СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА В ГРУНТОЦЕМЕНТНОЙ ПУЛЬПЕ ПРИ СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ
METHOD FOR CEMENT GROUT VOLUME CONCENTRATION DETERMINATION IN SLURRY PULP DURING JET GROUTING

Изобретение относится к способам экспрессного контроля объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе при создании подземных строительных конструкций струйной цементацией.
Струйная цементация применяется при возведении подземных строительных конструкций и заключается в нагнетании под давлением цементного раствора в грунт. В околоствольном пространстве происходит интенсивное перемешивание цементного раствора с грунтом, и часть полученной смеси в виде грунтоцементной пульпы выносится на поверхность земли (Струйная цементация грунтов. А.Г. Малинин. - Пермь: Престайм, 2007. - С. 10-13, 21).
По требованиям нормативной документации: «Расход инъекционного раствора при струйной цементации грунта должен регулироваться по выносу раствора с грунтовой пульпой из скважины. Нормальный процесс цементации сопровождается незначительным выносом раствора от 30 до 40% от инъектируемого объема раствора. При чрезмерном выносе расход раствора должен быть уменьшен, при отсутствии выноса - должен быть увеличен (СТО НОСТРОЙ 2.3.18-2011. Укрепление грунтов инъекционными методами в строительстве. М.: - Изд. БСТ-2011-п.6.5.11). Это означает, что при проведении работ по цементации требуется оперативное определение объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе для контроля и корректировки технологического процесса цементации.
В настоящее время количественное определение сложных по химическому составу веществ, в том числе определение количества цемента в бетоне, цементосодержащих растворах и пульпах производится рентгенофазовым анализом. Известен, например, способ количественного рентгенофазового анализа поликомпонентных цеолитсодержащих пород (RU 2088907 C1, G01N 23/20, опубл. 27.08.1997), включающий облучение анализируемой и эталонных проб в дифрактометре пучком рентгеновских лучей, регистрацию дифракционного спектра, расчет содержания определяемых минералов по значениям относительных интенсивностей, в котором выбирают участок дифракционного спектра, проводят над общей фоновой линией разложение профиля перекрывающихся дифракционных рефлексов на составляющие и по измеренным интегральным интенсивностям рассчитывают одновременно содержание всех слагающих пробу минералов.
Недостатком рентгенофазового анализа является длительность подготовки образцов для анализа из проб продукта. Так, при определении количества цемента в грунтоцементной пульпе струйной цементации прибором для рентгенофазового анализа ARL X 'tra (Швейцария) подготовка образцов включает сушку проб, измельчение, сушку до постоянной массы, измельчение в планетарной мельнице, просеивание через сито. Затем образцы помещают в прободержатель и производят анализ содержания цемента в образцах (Технический отчет по теме: «Определение процентного содержания цемента в представленных грунтоцементных образцах методом рентгенофазового анализа». М., МГСУ, 2013. С. 6). Длительность подготовки образцов к анализу исключают экспрессное определение концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе рентгенофазовым методом анализа.
Известен способ определения количества цемента в грунтоцементном материале конструкции (RU 2513567, C1 E02D 3/12, G01N 27/22, опубл. 20.04.2014), в котором в цементный раствор добавляют порошок графита, измеряют электропроводность цементного раствора и грунтоцементной пульпы и по приведенной формуле определяют количество цемента в грунтоцементном материале строительной конструкции.
Недостатком этого способа является то, что грунт содержит электропроводные растворы солей и окислов, которые влияют на результат замера электропроводности грунтоцементной пульпы и вносят значительную ошибку в результат вычисления количества цемента в пульпе.
Для определения наличия и количественного содержания химических элементов в сложных по химическому составу веществ применяется рентгенофлуоресцентный анализ (Лосев Н.Ф. Количественный рентгеноспектральный флуоресцентный анализ. - М.: - Наука - 1969. - 336 с.).
Известен способ измерения микроэлементного состава цемента (JP 2002082076 А), в котором для определения количественного содержании элемента в цементе используется рентгенофлуоресцентный анализ. Способ подходит для обеспечения практического измерения микроэлементов V, Cr, Ni, Cu, Zn, As, Sr, Mo, Ba, Zr и/или Pb, содержащихся в цементе. Rh используется в качестве мишени и LiF используется в качестве анализирующего кристалла. Микроэлементы измеряются посредством K[альфа] спектра.
