Физико-механические характеристики вспененных глиноцементных систем

4./2011 ВЕСТНИК _7/202J_МГСУ

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВСПЕНЕННЫХ ГЛИНОЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ

PHYSICAL AND MECHANICAL SYSTEMS FOAM GLINOTSEMENTNYH

М.И. Панфилова, Г.А. Джинчвелашвили M.I. Panfilova, G.A. Dzhinchvelashvili

ГОУ ВПО МГСУ

В настоящей работе исследуется влияние добавок крахмала на физико-механические характеристики вспененных глиноцементных систем. Было установлено, что с увеличением концентрации крахмала скорость структурообразования и физико-механические свойства систем изменяются немонотонно. Коэффициент фильтрации отвержденных образцов с увеличением концентрации крахмала уменьшается. Общая и закрытая пористость увеличивается, а открытая несколько уменьшается.

In this paper we investigate the effect of additions of starch on physical and mechanical characteristics of foamed glinotsementnyh systems. It was found that with increasing concentration of starch, the rate of structure and physical-mechanical properties of the systems vary monotonically. Filtration coefficient of solidified samples with increasing concentration of starch decreased. The total and closed porosity increases and decreases slightly open.

Укрепление оснований фундаментов зданий и сооружений всегда представляет собой сложную инженерную задачу, от правильного решения которой во многом зависит дальнейшая безопасная эксплуатация объектов. Техногенная и экологическая безопасность инженерных сооружений определяется, как правило, геодинамическим состоянием горного массива, на котором они сооружены.

Просадочные явления в грунтах в разной степени воздействуют на любые технические объекты и сооружения: от потери их механической прочности (деформация сооружения, просадка) до полного разрушения. По степени опасности воздействия на технические объекты и сооружения просадочные явления можно разделить на следующие группы:

- когда объекты сооружены на грунтах, в литологическом составе которых присутствуют лессы, склонные к изменению своих физико-механических свойств при замачивании (так называемое техногенное водопроявление, связанное с изменение естественного уровня грунтовых вод);

- когда объекты сооружены на грунтах, в литологическом составе которых присутствуют разности пород, склонные к плывунным свойствам;

- когда объекты сооружены в зоне геодинамической активности тектонических структур или в так называемой геодинамической зоне (ГДЗ).

Наиболее опасные просадочные явления наблюдаются, несомненно, в геодинамических зонах. Над геодинамической зоной (ГДЗ) в результате постоянно протекающих геодинамических процессов происходит разуплотнение грунтов с образованием не-

скольких разнонаправленных систем трещин отрыва грунтов или разрыва с образованием пустот. При определённых условиях происходит разрушение сооружения. Однако, кроме потери механической прочности и разрушения объектов и сооружений, зачастую возникают побочные явления и процессы, создающие экологический и экономический ущерб, во много раз превышающий ущерб от самого разрушения. Например, загрязнение окружающей среды токсичными техногенными отходами, уничтожение в завалах ценнейшего оборудования и, наконец, самое страшное - это человеческие жертвы под обломками внезапно обвалившегося здания.

К традиционным способам улучшения свойств грунтов относятся трамбование, силикатизация, смолизация, цементация и др.

Области и границы применимости каждого из перечисленных способов широко освещены в специальной литературе [1, 2, 3].

Решению вопроса о необходимости выполнения усиления оснований фундаментов и выборе способа усиления должны предшествовать инженерно-геологические изыскания и обследование конструкций существующих фундаментов.

Целью инженерно-геологических изысканий является определение физико-механических и деформативных характеристик грунтов основания, а также определение положения уровня подземных вод, в том числе, с учетом его сезонных колебаний и химического состава для уточнения характера и степени агрессивности по отношению к материалу фундаментов. Материалы, применяемые для приготовления инъекционных растворов, должны удовлетворять требованиям нормативных документов на проектирование инъекционных растворов, бетонных и железобетонных конструкций [1].

