Главная → Статьи

Связующие для укрепления грунтов

Под укреплением грунтов понимают комплекс мероприятий по повышению их механической прочности и водоустойчивости. Химическое укрепление грунтов является искусственным преобразованием грунтов путем химической обработки различными реагентами. При этом протекают реакции взаимодействия реагентов между собой и с компонентами грунта, обеспечивающие долговечность приобретенных им строительных свойств (прочности, водостойкости и др.).

Процесс укрепления грунтов включает ряд технологических операций (размельчение, перемешивание, дозирование вяжущих, увлажнение, приготовление растворов, инъектирование, уплотнение), обеспечивающих в результате активного воздействия на грунт связующих и других веществ высокую плотность, прочность и длительную устойчивость укрепленного грунта как в сухом, так и водонасыщенном состоянии.

При разработке методов укрепления грунтов основной задачей является получение нового строительного материала с заданными структурно-механическими свойствами.

Выбор метода укрепления грунта зависит от строительных или инженерных задач, определяющих соответствующую область применения укрепленного грунта: дорожное и аэродромное строительство; фундаментостроение; горное дело; гидротехническое строительство; охрана окружающей среды.

В дорожном строительстве связующие используют для укрепления грунта при устройстве оснований под дороги и при укреплении дорожных бровок.

Особенность автомобильных дорог и аэродромов состоит в их большой зависимости от климатических, грунтовых и гидрогеологических условий местности. Специфика строительства заключается в использовании огромного объема различных каменных материалов — песка, щебня и др. Для снижения стоимости дорожных и аэродромных одежд во многих районах вместо каменных материалов применяют местные грунты, отходы или попутные продукты промышленных предприятий. Как правило, использование таких материалов требует их укрепления с помощью связующих, например портландцемента, шлакопортландцемента, извести, жидкого стекла, битумов. В качестве компонентов дорожной одежды используют такие промышленные отходы, как топливные золы и шлаки, доменные и металлургические шлаки, шламы глиноземного производства и др.

При фундаментостроении химическое укрепление грунтов с помощью связующих решает следующие задачи:
строительство промышленных и гражданских сооружений на просадочных и набухающих грунтах, имеющих широкое распространение на территории РФ;
усиление фундаментов под существующими сооружениями (эта операция производится без перерыва в эксплуатации самого сооружения);
увеличение несущей способности свай и опор большого диаметра с последующим закреплением грунта ниже их забоя.

В горном деле закрепление грунтов используют при проходке горных выработок в сложных горно-геологических условиях вместо дорогостоящего крепления их с помощью строительных конструкций, а также при вскрытиии котлованов в водонасыщенных грунтах.

В гидротехническом строительстве путем укрепления грунта создают противофильтрационные завесы в аллювиальных грунтах для строительства на них высотных земляных и каменнонабросных плотин (например, в основании Асуанской плотины создан противофильтрационный экран из 2 млн м3 грунта).

Методами химического укрепления грунта осуществляют защиту бетонных фундаментов от вредного воздействия на них агрессивных грунтовых и производственных сточных вод. Для этого создаются противофильтрационные завесы с помощью нагнетания в грунты затвердевающих химических реагентов, а также введения специальных антикоррозионных добавок в грунт в процессе обратной засыпки.

Важное народно-хозяйственное значение приобрело укрепление грунтов в решении проблем охраны окружающей среды, особенно при строительстве и эксплуатации различных сооружений для хранения промышленных отходов и полупродуктов, представляющих опасность для природы и человека. Такие отходы и продукты могут быть тонкодисперсными и сухими, в этом случае одна из инженерных задач — предотвращение распространения их по местности за счет пыления. Если отходы представляют собой влажные суспензии (особенно, когда содержат водорастворимые соединения), то путем укрепления грунта может быть создан противофильтрационный экран, представляющий собой заслон для распространения вредных веществ при их фильтрации через грунт.

