemy z nafty i lekko odsączamy z nafty. Nasączaną naftą próbkę ważymy ponownie tym razem na wadze labolatoryjnej.
WYZNACZANIE STOPNIA ZAGĘSZCZENIA PIASKU W APARACIE AZP
Stopień zagęszczania [Sz] jest to stosunek zagęszczenia istniejącego w naturze stanu skał sypkich takich jak piaski i pyły do największego możliwego do uzyskania w warunkach laboratoryjnych sztucznego zagęszczenia danej skały. Określamy wzorem: Sz = ( nmax - n) (100 - nmin) / (nmax - nmin) ( 100 - n) gdzie: nmax - współczynnik porowatości skały luźno usypanej [%], nmin - współczynnik porowatości skały ubitej [%], n - współ. Porowatosci skały w stanie naturalnym [%].
W zależności od wielkości stopnia zagęszczenia rozróżnia się trzy stany skał sypkich: stan luźny gdy 0 < Sz ≤ 0,33, stan średnio zagęszczony gdy 0,33 < Sz ≤ 0,67, stan zagęszczony gdy 0,67 , Sz ≤ 1,00. Do oznaczania stopnia zagęszczenia skał sypkich metodą laboratoryjną służy aparat AZP. Składa się on z: cylinder metalowy ;do którego wsypuje się próbkę skały, tłoka; dokładnie dopasowanego do cylindra, widełek metalowych; służących do zagęszczania (wibrowania) skał sypkich. Aby określić stopień zagęszczenia [Sz] skały sypkiej w aparacie AZP należy znać: - współczynnik porowatości skały w stanie naturalnym - (n), największy współczynnik porowatości skały - (nmax), najmniejszy współczynnik porowatości skały - (nmin). Współczynnik porowatości skał jest to stosunek objętości porów zawartych w próbce skalnej do całkowitej objętości tej próbki. Praktycznie współczynnik (wskaźnik) porowatości skał sypkich wyznacza się na podstawie znanej gęstości masy γ i gęstości przestrzennej γ0 danej skały i oblicza się ze wzoru
n = γ -γo / γ *100 e = γ 0 - γ / γ 0 Gęstość masy (ciężar właściwy) skały praktycznie najczęściej oznacza się metodą piknometryczną i oblicza się go ze wzoru:
γ = G s / V s = Ps - T / P w + (Ps - T) - Pws [g/m3] gdzie: Gs - masa wysuszonej próbki skały, V s - objętość szkieletu skały, P s - waga piknometru z wysuszoną w temperaturze 105 - 110 0 C, próbką skały, T - waga piknometru wysuszonego w temperaturze 105 - 1100 C, P w - waga piknometru napełnionego do kreski wodą destylowaną w temperaturze cechowania piknometru, P ws - waga piknometru ze skałą i wodą wypełniającą piknometr do kreski. Gęstość przestrzenna (ciężar objętościowy) γ0 skał sypkich w praktyce oznacza się przy pomocy cylindra i oblicza się ze wzoru: γ 0 =G / V = G t -T e / V c , gdzie: G - masa próbki skały, V objętość próbki skały, G T - waga cylindra z próbką [g], T c - waga cylindrowa [g], V c - wewnętrzna objętość cylindra zajmowana przez próbkę [cm3] Oznaczenie gęstości przestrzennej γ0 skały w stanie naturalnym wykonuje się na próbce o nienaruszonej strukturze tzn. na próbce pobranej w sposób zachowujący jej własności naturalne (zagęszczenie i wilgotność). Wielkość współczynnika (wskaźnika) porowatości maksymalnej i minimalnej wyznacza się w aparacie AZP. Wyposażenie stanowiska badawczego. Do wykonania oznaczenia niezbędne są następujące urządzenia: - aparat AZP, waga laboratoryjna, suwmiarka, cylinder metalowy do oznaczenia gęstości przestrzennej, piknometr do oznaczenia gęstości masy.
