ИНЪЕКЦИОННЫЙ БЕНТОНИТОВЫЙ СОСТАВ ДЛЯ ГИДРОИЗОЛЯЦИИ И УКРЕПЛЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГРУНТА
INJECTION BENTONITE COMPOSITION FOR WATERPROOFING AND STRENGTHENING OF NATURAL SOIL

Область техники
Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности, к изоляции грунтовых вод и природного грунта, локализованных под заглубленными и подземными объектами хранения, и захоронения отходов различного класса (бассейнами, амбарами, хранилищами, резервуарами, емкостями, бункерами, зданиями и сооружениями) от попадания загрязняющих веществ. Изобретение позволяет повысить несущую способность грунтов, уменьшить их пористость и капиллярность.
Предшествующий уровень техники
Для укрепления и гидроизоляции грунтов весьма распространена инъекционная технология, суть которой заключается в нагнетании в грунт изоляционного затвердевающего или гелеобразующего материала. Подача материала происходит под давлением: ударно-вращательный механизм выполняет бурение грунта и подает раствор вглубь. Инъекционная гидроизоляция – универсальный метод укрепления различных объектов. Для работ применяют полимерные (акрилатные, полиуретановые) составы, композиции на основе неорганических вяжущих (цемент, гипс), цементно-песчаные и глинистые наполнители, а также составы с силикатами и силоксанами. Благодаря этим материалам можно выполнить грунтовую отсечку, горизонтальный барьер, вертикальное укрепление основания фундамента здания. Укрепляя грунт путем инъектирования, можно восстановить, поднять или обновить фундамент.
В патенте на изобретение RU 2439246, опубликованном 10.01.2012, описан способ укрепления грунта, включающий бурение скважин, установку в них инъекторов, имеющих перфорированную часть, нагнетание через инъекторы под пригрузом инъекционного цементного раствора в грунт с обеспечением его гидроразрыва при давлении 5-20 атм, причем инъекторы после укрепления грунта не извлекают из него. При этом в цементный раствор, состоящий из цемента и воды, добавляют, или глину бентонитовую, или жидкое стекло, или глину бентонитовую и жидкое стекло, или цементную пыль и жидкое стекло, или цементную пыль, глину бентонитовую и жидкое стекло, или цементную пыль, песок мелкой фракции и жидкое стекло.
В авторском свидетельстве SU 1778130, опубл. 02.07.1990, описан способ повышения надежности и долговечности водоизоляционного экрана, формируемого в две стадии. На первой стадии производится распыление закрепляющего состава, содержащего воду, глинопорошок (до 75%), тампонажный цемент и хлористый кальций. После отверждения первичного экрана производится распыление второго состава, представляющего собой водную суспензию глинопорошка (до 10%), тампонажного цемента (до 45 %) и полимера (полиакриламид или полиэтиленоксид) (до 0,2%).
В качестве основы гелеобразующих составов для гидроизоляции часто используют бентонитовую глину. Так, в заявке на изобретение RU 2013128889, опубл. 27.12.2014, раскрыт способ приготовления глинистой пасты на водной основе, заключающийся в обработке концентрированной глинистой суспензии, содержащей до 70% глины, фосфорной кислоты, нейтрализующих агентов (силикат натрия, гидроксид натрия) и дефлокулирующей присадки (триполифосфат натрия).
К недостаткам вышеуказанных технических решений относятся сложность технологического процесса, недостаточная долговечность гидроизоляционного экрана и наличие в рецептуре органических полимерных компонентов, склонных к биологической деструкции.
Аналогами настоящего изобретения служат гидроизолирующие смеси на основе бентонитовой глины «Bentogrout» (компания «CETCO», Польша) и «Eco-Inject» (компания «Isobent», Беларусь).
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению является инъекционный гидроизоляционный состав, раскрытый в патенте на изобретение RU 2672069, опубл. 09.11.2018, включающий от 10 до 99% бентонитовой глины (содержащей монтмориллонит); 0,1 – 90% тонкофракционного диоксида кремния; 0,1 – 50% полиакрилата натрия; 0,1 – 30% полиакриламида и 0,7 – 70% триглицеридов жирных кислот.
Данному инъекционному гидроизоляционному составу присущи следующие недостатки:
1. В составе отсутствуют компоненты, способные модифицировать и пластифицировать структуру концентрированной суспензии бентонита, в результате чего плоские дисперсные частицы ассоциированы в виде электростатически устойчивой схемы «грань - ребро». Поэтому концентрированная водная суспензия, содержащая более 70 мас.% бентонитовой глины, имеет повышенный предел прочности, что не позволяет использовать в гидроизоляционном составе качественный бентонит, содержащий более 85% монтмориллонита в натриевой форме. Согласно формуле инъекционного гидроизоляционного состава, суспензия, содержащая более 70% глины, может быть получена только из натриевого бентонитоподобного сырья, концентрация монтмориллонита в котором не превышает 60%, или из кальциевого бентонита.
2. В составе отсутствуют гидрофобизирующие добавки, что приводит к высокой смачиваемости водной фазой получаемого бентонитового теста. В результате, гидроизоляционный экран не обладает приемлемой долговечностью и постепенно размывается грунтовыми водами.