Грунты, которые могут быть укреплены, по гранулометрическому составу разделяют на две группы:
1. Крупнообломочные и мелкообломочные несвязанные грунты (горные породы) с включением значительного количества зернистых фракций, образующих и сохраняющих раздельно несущий зернистый каркас при максимальном уплотнении. Этот каркас обладает достаточной устойчивостью, обусловленной большим внутренним трением и хорошим сцеплением между частицами. Такие каркасные смеси могут быть эффективно омоноличены с приданием им высокой прочности, сдвигоустойчивости и водонепроницаемости путем введения вяжущих веществ (портландцемента, битума, извести или же сочетания каких-либо других веществ) и мелких фракций, заполняющих пустоты между крупными и прочными частицами (обычно зерна полевого шпата и кварца или обломки горных пород).
2. Суглинки и глины, т. е. связанные грунты, не обладающие зернистым несущим каркасом; промежуточное положение занимают супесчаные грунты. Эта группа грунтов характеризуется наличием связности, в ней отсутствует каркас из прочных и крупных частиц, но проявляется высокая физико-химическая и химическая активность.

Каждая из указанных групп в широком диапазоне может различаться по своему петрографическому, минералогическому, химическому составам и другим свойствам.

Выделяют два основных направления в технологии химического закрепления грунтов:
инъекционное укрепление, осуществляемое путем нагнетания в грунт с помощью инъекторов или в скважины химических и цементационных растворов (смолизация, силикатизация, цементация). При этом реагенты в виде растворов или газов вводятся в грунт в условиях его естественного залегания (без нарушения | структуры грунта) путем нагнетания под давлением;
буросмесительное укрепление, включающее разработку и перемешивание грунта с цементом или цементными, а также цементно-песчаными, цементно-глинистыми растворами в скважинах. При таком способе закрепления нарушается природная структура грунта в результате его механического перемешивания с цементом или другими связующими с добавками. Перемешивание грунта со связующим производят с помощью специальных механизмов.

Инъекционное укрепление применяют для грунтов, характеризующихся определенной водопроницаемостью (песчаные, ; крупнообломочные, трещиноватые скальные и др.). Химическое укрепление грунтов инъекцией при высоком содержании в грун- I те нефтепродуктов, высокой засоленности, а также при скоростях фильтрации грунтовых вод выше 5 м/сут невозможно.

Буросмесительное укрепление применимо для всех нескаль- . ных грунтов, включая глинистые, независимо от их водопроницаемости.

Иногда различают также:
поверхностное укрепление — введение неорганических (цемент, известь и др.) и органических (битум, деготь) вяжущих, синтетических высокомолекулярных смол, комплексное укрепление вяжущими и другими реагентами;
глубинное укрепление — введение неорганических вяжущих или растворов, синтетических высокомолекулярных смол, ииъ-ектирование глинистых и цементных суспензий, химических растворов или золей малой вязкости, замораживание, термическое укрепление;
придание водонепроницаемости и газонепроницаемости — введение неорганических или органических веществ и растворов, комплексные методы.

Существующие методы укрепления грунта с позиций применения различных связующих можно подразделить на несколько классов:
1. Укрепление грунтов портландцементом или его аналогами (белитовый, спекательный шламы и т. д.).
2. Укрепление грунтов известью.
3. Укрепление грунтов щелочно-силикатными растворами различного состава.
4. Укрепление грунтов кислотами и солями различного состава.
5. Укрепление грунтов отходами нефтехимического производства (битумами, битумными эмульсиями).
6. Укрепление грунтов синтетическими высокомолекулярными соединениями (фурфурольные и карбомидные смолы, ре-зорцинформальдегидные и кальциево-акрилатовые смолы, поливиниловый спирт и т. п.).
7. Смешанные методы —укрепление грунтов, например, растворами силиката натрия и серной кислоты, силикатно-органи-ческими растворами и т. д.

Укрепление грунтов при применении в качестве связующего композиций на основе растворов силиката натрия называют силикатизацией грунта, при использовании в качестве связующего карбамидных смол — смолизацией, а цементных растворов — цементацией грунта.

При укреплении грунтов различными вяжущими имеют место химические процессы, включающие: гидратацию цементных зерен, твердение продуктов гидратации и их новообразований, возникающих при химическом взаимодействии связующих с тонкодисперсной частью грунта; полимеризацию и поликонденсацию низкомолекулярных соединений; химическое взаимодействие с активными реагентами, входящими в состав твердеющей композиции.

Физико-химические процессы при укреплении грунтов включают обменное поглощение продуктов гидролиза и гидратации цементных минералов (например, Са(ОН)2) тонкодисперсной частью грунта или другими катионоактивными или анионоак-тивными веществами. При этом может также иметь место молекулярная адсорбция веществ из растворов на поверхности раздела фаз, коагуляция глинистых и коллоидных веществ, их микроагрегирование и цементирование.

