СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЦЕМЕНТА В ГРУНТОЦЕМЕНТНОМ МАТЕРИАЛЕ КОНСТРУКЦИИ
METHOD TO DETERMINE QUANTITY OF CEMENT IN SOIL-CEMENT MATERIAL OF STRUCTURE

Способ относится к технологии строительства и может быть использован для определения количества цемента в грунтоцементном материале при создании строительных конструкций посредством струйной цементации.
3
Согласно проведенным ранее исследованиям, важным параметром, определяющим конечную эффективность струйной технологии, является количество цемента (в сухом состоянии), содержащееся в 1 м укрепленного грунта. Указанное количество цемента в грунтоцементном материале конструкции может быть определено как разность между количеством цемента, содержащегося в закачиваемом цементном растворе, и количеством цемента, содержащегося в выделяемой из скважины грунтоцементной пульпе.
При расчетах количество цемента, необходимого для создания строительной конструкции, определяется точно по объему размываемого грунта, который необходимо заменить цементным раствором. Количество цемента, выносимое в грунтоцементной пульпе, и количество цемента, создающее строительную конструкцию, зависят от физико-механических характеристик грунта, а также параметров процесса струйной цементации и рассчитываются с большой погрешностью.
При проведении струйной цементации в различных слоях грунтов и их смеси на границе перехода слоев погрешность расчетов возрастает. При этом требуется тщательное определение характеристик грунтов, приводящее к большим трудозатратам. Тонкие слои грунта, не учтенные при геологоразведке и приводящие к снижению прочности на небольшом участке строительной конструкции, снижают прочность всей конструкции. Возникает необходимость определения количества цемента в возводимой конструкции непосредственно при проведении цементации для дальнейшего объективного расчета прочности, а также введения коррекции в процесс цементации при большом процентном содержании цемента в грунтоцементной пульпе.
Расчет упрощается, если на практике оперативно определять количество цемента в выводимой из скважины грунтоцементной пульпе.
Известен способ контроля качества жидкого бетона с использованием ультразвуковых сигналов, при котором измеряют скорость ультразвука в жидком бетоне, затем выявляют зависимость этой скорости от соотношения содержания цемента и воды [Лешинский М.Ю. Испытание бетона. М.: Стройиздат, 1980, с.135-137, 152]. Данный способ позволяет определять прочность строительных конструкций по состоянию жидкого бетона.
Однако скорость ультразвука зависит также от заполнения бетона твердой фракцией (гравий, щебень, включения грунта), что делает невозможным применение способа для определения количества цемента в грунтоцементной пульпе при струйной цементации.
Известен радиационный способ бесконтактного контроля технологических параметров, в котором до и после технологического процесса измеряют интенсивность потока гамма-излучения облученного вещества и по изменению измеренной интенсивности определяют значение технологического параметра [Таточенко Л.К. Радиоактивные изотопы в приборостроении. М.: Атомиздат, 1960, с.221].
При струйной цементации, облучив цемент и измерив интенсивность потока гамма-излучения инъектируемого цементного раствора, а затем грунтоцементной пульпы, можно судить о количестве цемента, содержащегося в сооружаемой конструкции.
Недостатком такого способа является необходимость создания радиационной защиты как людей, так и окружающего оборудования, проведение мероприятий по защите от облучения.
Наиболее близким аналогом к предложенному способу является способ определения количества цемента в выделяемой из скважины грунтоцементной пульпе при образовании вокруг скважины грунтоцементной строительной конструкции, заключающийся в добавлении в закачиваемый в скважину цементный раствор порошкообразного индикатора в виде магнитомягкого железосодержащего вещества. (Патент RU 2165495 C1, опубл. 20.04.2001.)
Недостатком способа является наполнение грунтоцементного тела строительной конструкции порошковым материалом, подвергающимся коррозии.
Задачей предлагаемого способа является оперативное определение количества цемента в грунтоцементном материале конструкции при цементации массива для проведения расчета прочности сооружаемой конструкции и коррекции процесса цементации.
