Перейти к содержанию

Карбонатность

Нормативная документация: ГОСТ 34467-2018

Введение

Карбонатные компоненты в грунтах (кальцит, доломит, сидерит и др.) существенно влияют на их инженерно-геологические свойства, включая растворимость, несущую способность и устойчивость к химической агрессии. Наличие карбонатов, особенно кальцита (CaCO3), определяет риски карстообразования, суффозии и коррозии строительных конструкций. Содержание этих соединений выражается в процентах CaCO3 или CO2 от массы абсолютно сухого грунта. Настоящая статья описывает методы определения карбонатности по ГОСТ 34467-2018 и один альтернативный метод (Метод В.Е. Соколовича)

Рассматриваются:

  1. Гравиметрический метод (по потере массы),
  2. Манометрический метод (по давлению CO2),
  3. Метод титрования (Метод В.Е. Соколовича)

Гравиметрический метод (PS_GRAV)

1.1 Краткое описание
Применяется для точного определения массовой доли карбонатов во всех типах минеральных грунтов. Основан на химическом разложении карбонатов соляной кислотой с последующим измерением массы нерастворимого остатка.

1.2 Вычисляемые параметры:
- Относительное содержание CO₂ в грунте (д.е.)
- Относительное содержание CaCO₃ в грунте (д.е.)

1.3 Теоретические основы
Карбонаты (CaCO₃, MgCO₃) реагируют с соляной кислотой:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O

Массовая доля карбонатов рассчитывается по потере массы образца после реакции.

Методика

  1. Подготовка пробы:
    Отбирают навеску грунта массой 15-20 г для параллельного определения гигроскопической влажности по ГОСТ 5180.

  2. Подготовка оборудования:
    В химический стакан (100-250 мл) наливают 20 мл 5н раствора HCl (готовится по Приложению Б ГОСТ).
    Накрывают стакан часовым стеклом, на которое устанавливают пустой фарфоровый тигель.

  3. Первое взвешивание:
    Взвешивают систему (стакан + HCl + часовое стекло + тигель) с точностью ±0.01 г → P₁.

  4. Второе взвешивание:
    Помещают в тигель аналитическую навеску грунта 3-5 г.
    Повторно взвешивают всю систему → P₂.

  5. Проведение реакции:
    Тигель с навеской осторожно погружают в HCl, избегая разбрызгивания.
    Накрывают часовым стеклом, аккуратно перемешивают круговыми движениями до прекращения вскипания.
    Выдерживают 30 минут.

  6. Третье взвешивание:
    Взвешивают систему после реакции → P₃.

Расчеты

  1. Относительное содержание CO₂ (д.е.):

CO₂ = [ (P₂ - P₃) / (P₂ - P₁) ] × 100%

Где:
P₂ - P₃ = масса выделившегося CO₂ (г)
P₂ - P₁ = масса анализируемой навески (г)

  1. Относительное содержание CaCO₃ (д.е.):

CaCO₃ = CO₂ / 0.44

Где 0.44 - коэффициент, учитывающий атомную массу СО2

Манометрический метод (PS_MANO)

2.1 Краткое описание
Используется для быстрого определения содержания карбонатов путем измерения давления CO₂ в герметичном кальциметре .

2.2 Вычисляемый параметр:
- Содержание CaCO₃ в грунте (г)

2.3 Теоретические основы
Объем выделившегося CO₂ пропорционален количеству карбонатов в исходном грунте. Давление газа измеряется манометром и пересчитывается в массу CaCO₃.

Методика

Принцип работы кальциметра:

Измерение давления CO₂, выделяющегося при реакции карбонатов грунта с соляной кислотой в герметичном реакционном цилиндре (кальциметре). Давление пропорционально содержанию CaCO₃.

Этапы проведения испытания:

  1. Подготовка прибора (калибровка):
    • Строят калибровочную кривую по чистому CaCO₃:
    • Готовят 5 серий навесок: 0.2 г, 0.4 г, 0.6 г, 0.8 г, 1.0 г (±0.01 г)
    • Для каждой навески измеряют давление после реакции с HCl
    • Строят график "Масса CaCO₃ → Давление" (Приложение Г ГОСТ)

Калибровочная кривая кальциметра, Приложение Г ГОСТ 34467—2018

Рис. 1 Приложение Г. Калибровочная кривая кальциметра ГОСТ 34467—2018

  1. Подготовка пробы:

    • Берут воздушно-сухой образец массой 1.0 г
    • Помещают в чашку реакционного цилиндра

  2. Проведение реакции:

    • В цилиндр наливают 20 мл 1н HCl
    • Устанавливают чашку с пробой (рис. В.1 ГОСТ)
    • Герметично закрывают цилиндр с уплотнительными кольцами
    • Наклоняют и вращают цилиндр для смешивания пробы с кислотой

  3. Измерение давления:

    • Через 5 мин после начала реакции фиксируют максимальное давление по манометру
    • Открывают предохранительный клапан для сброса давления

  4. Очистка системы:

    • Сливают содержимое
    • Промывают цилиндр и чашку дистиллированной водой

Расчет

  1. По калибровочной кривой определяют массу CaCO₃ (г), соответствующую измеренному давлению

Масса CaCO₃ = f(ΔP)

Где f - функция калибровочной кривой

  1. Для ориентировочной оценки используют таблицу А.1 ГОСТ:

Метод титрования 1н. раствором HCl (PS_TITR)

3.1 Краткое описание
Экспресс-метод для определения карбонатности грунтов через косвенное титрование. Основан на преобразовании карбонатов в растворимый карбонат натрия с последующим кислотным титрованием.

3.2 Вычисляемые параметры:
- Относительное содержание CO₂ (д.е.)
- Относительное содержание CaCO₃ (д.е.)

3.3 Теоретические основы
1. Карбонаты преобразуются фторидом натрия:
CaCO3 + 2NaF → CaF2↓ + Na2CO3

  1. Образовавшийся Na₂CO₃ титруют HCl:
    Na2CO3 + HCl → NaHCO3 + NaCl

  2. 1 мл 1н HCl эквивалентен:

    • 0.044 г CO₂
    • 0.100 г CaCO₃

Методика

  1. Подготовка пробы:

    • Воздушно-сухой грунт измельчают и просеивают через сито 0.25 мм
    • Отбирают навеску 4-5 г (±0.001 г)

  2. Предварительная нейтрализация:

    • Пробу помещают в колбу с 80 мл дистиллированной воды
    • Добавляют 3-5 капель фенолфталеина
    • Если появляется розовая окраска (щелочность), титруют 0.5н HCl до обесцвечивания

  3. Основная реакция:

    • Добавляют 4 г кристаллического NaF
    • Кипятят 5 мин
    • Охлаждают до 20-25°C

  4. Титрование:

    • Добавляют новые 3-5 капель фенолфталеина
    • Титруют 1н HCl до исчезновения розовой окраски
    • Фиксируют объем кислоты (a, мл)

Расчетные формулы:

CO2 = (a × 0.044 × 100) / m

CaCO3 = (a × 0.100 × 100) / m

где:

  • a — объем 1н HCl на титрование (мл)
  • m — масса сухого грунта (г)
  • 0.044 — масса CO₂, эквивалентная 1 мл HCl (г)
  • 0.100 — масса CaCO₃, эквивалентная 1 мл HCl (г)