В ходе укрепления грунта происходят измельчение грунтовых частиц и агрегатов, их гомогенизация с цементом, битумом, известью или другими вяжущими веществами и реагентами, увлажнение и уплотнение готовой грунтовой смеси с последующим длительным режимом влажного или иного режима твердения. Эти разнообразные сложные процессы находятся в тесной взаимосвязи, накладываются друг на друга во времени. Таким образом, при укреплении тонкодисперсных грунтов протекают физико-химические взаимодействия, приводящие к возникновению новообразований как за счет взаимодействия связующего с компонентами грунта, так и за счет собственного твердения связующего (образование цементного клея).

На выбор метода укрепления грунта влияют вид инженерной задачи, минералогический, гранулометрический, химический составы грунта, погодно-геологические условия, экономическая эффективность того или иного метода.

Наиболее распространен метод укрепления грунта с помощью портландцемента и шлакопортландцемента с добавками, регулирующими процесс твердения цементогрунта (хлористый кальций, известь, соли щелочных металлов, поверхностно-активные вещества). Основные процессы, происходящие при формировании цементогрунта, зависят от взаимодействия цемента с глинистыми частицами грунта. Это взаимодействие вызывается растворением кремнезема и глинозема из частиц глины и аморфного компонента в среде с высоким рН, образованной в результате выделения гидратирующимся цементом высокореактивного Са(ОН)2- Растворившиеся компоненты могут с ионами кальция образовывать дополнительный цементирующий материал, который скрепляет между собой частицы глины. Для цементации грунтов применяют цементные, цементно-песчаные, цементно-глинопесчаные и цемент-но-глинистые растворы. В ряде случаев требуется повышение проницаемости частиц цемента в грунт, для этого производят домол цемента (мокрый или сухой) или воздушное сепарирование крупных частиц.

Диспергированные цементы позволяют приготовить инъекционные растворы, обладающие лучшей проницаемостью в трещиноватые скальные породы. Для ускорения нарастания прочности суспензий добавляют СаС12 (0,5—3,0%), для повышения стабильности — бентонит (1—5%). Для кислых грунтов целесообразно введение небольших (0,6— 3,2%) добавок Са(ОН)2, что способствует увеличению прочности укрепляемого грунта.

Гумусовые перегнойные вещества, содержащиеся в грунте, отрицательно влияют на его упрочнение, их воздействие растет по мере увеличения кислотности, что связано с изменением количественного соотношения и качественного состава органических кислот и солей, входящих в гумусовые вещества. Действие гумусовых веществ на процессы структурообразования в цементогрунте может быть ослаблено небольшими добавками только извести или извести в сочетании с хлористым кальцием. При увлажнении смеси известь вступает в ионно-обменное взаимодействие с тонкодисперсной частью грунта и гумусовыми веществами, насыщая их ионами кальция. При этом создается щелочная среда, благоприятная для твердения гидратированных зерен цемента, а наличие в растворе катионов кальция приводит к образованию нерастворимых в воде гуматов кальция. В качестве компонента цементогрунта наряду с портландцементом в ряде случаев применяют отходы и попутные продукты местных химических и металлургических, а также топливных производств—топливные шлаки и золы-уноса, доменные шлаки, от ходы глиноземного производства (нефелиновые шламы и бокситовые шламы).

Для укрепления грунтов с повышенным содержанием гумуса, а также засоленных грунтов наиболее часто применяют композиции на основе портландцемента с добавками извести, соды, жидкого стекла, поташа, крем неорганических соединений, полимеров.

Выявлена перспективность использования синтетических полимерных соединений в качестве самостоятельных активных реагентов, обеспечивающих создание прочной и гидрофобной структуры укрепленных грунтов различного состава и генезиса.

Наиболее важными характеристиками полимеров, указывающими на их пригодность для укрепления грунтов, необходимо считать следующие:
малую вязкость, растворимость или эмульгируемость в воде (в мономерной или полимерной форме) на стадии введения полимера в грунт, перемешивания, увлажнения и уплотнения смеси;
нерастворимость в воде и несмачиваемость (гидрофобность) после завершения стадии затвердевания укрепленного грунта, при этом процессы отверждения смолы должны происходить в воздушной или водной среде в интервале температур от 0 до 35 °С;
способность избирательной адсорбции по отношению к гидрофильным глинистым минералам;
способность противостоять физическим и химическим воздействиям и биологическому разложению;
возможность производства работ по обработке грунта при повышенной его влажности в интервале температур от 0 до 35 °С.