Для оценки эффективности уплотнения основания фундамента тем или иным способом очень важны визуальные наблюдения за прониканием уплотняющего вещества в основание, осуществляемые в смотровых скважинах-шахтах, шурфах и при проходке строительного котлована.

Контроль качества строительного уплотнения основание должен рассматриваться как своеобразный метод инженерно-геологических исследований. Основная, т. е. массовая проверка уплотнения выполняется бурением и гидравлическим опробованием (зонные нагнетания и откачки) скважин малого диаметра. Однако этот способ нельзя считать достаточным; он должен обязательно дополняться опорными смотровыми скважинами или шурфами, позволяющими производить осмотр уплотненного основания, определять прочность уплотнителя, характер его распределения в основании и т. п.

Своеобразным типом завес являются подземные стенки, сооруженные из сопрягающихся бетонных свай, устроенных путем бурения скважин большого диаметра (600—1220мм). Такие завесы применяют в случае очень сильной закарстованности основания с заполнением карстовых полостей суффозионно-неустойчивым рыхлым грунтом, препятствующим выполнению обычной цементации. Кроме противофильт-рационного назначения, такие завесы-стенки иногда используют в качестве фундаментов.

Инъекционный процесс как определенная технология воздействия на основание впервые был применен в строительных целях французским инженером Ш. Берини в 1802г. Первоначально новая технология использовалась главным образом для «лечения» кирпичной кладки и бетона различных частей сооружений ниже уровня подземных вод. Во второй половине Х1Хв. и начале ХХв. постепенно получает распространение инъекционное закрепление трещиноватых скальных основание в основном для

4./2011 ВЕСТНИК _4/20|Т_МГСУ

целей уменьшения водопритоков при проходках шахтных стволов. В этот период наибольшее распространение в качестве инъекционных растворов получили глинистые и цементные суспензии различной концентрации; имелся также эпизодический опыт использования жидкого стекла.

В дальнейшем совершенствование техники и технологии нагнетания растворов и достижения в области инженерной геологии обусловили расширение области применения инъекционного процесса. Начиная с 20-х годов прошлого столетия, было разработано и запатентовано значительное число способов закрепления трещиноватых скальных и песчаных основание, основанных на использовании различных химических реагентов, включая синтетические полимеры. Результатом инъекционного воздействия является изменение состава, состояния и свойств основание в желаемом для человека направлении [3], [4].

Наибольшее распространение в практике инъекционных работ получила схема манжетных колонн, разработанная французской фирмой «Солетанш». Сущность схемы заключается в следующем.

На всю глубину инъекционных работ бурится скважина с использованием промывочного глинистого раствора. В эту скважину опускается собственно манжетная колонна, представляющая собой трубу с отверстиями через определенное расстояние, которые закрыты резиновыми манжетами. На практике отверстия наносятся обычно через 33 или 50 см. Через нижний манжет в затрубное пространство вводится «обойма», т.е. глиноцементный раствор. Состав обоймы подбирается таким образом, чтобы через 3-7 дней она имела прочность на одноосное сжатие около 3-5 МПа. После набора необходимой прочности «обоймы» инъекция проводится путем установки двойного разжимного тампона против соответствующего манжета. Раствор проникает в основание после разрушения «обоймы», которое достигается применением высоких давлений. Преимущество данной схемы заключается, прежде всего, в возможности инъекции основание при высоких давлениях в любой последовательности и даже повторной инъекции. Кроме этого, данная схема не требует использования обсадных труб при бурении. Использование схемы манжетных колонн позволяет вести инъекционные работы в несвязных грунтах на глубине до 200 и более метров [3].

Предельное давление инъекции, исключающей разрыв пласта должно рассчитываться по формуле [1, 3]:

Pш -~г~yH + P,

1 -ц

где (I - коэффициент Пуассона, у - объемная масса грунта, H - глубина инъекции, P - структурная прочность грунта.

Установлено также, что при Pин возникают разрывы пласта.

1 -ц

Ориентация плоскостей разрывных нарушений определяется соотношением главных напряжений в точке инъекции. На рисунке 1(а, б) можно видеть характер распределения главных напряжений в зоне инъекции для равнинных районов, где отсутствуют орогенетические напряжения.