Недостатком способа является невозможность количественного определения сложных химических веществ, в том числе цемента, в цементных растворах и грунтоцементной пульпе.
Наиболее близким является способ оценки количества цемента (JP 2011163810 А или JP 5659496 В2), предназначенный для оценки массы цемента в свежеприготовленных бетоне или строительном растворе с определенной точностью. Способ предполагает отбор проб исследуемого материала (бетонного раствора), удаление из пробы крупного наполнителя (щебня), обезвоживание пробы, взвешивание пробы до и после обезвоживания, рентгенофлуоресцентный количественный анализ химических элементов (кальция и кремния, входящих в состав цементных зерен) в сухой пробе и последующий расчет содержания цемента в бетонном растворе.
Недостатки этого способа следующие:
- способ неприменим для определения количества цемента в грунтоцементной пульпе при струйной цементации, так как грунтоцементная пульпа представляет собой смесь цемента и грунта, состоящий из одинаковых химических элементов;
- способ не является экспрессным, так как время обезвоживания пробы составляет от 5 до 90 мин (абзац 0093 JP 2011163810 А).
Задачей изобретения является создание способа определения текущих значений объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе для контроля и корректировки процесса цементации.
Задача решается способом определения объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе при струйной цементации, включающим отбор проб исследуемого материала и определение рентгенофлуоресцентным методом количественного содержания химического элемента в отобранных пробах, в котором:
- перед струйной цементацией выбирают химический элемент для закачки его в грунт совместно с цементным раствором при струйной цементации,
- приготавливают цементный раствор замешиванием цемента в воде и при приготовлении цементного раствора вводят выбранный химический элемент в цементный раствор,
- отбирают пробу цементного раствора,
- при проведении струйной цементации отбирают пробу грунтоцементной пульпы,
- рентгенофлуоресцентным методом производят измерение весовой концентрации химического элемента в пробах и плотности материалов проб,
- вычисляют объемную концентрацию цементного раствора в грунтоцементной пульпе по формуле
где Cv - объемная процентная концентрация цементного раствора в грунтоцементной пульпе;
Сп - весовая концентрация химического элемента в грунтоцементной пульпе, мг/кг;
Сс - весовая концентрация химического элемента в цементном растворе, мг/ кг;
п
ρ - плотность грунтоцементной пульпы, кг/л;
с
ρ - плотность цементного раствора, кг/л.
При этом выбор химического элемента должен осуществляться из условия непревышения его весового содержания 0,1% в грунте и возможности его количественного определения рентгенофлуоресцентным методом.
Минимальное количество химического элемента, вводимого на 1 кг цементного раствора при его приготовлении, могут определять по формуле:
р мин
по
Р=5С
р мин
по
где Р - минимальное количество химического элемента в миллиграммах, вводимого на 1 кг цементного раствора (мг/кг); С - предел обнаружения применяемым спектрометром химического элемента (мг/кг).
Минимальное количество химического элемента, вводимого на 1 л цементного раствора при его приготовлении, могут определять по формуле
v мин
р мин
с
P=Р×ρ
v мин
с
где P - минимальное количество химического элемента в миллиграммах, вводимого на 1 л цементного раствора (мг/л); ρ - плотность цементного раствора, кг/л.
Химический элемент могут вводить в цементный раствор в виде простого вещества в твердом или жидком состоянии с условием равномерного распределения химического элемента по объему цементного раствора при приготовлении цементного раствора.
Химический элемент могут вводить в цементный раствор в виде сложного вещества, содержащего выбранный химический элемент, в твердом или жидком состоянии с условием равномерного распределения химического элемента по объему цементного раствора при приготовлении цементного раствора.
Химический элемент могут вводить в цементный раствор в виде смеси сложных веществ, содержащих выбранный химический элемент, в твердом или жидком состоянии с условием равномерного распределения химического элемента по объему цементного раствора при приготовлении цементного раствора.
Химический элемент могут вводить в цементный раствор в твердом состоянии, хорошо растворяющегося в воде цементного раствора. Химический элемент могут вводить в цементный раствор в виде раствора или смеси растворов с неограниченной растворимостью в воде цементного раствора.
Химический элемент могут вводить в цементный раствор в виде нерастворимых кристаллов или порошка с размерами кристаллов или частиц порошка, сопоставимыми с размерами зерен цемента.