Технический результат, который может быть получен при использовании способа, заключается в повышении прочности создаваемой конструкции за счет оперативного регулирования параметров процесса цементации.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения количества цемента в грунтоцементном материале конструкции, заключающемся в добавлении в закачиваемый в скважину цементный раствор порошкообразного индикатора, в качестве порошкообразного индикатора применяют порошковый графит, тонкость помола которого не ниже тонкости помола цемента, а весовое отношение порошка графита составляет 1-10% веса цемента. При этом первоначально замеряют электропроводность цементного раствора, закачиваемого в скважину, затем замеряют электропроводность выделяемой из скважины грунтоцементной пульпы и производят расчет количества цемента в пульпе по формуле:
сп
где m - количество цемента в пульпе,
с
m - количество цемента в цементном растворе,
п
λ - величина электропроводности пульпы,
c
λ - величина электропроводности цементного раствора.
Количество цемента в грунтоцементном материале конструкции может быть определено как разность между количеством цемента в цементном растворе и количеством цемента в пульпе.
сп
ГМК
сп
Далее определяют процентное значение m, а C определяют как оставшееся значение от m до 100%.
Сущность способа заключается в том, что добавляемый в цементный раствор графитовый порошок создает электропроводность раствора. Частицы графитового порошка в миксерной станции равномерно распределяются по всему объему цементного раствора.
При проведении предварительных работ определяется минимальное количество графитового порошка, необходимого для замера электропроводности требуемой точности.
При струйной цементации цементный раствор, содержащий графитовый порошок, перемешиваясь с грунтом, создает строительную конструкцию, а часть выводится на поверхность в виде грунтоцементной пульпы. За счет содержания в пульпе только части цементного раствора и соответствующего ей графитового порошка электропроводность пульпы уменьшена.
Проводя замеры электропроводности цементного раствора и пульпы и зная количество цемента, израсходованного для приготовления цементного раствора, можно судить о количестве цемента, содержащегося в пульпе.
Добавление в цементный раствор порошкообразного электропроводного химически инертного графита не влияет на качество цементного раствора как во время цементации, так и при эксплуатации строительной конструкции.
Равенство тонкости помола графита и цемента гарантирует равномерность распределения частиц графита в цементном растворе и одноименном поведении частиц графита и цемента во время цементации, что повышает объективность замеров электропроводности.
Электропроводимость цементного раствора с добавлением графитового порошка определяется процентным отношением порошка графита и не зависит от температуры раствора и наличия в нем грунта, щебня и т.д.
Добавление в цементный раствор графитового порошка в отношении 1-10% от веса цемента дает возможность использовать для замера электропроводности пульпы стандартные приборы с различными рабочими диапазонами измерений электропроводности, в том числе бесконтактные с фиксацией результатов замеров записывающими приборами, а также регулировать электропроводимость при изменении водоцементного отношения цементного раствора.
По предлагаемому способу производится экспресс-определение количества цемента в грунтоцементной пульпе, что дает возможность не только рассчитать прочность конструкции, но и корректировать технологические параметры цементации (изменение давления, частоту вращения и скорость подъема штанги). Это дает возможность отработать процесс цементации в различных грунтах и оптимизировать его с целью наименьшего выхода цемента с пульпой, то есть увеличить прочность конструкции. По предлагаемому способу открывается возможность автоматизации процесса струйной цементации.
Способ осуществляется следующим образом.
Предварительно проводят следующие работы.
По паспорту соответствия на партию цемента или по справочнику на марку цемента определяют величину тонкости помола цемента, поступившего для приготовления цементного раствора. При помощи мельницы доводят графитовый порошок до величины тонкости помола цемента. Величину тонкости помола порошка определяют по ГОСТ 13144-79.
Из миксерной станции, в которой ведут приготовление цементного раствора, в стеклянную емкость отбирают пробу цементного раствора, определяя ее объем или вес, опускают в пробу датчик прибора определения электропроводности, взвешивая, в пробу добавляют порциями графитовый порошок и одновременно производят интенсивное размешивание раствора.