3. Для обеспечения требуемого уровня вязкости в состав введены синтетические полимерные присадки (полиакрилат натрия, полиакриламид), а также растительное масло, обогащенное жирными кислотами. Это создает проблему постепенного разупрочнения гидроизоляционного экрана из-за биодеструкции органических добавок, в результате которой уменьшается их молекулярная масса и, соответственно, деградируют гелеобразующие свойства.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание инъекционного состава для гидроизоляции и укрепления природного грунта, позволяющее обеспечить максимальную долговечность гидроизоляционного экрана при отсутствии в рецептуре органических полимерных компонентов, склонных к биологической деструкции.
Техническим результатом, достигаемым при реализации заявленного изобретения, является повышение долговечности гидроизоляционного экрана за счет наличия гидрофобизирующих присадок, повышение несущей способности грунтов, а также уменьшение их пористости и капиллярности.
Указанный технический результат достигается за счет того, что  инъекционный бентонитовый состав для гидроизоляции и укрепления природного грунта содержит бентонитовый глинопорошок, тонкодисперсный кремнезем и дополнительно содержит пластифицирующие и гидрофобизирующие добавки, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Бентонитовый глинопорошок   -   40 – 90;
Тонкодисперсный кремнезем   -  0,1 – 45;
Пластифицирующие добавки   -  0,1 – 5;
Гидрофобизирующие добавки  -  0,1 – 10.
Указанный технический результат достигается также за счет того, что  в качестве пластифицирующих добавок используются фосфорсодержащие комплексоны: нитрилотриметилфосфоновая кислота и/или оксиэтилендифосфоновая кислота и/или триметилфосфат натрия, и/или гексаметафосфат натрия, и/или триполифосфат натрия, а в качестве гидрофобизирующих добавок используются основные соединения щелочных и щелочноземельных металлов: метасиликат натрия и/или гидроксид кальция, и/или карбонат натрия.
Приготовление инъекционного состава осуществляется в результате диспергирования бентопорошка в водной фазе при скорости вращения миксера 10000 об/мин в течение 10 мин, после чего в полученную суспензию вводятся последовательно кремнезем, пластифицирующая добавка (триполифосфат натрия) и гидрофобизирующая добавка (карбонат натрия). Время перемешивания суспензии после введения каждой из добавок составляет 5 мин. Концентрации реагентов в исследуемых инъекционных составах указаны в табл.1. Готовый инъекционный состав исследуют, определяя следующие технологические характеристики: предел прочности геля определяется на ротационном вискозиметре прямой индикации согласно ГОСТ 33213-2014 (ISO 10414-1:2008); краевой угол смачивания водной вытяжки определяется согласно ГОСТ 9038-90; уровень рН суспензии определяется согласно ГОСТ 33776-2016.
Заявленный инъекционный бентонитовый состав для гидроизоляции и укрепления природного грунта по сравнению с наиболее близким аналогом имеет следующие преимущества:
1) В новом инъекционном бентонитовом составе используются специальные пластифицирующие добавки на основе фосфорсодержащих комплексонов, что позволяет получить предельно концентрированную бентонитовую суспензию, обладающую достаточно низким пределом прочности (менее 200 дПа) для производства изоляционных работ. Так, водная суспензия нового инъекционного состава, содержащего 90 % бентонита, имеет предел прочности 120 дПа, в то время как предел прочности суспензии согласно наиболее близкому аналогу составляет 800 дПа, что многократно превышает допустимый уровень (табл.1, пример 1).
о
2) В новом инъекционном бентонитовом составе присутствуют гидрофобизирующие компоненты, обеспечивающие повышенную гидрофобность концентрированной водной суспензии. Это отражается в более высоком значении краевого угла смачивания водной вытяжки суспензии на кварцевой поверхности. Так краевой угол смачивания водных вытяжек суспензий нового бентонитового инъекционного состава составляет 30, что в 6 раз больше, чем величина краевого угла смачивания водной вытяжки согласно наиболее близкому аналогу (табл.1, примеры 1, 2).
3) В новом инъекционном бентонитовом составе отсутствуют полимерные компоненты, способные к химической или биологической деструкции. Так уровень рН и предел прочности водной суспензии нового инъекционного бентонитового состава не изменяется в течение 30 суток выдержки при комнатной температуре, в то время как уровень рН и предел прочности суспензии согласно наиболее близкому аналогу понижаются во времени (табл.1, примеры 1, 2).
Таблица 1
Технологические параметры водных суспензий инъекционных составов
Инъекционные составы
Предел прочности геля, дПа
Предел прочности геля через 30 сут, дПа
Краевой угол смачивания, град.
Уровень рН
Уровень рН через 30 сут
<b>Пример 1:</b>Бентонит - 90 %Кремнезем - 0,1 %Триполифосфат Na - 5 %Карбонат Na - 4,9 %
120
120
30
9,1
9,1
<b>Пример 2:</b>Бентонит - 40 %Кремнезем - 45 %Триполифосфат Na - 5 %Карбонат Na - 10 %
60
60
35
9,8
9,8
<b>Наиболее близкий аналог</b><b>(RU 2672069)</b>
860
640
5
8,3
7,8