OZNACZENIE AGRESYWNOŚCI WODY. Podziemne części budowli otoczone gruntem wilgotnym lub wodami gruntowymi są niszczone przez mechaniczne ścieranie czyli tzw. erozję oraz działanie czynników fizykochemicznych czyli korozję. Pewne sole i wolne kwasy zawarte w powietrzu, wodzie gruntowej i podziemnej działają szkodliwie na metalowe i betonowe części budowli. Działanie to jest szczególnie duże, jeżeli są one rozpuszczone w wodzie płynącej. Niszczące działanie wód polegać będzie na wymywaniu składników betonu, bądź też na reagowaniu z substancjami wchodzącymi w skład betonu. Agresywność wód określa się na drodze analizy chemicznej. Badanie wód stanowiących agresywne środowisko powinno obejmować analizę chemiczną. Zakres oznaczeń i stopień dokładności analizy uzależniony jest od celu jakim ona służy. Najczęściej stosuje się analizę fizykochemiczną obejmującą następujące oznaczenia. Badania fizyczne:zapach, kolor, klarowność, stężenie jonów wodorowych pH, przewodnictwo elektryczne, radoczynność. Analiza chemiczna. Pozostałość po odparowaniu [mg/dm3], pozostałość po wyprażeniu [mg/dm3], utlenialność [mg O2/dm3], twardość przemijająca [0n], twardość stała [0n], twardość ogólna [0n], zawartość kationów: Ca2+ [mg/dm3], Mg2+ [mg/dm3], Fe3+ [ mg/dm3] Al3+ [mg/dm3], zawartość anionów Cl (chlorki) [mg/dm3], SO42 (siarczany) [mg/dm3], NO3 (azotany) [mg/dm3], NO2 (azotyny) [mg/dm3], HCO3 (wodorowęglany) [mg/dm3], substancje humusowe [mg/dm3], zawartość rozpuszczonych gazów: Co2 wolny [mg/dm3] CO2 agresywny [mg/dm3], H2S (siarkowodór) [mg/dm3]. Na podstawie analizy fizycznej i chemicznej ocenia się agresywność wód. Do wód agresywnych zalicza się: - wody miękkie- wywołujące agresję ługującą. - wody kwaśne - wywołujące agresję kwaśną, - wody zawierające CO2 wolny - wywołujące agresję węglanową, - wody siarczanowe - wywołujące agresję siarczanową, - wody magnezowe - wywołujące agresję magnezową. Wody miękkie - ługują przede wszystkim wolne wapno Ca (OH)2 z betonu, a następnie wywołują rozpad hydrolityczny krzemianów i glinianów wapnia. Agresywność wód miękkich zależy również od twardości przemijającej. W miarę obniżania się tej twardości, wody staja się coraz bardziej groźne. Wody kwaśne - agresywność tych wód zależy od stężenia i rodzaju kwasu. Oprócz mocnych kwasów mineralnych (HCl, H2SO4, HNO3) wody mogą zawierać kwasy słabe takie jak H2S, kwasy organiczne i często spotykane w wodach gruntowych kwasy humusowe. Agresywność wód kwaśnych ocenia się na podstawie wartości pH. Wody zawierające CO2 -każda woda zawiera wolny lub związany CO2 przynajmniej w ilości kilku mg/dm3. Korodujące działanie dwutlenku węgla (CO2) na beton polega na tworzeniu łatwo rozpuszczalnych kwaśnych węglanów wapnia. Twardość wody Twardość wody pochodzi od zawartości w niej związków wapnia i magnezu. Rozróżnia się dwa rodzaje twardości wody: - twardość węglanową - przemijającą, - twardość stałą. Twardość wody jest zjawiskiem niepożądanym. Przy wyparowywaniu wody twardej wydziela się bowiem większa ilość nierozpuszczalnych związków (węglany, siarczany), które tworzą kamień kotłowy. Twardość węglanowa - pochodzi od zawartości wodorowęglanów wapnia i magnezu. Przy gotowaniu przechodzą one w węglany które osadzają się na ściankach naczynia. Twardość przemijającą można zatem usunąć przez gotowanie. Twardość stała pochodzi od zawartości pozostałych związków wapnia i magnezu (np. siarczan wapnia, chlorek wapnia). Twardość stałą można usunąć za pomocą: sody Na2 CO3, mleka wapiennego Ca(OH)2, fosforanu sodowego Na3PO4 oraz wymieniaczy jonowych. Pomiar pH wody. Wartość pH określa nam odczyn danej wody, pH jest to ujemny logarytm ze stężenia jonów wodorowych. pH = -lg [H+] Pomiar ph wykonujemy następująco: -za pomocą oranżu metylowego lub czerwieni metylowej, - za pomocą papierka wskaźnikowego. Oznaczenie twardości węglanowej. Twardość wody oznaczamy w następujący sposób: 1. pobieramy pipetą 50cm3 badanej wody do kolby stożkowej, 2. do kolby z badana woda dodajemy 2 - 3 krople oranżu metylowego, 3. miareczkujemy tak przygotowana próbkę roztworem 0.1N Hci do zmiany barwy z żółtej na różowa, 4. obliczamy twardość węglanowa Tw = V*N*28.04*1000*20 / 1000 * 10 [0n]. Gdzie: Tw - twardość węglanowa, V - objętość zużytego roztworu, N - stężenie normalne roztworu HCI, 28,04 - gramorównoważnik tlenu wapnia, 10 - zamiana na stopnie niemieckie, 20 - rozcieńczenie. Oznaczanie zawartości agresywnego CO2 Agresywne CO2 oznaczamy w następujący sposób: 1. butelkę z korkiem na szlif napełniamy badana woda po sam korek, wsypujemy ok. 1-2g roztartego marmuru i wstrząsamy co jakiś czas. 2. odczekujemy ok. godziny, aż osad spadnie, 3. pobieramy pipetą 50cm3 klarownego roztworu, 4. mieszać roztworem 0.1N HCI i dodajemy oranżu metylowego jako wskaźnika, do momentu zmiany barwy z żółtej na różową, 5. obliczamy zawartość agresywnego CO2,
CO2 = (a-b) * N * 22,0 *1000 * 20 / 1000 [mg/dm3] gdzie: a- ilość zuzytego do miareczkowania roztworu 0.1N HCI[cm3], b - ilość zużytego roztworu, N- stezenie normalne.