Когда показания измерительного прибора войдут в рабочий диапазон измерений, определяют количество цемента в пробе по известной формуле [Малинин А.Г. Струйная цементация грунтов: Монография. - Пермь; Пресстайм, 2007. - с.163].
Процент графитового порошка, необходимого для добавления в цементный раствор, определяется по формуле:
где ГП(%) - количество порошка к весу цемента в пробе,
r
m - вес порошка графита, добавленного в пробу,
c
m - вес сухого цемента в пробе.
В дальнейшем предварительные работы повторяют при изменении марки цемента, водоцементного отношения или замене марки прибора для измерения электропроводности.
При замесе цементного раствора в миксерную станцию добавляют графитовый порошок в весовом отношении к весу цемента, рассчитанном по формуле 2.
В процессе цементации производится замер электропроводности цементного раствора и пульпы, и производят расчет количества цемента в пульпе по формуле 1.
Пример осуществления способа
3
2
3
По проекту усиления грунта под зданием при строительстве метрополитена сооружается при помощи струйной цементации свайное поле. Диаметр сваи - 0,6 м, расход цемента на 1 м грунта - 400 кг, водоцементное отношение 1, марка цемента М500ДО. По справочнику тонкость помола с удельной поверхностью 280 м/кг и удельной плотностью 3 кг/л. Объем обрабатываемого грунта на 1 п.м сваи - 0,28 м, расход цемента в сухом состоянии на 1 п.м - 400·0,28=112 кг.
2
В качестве графитового порошка применяется порошок графита для электроугольных изделий ЭУТ-1 ГОСТ 10274-79 с удельной поверхностью 600 м/кг. Дополнительного помола порошок не требует.
Для измерения электропроводности применяется устройство SIPAN 34 с датчиком 4EL.
Предварительно определяем количество графитового порошка, необходимое для добавления в цементный раствор. Из миксерной станции берем пробу в объеме 3 л цементного раствора, в емкость с пробой помещаем датчик устройства для измерения электропроводности и, перемешивая пробу, добавляем в нее графитовый порошок порциями по 5 грамм. Определяем, что через 11 порций (0,055 кг графитового порошка) показания устройства вошли в рабочий диапазон
0-500 µS/см.
Определяем количество цемента в пробе.
При водоцементном отношении 1
1 л (воды)+1 кг (цемента)=1,33 л/кг.
В 3 л пробы цементного раствора содержится  сухого цемента.
Количество графитового порошка
В миксерную станцию при замесе 400 кг цемента добавляем 400·0,0243=9,72 кг графитового порошка.
с
п
В процессе цементации производим замер электропроводности цементного раствора, инъектируемого в скважину, λ=460 µS/см, и грунтоцементной пульпы, выводимой из скважины, λ=128 µS/см.
Количество сухого цемента в грунтоцементной пульпе на 1 п.м сваи по формуле 1:
(т.е. 31,2 кг по отношению к 112 кг в инъектируемом растворе составляет 27,8%).
При применении схожих устройств для измерения электропроводности добавление графитового порошка возможно увеличить до 10%.
Количество графитового порошка
ГП=0,226/2,26=10%.
В миксерную станцию при замесе 400 кг цемента добавляем 400·0,1=40 кг графитового порошка.
с
п
В процессе цементации производим замер электропроводности цементного раствора, инъектируемого в скважину, λ=1893 µS/см, и грунтоцементной пульпы, выводимой из скважины, λ=527 µS/см.
Количество сухого цемента в грунтоцементной пульпе на 1 п.м сваи по формуле 1:
сп
m=112*527/1893=31,2 кг (т.е. 31,2 кг по отношению к 112 кг в инъектируемом растворе составляет 27,8%).
гмк
сп
Далее вычисляем C (количество цемента в грунтоцементном материале конструкции) как остаток от m до 100%.
гмк
сп
C=100%-m=100%-27,8%=72,2%.
Преимуществом вышеописанного способа является возможность оперативного определения количества цемента в грунтоцементном материале конструкции при цементации массива, что позволяет осуществить оперативное проведение коррекции процесса цементации.