Технический результат заключается в обеспечении возможности экспресс-определения объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе с достаточной точностью для своевременной корректировки процесса цементации и повышения качества подземных конструкций.
Сущность предлагаемого изобретения основана на следующем.
Элементный химический состав цемента и грунта, в котором производится струйная цементация, идентичен (см. Цемент 500 http://prokcement.ru/doc/10178_85_pz500M500 и. Фролов В.Т., Литология., Кн. 1., гл. 2, Табл. 2.2. - М., Изд-во МГУ, 1992, - С. 28, 29). Поэтому определение количества цемента в грунтоцементной пульпе после смешивания цементного раствора с материалом грунта по элементному составу невозможно. В способе предлагается вводить в цементный раствор при его замешивании химический элемент, не содержащийся в грунте или весовое содержание которого не превышает 0,1%. Весовое содержание элемента менее 0,1% не влияет на точность определяемых искомых величин до единиц процента (Методы измерения физических величин. Пастушенков А.Г. Часть 1 - Тверь, ТГУ, 2001 - С. 50). При выборе химического элемента, вводимого в цементный раствор, его количественное содержание в исследуемом материале должно определяться спектрометром для рентгенофлуоресцентного анализа.
Определение концентрации химического элемента предлагается производить рентгенофлуоресцентным методом из-за преимуществ, присущих этому методу для проведения экспресс-анализа (Модели рентгенофлуоресцентных спектрометров DELTA и их аналитические возможности, http://instruments.zp.ua/ru/products/analyzers/oly analyzers/delta/models mpus): большая скорость анализа (от 1 с), широкая номенклатура исследуемых химических элементов (от 24 до 36 элементов у различных типов спектрометров), высокая точность определения (до 0,0001% для почв), высокий предел обнаружения элемента (от 3-200 ppm), малое время подготовки проб для анализа (не более 20 с). Результат измерения спектрометра выводится на его дисплей и записывается в память спектрометра или внешнего компьютера в весовых единицах концентрации ppm (мг/кг) или процентных единицах. Существуют переносные портативные спектрометры весом 1,5-2 кг с возможностью работы на месте проведения струйной цементации.
Весовая концентрация химического элемента, введенного в цементный раствор, соответствует 100% веса цементного раствора. По концентрации химического элемента в грунтоцементной пульпе определяют процентный выход цементного раствора с пульпой. С помощью плотностей цементного раствора и грунтоцементной пульпы производят перевод процентной весовой концентрации в объемную и по формуле определяют объемную процентную концентрацию цементного раствора в пульпе.
Минимальное количество химического элемента, вводимого в цементный раствор, на 1 кг цементного раствора определяют в зависимости от предела обнаружения этого элемента для применяемого спектрометра. Поскольку выход цементного раствора с грунтоцементной пульпой не может быть менее 20%, то минимальное количество химического элемента, вводимого в цементный раствор на 1 кг цементного раствора, будет в пять раз больше предела обнаружения химического элемента.
Минимальное количество химического элемента, вводимого в цементный раствор на 1 л цементного раствора, определяется через плотность цементного раствора, величина которой зависит от водоцементного отношения приготовляемого цементного раствора.
Точность определения концентраций химического элемента зависит от равномерности распределения химического элемента по объему цементного раствора и поэтому в способе введены следующие ограничения:
- при введении в цементный раствор химического элемента в составе твердого вещества оно должно хорошо растворяться в воде цементного раствора; или
- при введении химического элемента с раствором, раствор с водой цементного раствора должны иметь неограниченную растворимость; или
- при введении химического элемента в виде нерастворимых в воде кристаллов или порошка, размеры кристаллов или частиц порошка должны быть сопоставимыми с размерами зерен цемента (Смешивание порошков, http://www.himikatus.ru/art/htlab/74smeshivani.php).
Из литературных источников известно, что такие «элементы, как напр., фтор и фосфор из числа элементов-минерализаторов; титан, ванадий, медь из числа тяжелых металлогенных элементов, или стронций, барий, петрогенные элементы, находящиеся в состоянии большого рассеяния в земной коре, являются вообще редкими в осадочных породах» (Введение в петрографию, http://vodospad.com/book-58.html.С.11) и наиболее применимы для осуществления предлагаемого способа.