Рис.1 Распределение главных напряжений а) и ориентация плоскостей разрывных нарушений в зоне инъекции б)

При условии, когда <5x = ay, мы будем иметь три плоскости вертикальных разрывных рушений, ориентированных под углом 120°.

В [1] показано, что эффективность инъекционного закрепления может значительно повышаться за счет управления ориентацией плоскостей разрывных нарушений. Решение этого вопроса достаточно актуально при необходимости создания вертикальной противофильтрационной завесы определенной конфигурации. При условии, когда ax Ф аy, формируется одна плоскость разрыва, которая ориентирована перпендикулярно минимальному главному напряжению. Это дает возможность создать вертикальную завесу перпендикулярную фильтрационному потоку.

Растворы, снижающие водопроницаемость, называются тампонажными, а процесс снижения водопроницаемости путем инъекции такого раствора называют тампонированием.

Наиболее ярким примером использования тампонажных растворов, вошедшим в мировую практику гидротехнического строительства, является создание крупнейшей противофильтрационной завесы высотной Асуанской плотины, законченной в 1970г. [1]. Эта завеса выполнена советскими специалистами. Завеса Асуанской плотины является уникальным сооружением, как по размерам, так и объему закрепленного грунта.

Инъекционные растворы представляют собой специально подобранные жидкооб-разные материалы, различные по химической природе и агрегатному состоянию, способные под давлением проникать в грунт. Наиболее широкое распространение в отечественной практике в настоящее время имеют растворы суспензионного типа, приготовленные на базе природных глинистых материалов, а иногда и портландцемента (бентонитосиликатный раствор BS, глино-бентонитосиликатный CBS, глиносиликат-ный CS, глиноцементный CZ), и химические гелеобразующие растворы на основе жидкого стекла и карбомидных смол.

В работе [5, 6] была предложена рецептура глиноцементного раствора, в состав которого кроме бентонита, пенообразователя и стабилизатора, входят жидкое стекло и цемент. Все они оказывают различное влияние на сроки потери текучести вспененной тампонажной системы и степени ее упрочнения во времени. Исследовалось также влияние добавок крахмала на структурообразование и физико-механические свойства инъекционных растворов.

Для составления рецептуры инъекционных растворов исследовалось влияние добавки крахмала на кинетику структурообразования вспененных глиноцементных рас-

4/2011 ВЕСТНИК _4/20|Т_МГСУ

творов в период их схватывания и при длительном хранении, изменения водоотделе-ния, водопоглощаемости, пористости и коэффициента фильтрации. В качестве стабилизатора использовали добавки модифицированного крахмала, обработанного 7,0%-ным раствором гидроокиси натрия [6].

В табл. 1 приведено изменение прочности и водоотделения глиноцементных растворов в начальный период структурообразования.

Из данных табл.1 видно, что с увеличением концентрации крахмала водоотделе-ние глиноцементного раствора сначала уменьшает, достигая минимального значения при концентрации стабилизатора 0,1 мг/г, а затем при повышении концентрации снова резко увеличивается. При введении крахмала в глиноцементный раствор структурооб-разование системы увеличивается.

Изменения коэффициента фильтрации и прочности при длительном хранении от-вержденных глиноцементных растворов приведены в табл. 2. Из табл. 2 видно, что изменение прочности глиноцементного раствора резко отличается от кинетики структурообразования отвержденных растворов с добавками крахмала.

