5.1 Види води в гірських породах

У гірських породах вода знаходиться в порах та пустотах (порожнинах) у таких агрегатних станах: у вигляді пари (пароподібна), рідини та твердого тіла (лід).

Пароподібна вода розташовується у верхній товщі земної кори. У цій зоні постійно і поступово здійснюється обмін між повітрям та парою атмосфери, між повітрям та парою пустот і пор гірських порід. Тому ця зона одержала назву зони аерації. Потужність її неоднакова і залежить від типу порід, кліматичних умов місцевості і досягає інколи 12 - 16 м від поверхні Землі.

На міграцію водяної пари переважаючий вплив чинить температура. З цим фактом пов'язується таке явище, яке одержало назву екранування води під фундаментами споруд. Справа в тому, що влітку гірські породи (грунти) на незабудованих майданчиках прогріваються вільніше, ніж під фундаментами, і водяна пара за законами аеродинаміки прямує під фундаменти, де частково конденсується, збільшуючи вологість ґрунту і як наслідок - збільшується осідання споруди.

Рідка вода, або вода у вигляді рідини, підрозділяється на два типи: вільну, або гравітаційну, та капілярну.

Капілярна вода міститься в гірських породах з капілярними порами та тріщинами, ширина (розкриття) яких менше 0,25 мм, а діаметр пор менше 1 мм. Утримується капілярна вода за рахунок капілярних (меніскових) сил.

Формується вона за рахунок атмосферних опадів та розтавання снігу, а також за рахунок підняття за законами капілярного руху від нижніх водонасичених гірських порід.

У практиці будівництва велике значення має висота капілярного підняття та час капілярного водонасичення. Висотою капілярного підняття називається відстань по вертикалі, на яку підіймається вода по капілярах від підземного водоносного горизонту. Висота цього підняття Н_к  залежить від літологічного та гранулометричного складу гірських порід і може бути визначена експериментально або за формулою французького вченого Жюрена:

Н_к = С_к/d,                                         (5.1)

де С_к - 0,3 - постійна капілярного змочування при температурі 0°С;

d- діаметр пор або розкриття тріщин, мм.

Час капілярного підняття - це час, протягом якого відбувається повне заповнення капілярів водою. Він неоднаковий для різних гірських порід: у пісках біля 80, у глинистих ґрунтах - 350÷475 діб.

Гравітаційна вода. Ця вода не пов'язана з поверхнею частинок і не утримується менісковими силами. Вона здатна переміщуватись під впливом сили тяжіння, тобто під впливом різниці напорів. Така вода використовується для водопостачання, і якраз вона створює труднощі при проходці котлованів та будівництві підземних споруд. Гравітаційна вода є основним предметом нашого розгляду.

Фізичнозв'язна вода утворюється за рахунок адсорбції поверхнею породних частинок у процесі конденсації водяної пари і утримується за рахунок електромолекулярних сил. Цей перший на поверхні частинок шар води називається гігроскопічною або міцнозв'язною водою. Вона випаровується при температурі 105-110°С, не передає гігростатичного тиску та замерзає при температурі  –70-80°С.

Молекули води за своєю природою є диполями, тобто мають орієнтацію полюсів. Тому перший від поверхні частинок шар води – гігроскопічна вода утримує другий та послідовні шари орієнтованих молекул, але зі значно меншою силою (рис. 5.2). Другий та подальші шари називаються плівковою або крихкотілою водою. Вони зникають при температурі до 105°С, а замерзає плівкова вода при температурі -17-18°С. Плівкова вода рухається від частинок з товстішою плівкою до частинок з меншою товщиною плівки.

Рисунок 5.2 - Водяні оболонки навколо мінеральної частинки:

1 – мінеральна частинка; 2 – гігроскопічна вода; 3 – плівкова вода;

4 – диполі води

Кількість фізичнозв’язної води більша там, де більша питома поверхня частинок. Наприклад, у монтморілонітової глини в 1 см³ міститься понад 25 млрд. частинок і при зволоженні вона має фізичнозв’язної води більше 100% об’єму самих частинок. У піщаних породах всього 1-2% фізичнозв’язної води.

Хімічнозв'язна вода входить до складу кристалічної решітки і вилучається при її руйнуванні. Наприклад, у гіпсі CaSO₄·2H₂О. Перша молекула води вилучається при температурі 118°С, друга - при І40°С. Таким чином утворюється ангідрит (алебастр). З цим явищем пов'язаний ефект приготування в'яжучих (дегідратація-гідратація).

Вода у твердому стані має місце у гірських породах при від’ємних температурах до певної глибини від денної поверхні. У твердий стан переходить гравітаційна та частково плівкова вода. Це явище носить сезонний характер, а глибина промерзання залежить від кліматичних умов місцевості. Так, в Україні вона складає 70 - 110 см, а на півночі таких країн, як Канада, Росія на деякій глибині зберігається постійно. Це зона вічної мерзлоти.

При замерзанні води утворюється кристалічний лід, і при цьому об’єм збільшується на 8 - 9%, а в умовах обмеження деформації розвивається великий тиск (до 1 ГПа), руйнуючи будь-які матеріали та гірські породи. Тому підошви фундаментів завжди закладають нижче глибини промерзання.