Возможность осуществления заявляемого изобретения показана следующими примерами.
Пример 1. При строительстве подземного сооружения укрепление грунтов осуществляют созданием поля грунтоцементных свай струйной цементацией. Укрепляемый грунт состоит из слоев глины и суглинок.
В качестве вводимого в цементный раствор химического элемента выбирают барий (В). Экологический мониторинг показал отсутствие следов бария в грунте, и спектрометром Delta-50 (Innov-X Systems, США) возможно количественное определение бария в исследуемом материале.
Техническая характеристика спектрометра Delta-50:
- определяемые элементы
от Mg до Pu
по таблице Д.И. Менделеева
- подготовка образцов
20 с
- скорость анализа
1-2 с
- предел обнаружения
3-200 ppm
- точность
0,001% (для почв)
- одновременный анализ
37 элементов
- показания
мг/кг (ppm) или %
- выход на ПК
есть
2
2
Барий соответствует всем критериям выбора химического элемента для определения объемной концентрации цементного раствора в пульпе. В цементный раствор барий вводят входящим в состав хлорида бария двухводного (BaCl⋅2НО) ГОСТ4108-72 в виде бесцветных ромбических кристаллов, хорошо растворяющихся в воде. Хлорид бария применяется в лакокрасочной промышленности, для закалки стали, а также он добавляется в бетон для ускорения твердения бетона (Ускорители схватывания и твердения в технологии бетонов. wvvw.Ibeton.ru/a62.php).
Замес цементного раствора осуществляют в растворосмесителе МА 500 С компании «Паккиози», Италия (объем - 800 л, частота вращения - 1600 об/мин). При водоцементном отношении раствора В/Ц=0,9 в растворосмеситель загружают 500 кг цемента марки М 500 ДО и заливают 450 л воды, что составляет 950 кг цементного раствора. В раствор необходимо ввести минимально 5×60 мг/кг × 950 кг = 285 г бария, где 60 мг/кг - предел обнаружения бария спектрометром Delta-50 (XRF анализатор DELTA для экологического мониторинга. http://www.ndt-instrument.ru/pdf/DELTA_Enviro_RU_A4_201310.pdf.С.5). По атомному весу определяют, что в 244,3 г хлористого бария двухводного содержится 137,3 г чистого бария или 285 г бария содержатся в 508 г хлористого бария двухводного. Из проведенного расчета в цементный раствор необходимо ввести не менее 508 г хлористого бария двухводного. В раствор вводят 600 г хлористого бария.
В растворосмесителе все компоненты тщательно перемешивают до однородной пластичной массы. Отбирают пробу цементного раствора и в процессе цементации отбирают пробу грунтоцементной пульпы. Определяют концентрацию бария в пробах и плотность проб. Замеры производят спектрометром DELTA 50 и портативным плотномером Densito 30 РХ (Mettler-Toledo, Италия).
Техническая характеристика плотномера Densito 30 РХ:
- диапазон измерений
0…2 кг/л (г/см<sup>3</sup>)
- погрешность
0,001 кг/л (г/см<sup>3</sup>)
- время замера
1 с
- выход на ПК
есть
Результаты замеров:
ρ<sub>с</sub>=1,52 кг/л
С<sub>с</sub>=292 мг/кг
ρ<sub>п</sub>=1,81 кг/л
С<sub>п</sub>=107 мг/кг
Расчет объемной концентрации:
Так как значение объемной концентрации выходит из допустимого диапазона 30-40% по СТО НОСТРОЙ 2.3.18-2011, то требуется корректировка процесса цементации, а именно уменьшение подачи цементного раствора в скважину.
Пример 2. Строительство противофильтрационной завесы производят грунтоцементными сваями на глубину 8 м, сооружаемых струйной цементацией.
По данным геологоразведки грунт состоит из суглинистых пластов толщиной до 2 м, чередующихся с глинистыми пластами толщиной до 1 м. Грунт содержит до 6% халькопирита (медный колчедан) и до 0,3% никеля и кобальта. Содержание остальных редких элементов менее 0,1%.