Таблица 1

Зависимость прочности и водоотделения вспененных глиноцементных растворов от времени хранения при введении различных добавок крахмала

Время хранения, X, ч Концентрация крахмала, С, мг/г

0 0,05 0,1 0,2

Р, кПа В,% Р, кПа В,% Р, кПа В% Р, кПа В,%

0,5 0,2 6,0 0,4 3,0 0,6 2,0 0,8 5,5

1,0 0,4 9,0 0,7 4,0 0,8 3,2 0,9 7,8

2,0 0,6 12,0 0,9 5,0 1,6 4,2 1,8 8,8

3,0 1,2 13,0 1,8 5,4 2,3 4,9 2,4 9,4

4,0 1,8 13,2 2,7 6,0 2,8 5,0 3,0 9,6

5,0 2,7 13,4 3,5 6,0 6,0 5,0 7,0 9,6

6,0 7,5 - 9,0 - 12,5 - 14,0 -

Особенно это заметно через 7 суток хранения. Сначала с увеличением концентрации крахмала до 0,1 мг/г прочность увеличивается, а затем при 0,2 мг/г уменьшается. Через 14 суток хранения образцов структурообразование замедляется и для всех концентраций стабилизатора становится почти одинаковой. Однако по сравнению с контрольным образцом ее величина еще на 30% больше. Через 28 суток хранения образцов структурообразование во вспененных системах в присутствии стабилизатора практически прекращается, в то время как нарастание прочности у контрольного образца еще происходит. Поэтому через 28 суток хранения прочность вспененной системы без добавок на 20% больше, чем у образцов с добавкой стабилизатора. Вспененные системы, содержащие крахмал имеют коэффициент фильтрации почти в 5 раз меньше, чем контрольный образец. При дальнейшем хранении это соотношение уменьшается, хотя тенденция остается прежней.

В полученных образцах также определяли водопоглощение (общую, открытую и закрытую) пористости через сутки после приготовления вспененного образца (табл. 3).

Таблица 2

Зависимость коэффициента фильтрации отвержденных глиноцементных систем от продолжи_тельности хранения с различными добавками крахмала_

Время хранения, т,сутки Концентрация крахмала, С, мг/г

Коэффициент фильтрации, Кф-10"' см/с

7 38 6,4 11 8

14 15 8,0 14 4,5

28 12 9,4 9 5,2

Таблица 3

Зависимость водопоглощения и пористости отвержденных глиноцементных систем от концен-

трации к рахмала

Концентрация Водопоглощение, % Пористость, %

крахмала, С, мг/г Общая Открытая Закрытая

0,00 31,1 54,4 33,1 18,3

0,05 35,5 57,0 32,0 25,0

0,20 37,5 62,0 31,5 30,5

Из таблицы видно, что водопоглощение, общая и закрытая пористость вспененных систем с возрастанием концентрации стабилизатора в смеси увеличивается, а открытая пористость уменьшается (табл. 3). Сильное возрастание общей пористости, по-видимому, можно связать с увеличением вязкости и устойчивости вспененной системы при введении в нее стабилизатора, а увеличение водопоглощения - за счет большой гигроскопичности крахмала [6].

Заключение

Выполненный анализ отечественного и зарубежного опыта применения вспененных растворов в различных областях строительства и горнодобывающей промышленности, а также проведенные экспериментальные исследования вспененных растворов на основе полимерных композиций позволяют сделать следующие выводы:

1. Вспененные растворы являются эффективным средством для заполнения крупных пустот и трещин, тампонажа трещиноватых и закарстованных, сильно проницаемых оснований фундаментов, а так же для укрепления неустойчивых водонасыщенных грунтов.

2. Вспененные инъекционные растворы могут быть приготовленные на основе минеральных вяжущих (цемент, песок, зола уноса и др.) материалов и полимерных композиций (карбамидные, полиэфирные смолы, полиуретаны и т.д.).

3. Изучено влияние добавок модифицированного крахмального клейстера на начальную структуру образования и физико-химические свойства вспененных и глиноцементных растворов с водоцементными соотношениями 2:1. Установлено, что с увеличением концентрации крахмала скорость структурообразования и физико-механические свойства систем изменяются немонотонно. Наиболее сильно эти изменения протекают при введении крахмала в количестве 0,05 мг/г бентонита. При этой концентрации стабилизатора в максимальной степени снижается водоотделение. Прочность отвержденных образцов при длительном хранении больше, чем при использовании других концентраций крахмала.