Главными химическими процессами, происходящими при образовании высокомолекулярных соединений, являются полимеризация и поликонденсация. В качестве синтетических высокомолекулярных соединений применяют фурфурольные смолы, карбамидные смолы и др.

При химическом укреплении грунтов как неорганические, так и органические полимеры формируют цементирующие образования в укрепляемых грунтах в виде различной степени обводненных гелей, которые в природных условиях могут и не встречаться. Химическое укрепление грунтов, в отличие от их природной цементации, осуществляется практически мгновенно (в геологическом смысле) с достижением прочности на одноосное сжатие в лучшем случае не более 5 МПа, в то время как естественная цементация длится чрезвычайно долго с образованием осадочных пород более высокой прочности.

Полученное соединение переменного состава является цементирующим новообразованием в виде тонких пленок в пристенном слое капилляра.

Двухрастворный способ силикатизации грунтов применяется для укрепления маловлажных и водонасыщенных песков, прочность укрепления песков на одноосное сжатие достигает 2—4 МПа. Укрепленный песок приобретает полную водонепроницаемость, высокую морозостойкость, устойчивость к кислотам и растворам нейтральных и кислых солей, но малоустойчив в щелочных средах вследствие растворения щелочного цементирующего геля кремневой кислоты. Такой способ —один из самых дешевых, нетоксичен, требует несложного оборудования, но неприемлем для укрепления малопроницаемых грунтов из-за высокой вязкости натриевого силикатного раствора.

Сущность однорастворного способа силикатизации грунта состоит в нагнетании в закрепляемый грунт раствора силиката натрия, предварительно смешанного с химическими добавками, которые приводят в строго определенное время к образованию геля кремневой кислоты, цементирующей грунт.

Таким образом, в грунт нагнетают смесь раствора из силиката натрия и добавок отвердевающего реагента. В качестве коагулирующих (отверждающих) химических реагентов, используемых для отверждения раствора силиката натрия, применяют растворы кислот и кислых солей, а также органические отвер-дители. При этом возможно образование двух цементирующих гелей кремневой кислоты: щелочного и кислого.

На скорость образования геля влияет состав кислоты или кислой соли, степень нейтрализации геля, температура гелеоб-разования, образование и структура пленки гидратированной кремнекислоты на поверхности частиц.

Разработано большое количество составов щелочных и кислых гелеобразующих растворов, в которых в качестве отверди-теля используются слабые кислоты и растворы кислых солей с большой буферной емкостью — NaH2P04, NaHCC>3, NaHS04, (NH4)HC03, A123, (NH4)2S04.

Наибольшее распространение в строительстве получили алю-мосиликатная и кремнефтористо-силикатная рецептуры.

В последнее время разработаны процессы с использованием органических отвердителей, в частности сложных эфиров, в качестве отвердителей жидкостекольных связующих. Из сложных эфиров для отверждения силикатных растворов чаще всего используют самый доступный и дешевый уксусно-этиловый эфир СН3СООС2Н5 (этилацетат).

В сильно щелочной среде силикатного раствора идет реакция омыления этилацетата с образованием ацетата натрия и этилового спирта:

СН3СООС2Н5 + NaOH – CH3COONa + C2H5OH.

В результате нейтрализации щелочи в силикатном растворе происходит повышение силикатного модуля, приводящее к ге-леобразованию (гель Si02). Количество добавки этилацетата составляет около 6%.

Технология инъекционного укрепления грунта состоит в нагнетании под давлением в поры и пустоты грунтов (в их естественном залегании) отверждающихся и закрепляющих грунты химических реагентов в виде двух отдельно нагнетаемых растворов (двухрастворный способ), одного раствора (однораствориый однокомпонентный способ), одного раствора и газа (двухкомпо-нентные газовые способы), гелеобразующих смесей из двух компонентов (однорастворные двухкомпонентные способы).

Нагнетание закрепляющих реагентов в грунты осуществляют насосами под давлением сжатого воздуха, в основном по технологии с вертикальным и наклонным заглублением инъекторов сверху вниз. Инъекторы представляют собой внедряемые тем или иным способом в грунты специальные устройства, посредством которых осуществляется нагнетание закрепляющих компонентов в грунты под давлением.

Ваш отзыв