2
В качестве вводимого в цементный раствор химического элемента выбирают олово (Sn), входящее в дисульфид олова (SnS) ТУ6-02-1-013-89, в виде кристаллов, нерастворимых в воде, с размерами кристаллов 10-30 мкм, соизмеримых с размерами зерен 1-100 мкм (Улучшение качества мелкозернистого бетона путем механоактивации цемента. http://cyberleninka.ru/article/n/uluchshenie-kachestva-melkozernistogo-betona-putem-mehanoaktivatsii-tsementa.С.4) применяемого цемента М500 ДО. Дисульфид олова применяется в производстве краски, имитирующей золотое покрытие.
На 1 п.м. грунтоцементной сваи расходуется 550 литров цементного раствора. Раствор приготавливают с водоцементным отношением В/Ц=0,8.
В раствор на 1 п.м. сваи необходимо ввести минимально 5×40 мг/кг × 1,58 кг/л × 550 л = 176 г олова, где 40 мг/кг - предел обнаружения олова спектрометром Delta-50, 1,58 кг/л - плотность цементного раствора. При пересчете по атомному весу дисульфида олова, в цементный раствор необходимо ввести 284 г дисульфида олова. В смесительную установку при приготовлении цементного раствора вводят 320 г дисульфида олова. Замеры концентрации олова и плотности цементного раствора и грунтоцементной пульпы производят спектрометром DELTA 50 и плотномером Densito 30 РХ. Замеры производят при проведении цементации на глубине от 8 до 7 м.
Результаты замеров:
ρ<sub>с</sub>=1,58 кг/л
С<sub>с</sub>=194 мг/кг
ρ<sub>п</sub>=1,91 кг/л
С<sub>п</sub>=60 мг /кг
Расчет объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе:
Так как значение объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе лежит в допустимом диапазоне 30-40%, то корректировка процесса цементации не требуется.
Пример 3. Цементацию проводят в условиях и на оборудовании, приведенных в примере 2. Грунт содержит до 1,6% сфалерита (соединения цинка), соединения меди не превышают 0,1%. Для определения объемной концентрации цементного раствора в пульпе, в цементный раствор добавляют порошок латуни Cu-Zn ТУ 1791-003-36280340-2008, содержащий 60% меди (Cu) и 40% цинка (Zn). Определение объемной концентрации цементного раствора в пульпе производят по меди, входящей в состав порошка латуни. Размеры частиц порошка 80-100 мкм сопоставимы с размерами зерен цемента. Порошок в воде не растворим. Для закачки в грунт производят замес 950 кг цементного раствора. Расчет минимального количества меди, вводимой в цементный раствор: 5×30 мг/кг × 950 кг = 143 г, где 30 мг/кг - предел обнаружения меди спектрометром Delta-50. С учетом содержания в порошке латуни 60% меди, минимальное количество порошка латуни, вводимого в раствор, составляет 239 г. В раствор вводят 300 г латунного порошка.
Результаты замеров:
ρ<sub>с</sub>=1,52 кг/л
С<sub>с</sub>=148 мг/кг
ρ<sub>п</sub>=1,84 кг/л
С<sub>п</sub>=42 мг/кг
Расчет объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе:
Процесс цементации корректировки не требует.
Во всех приведенных примерах время определения объемной концентрации не превышает 2-3 мин.
Для определения объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе с вкраплениями или прожилками редких или рассеянных элементов в цементный раствор вводится химический элемент, заведомо не содержащийся в грунте. Например, если грунт содержит халькопирит (медный колчедан), то объемную концентрацию определяют, вводя в цементный раствор цинк или кобальт, если грунт содержит сфалерит (цинковая руда), то концентрацию определяют, вводя в цементный раствор кобальт или олово.
Из приведенных примеров видно, что предлагаемый способ:
- позволяет проводить экспресс определение объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе с достаточной точностью, производить своевременную корректировку процесса цементации и за счет этого повышать качество подземных конструкций;
- вывод результатов измерения спектрометра и плотномера на ПК позволяет осуществить автоматизацию расчета значения объемной концентрации на ноутбуке;
- открывает возможность создания системы пошагового или постоянного контроля «в потоке» измеряемых параметров, что позволяет автоматизировать контроль и корректировку процесса цементации.
Анализ патентной и научно-технической литературы, содержащей описания аналогичных технических решений в рассматриваемой и смежных областях техники, позволяет сделать вывод, что предложенное техническое решение является новым и для специалистов явным образом не следует из уровня техники, имеет изобретательский уровень, промышленно осуществимо и применимо в указанной области, то есть соответствует критериям патентоспособности изобретения.