4. Установлено, что введение крахмала приводит к изменению характера нарастания прочности. В начальный период структурообразования прочность образцов с добавкой полимера выше, чем исходного образца. При добавке 0,05 мг/г крахмала в сме-

4/2011 ВЕСТНИК _4/2011_МГСУ

си прочность отвержденных образцов имеет большее значение через 7 суток хранения, чем у исходного отвержденного раствора. Через 14 суток разность в величине прочности уменьшается, а через 28 суток хранения отвержденный образец, содержащий крахмал, имеет несколько меньшую прочность, чем отвержденный раствор, не содержащий добавок. Коэффициент фильтрации отвержденных образцов с увеличением концентрации крахмала уменьшается. Общая и закрытая пористость увеличивается, а открытая несколько уменьшается.

Литература

1. Анализ использования вспененных растворов на основе минеральных вяжущих и полиуретанов в различных областях строительства. М.: СТРИМ, 2004. - 22 с.

2. Войлоков И.А. Дисперсное армирование бетонов // Популярное бетоноведение. 2007, №б (20), сгр.118-124.

3. Егоров А.И. Методические рекомендации по проектированию и производству работ при усилении оснований и фундаментов памятников истории и культуры. Издание 3-е, М.: Стройиздат, 1985, 15б с.

4. Должиков П.Н., Шубин A.A. Эффективные способы тампонажа и закладки крупных подземных пустот // Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород / Материалы научно-практической конференции 30 - 31 марта 200б г. - Антрацит. - 200б, с.69 -75.

5. Зубрев Н.И., Горяйнова С.К., Панфилова М.И. Пенообразующие растворы в транспортном строительстве // Тезисы докладов IV межвузовской научно-методической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта», ч.2. - М., РГОТУПС, 1999, с. 69.

6. Панфилова М.И. Физико-химические свойства вспененных глиноцементных систем // Дисс. на соискание уч. ст. канд. хим. наук. Тверь, ТГУ. - 2004, 129 с.

Literature

1. Analiz ispolzovaniya vspenennyh rastvorov na osnove mineralnyh vyazhushchih i poliuretanov v razlichnyh oblastyah stroitelstva. M.: STRIM, 2004. - 22 s.

2. Voilokov I.A. Dispersnoe armirovanie betonov // Populyarnoe betonovedenie. 2007, №6 (20), str.118-124.

3. Yegorov A.I. Metodicheskie rekomendatsii po proektirovaniyu i proizvodstvu rabot pri usilenii os-novanii i fundamentov pamyatnikov istorii i kultury. Izdanie 3-ye, M.: Stroiizdat, 1985, 156 s.

4. Dolzhikov P.N., Shubin A.A. Effektivnye sposoby tamponazha i zakladki krupnyh podzemnyh pustot // Problemy podzemnogo stroitelstva i napravleniya razvitiya tamponazha i zakrepleniya gornyh porod / Materialy nauchno-prakticheskoi konferentsii 30 - 31 marta 2006 g. - Antratsit. - 2006, s.69 -75.

5. Zubrev N.I., Goryainova S.K., Panfilova M.I. Penoobrazuyushchie rastvory v transportnom stroi-telstve // Tezisy dokladov IV mezhvuzovskoi nauchno-metodicheskoi konferentsii «Aktualnye problemy i perspektivy razvitiya zheleznodorozhnogo transporta», ch.2. - M., RGOTUPS, 1999, s. 69.

6. Panfilova M.I. Fiziko-himicheskie svoistva vspenennyh glinotsementnyh sistem // Diss. na soiska-nie uch. st. kand. him. nauk. Tver, TGU. - 2004, 129 s.

Ключевые слова: отвержденные образцы, бентонит, вспененные глиноцементные растворы, тампонажный раствор, водопоглощение, инъекционный раствор, водопритоки, модифицированный крахмал

Key words: Cured samples, bentonite, foam glinotsementnye solutions, cement slurry, water absorption, injection solution, water production, modified starch

Тел. 8 (499) 174-70-21

Рецензент: Бедняков В.Г., к.т.н., с.н.с, начальник лаборатории НТЦядерной и радиационной безопасности