Инъекционный раствор для закрепления пескосодержащего массива
INJECTION SOLUTION FOR FIXATION OF SAND-CONTAINING MASSIF

Изобретение относится к инъекционным композициям для упрочнения грунтов методом пропитки и может быть использовано для закрепления песчаных грунтов пылеватых, мелких и средней крупности, находящихся в условиях естественного залегания и формирующих склоновые массивы на оползневых и оползнеопасных участках, а также на откосах искусственных выемок и котлованов.
Известен инъекционный раствор для закрепления массива грунта, включающий основной компонент, представленный эпоксидной смолой, отвердитель, представленный полиэтиленполиамином (ПЭПА), и пластификатор, представленный сольвентом, при этом общее соотношение компонентов составляет, мас.ч:
эпоксидная смола
60-100
ПЭПА
12-28
сольвент
100-280
[SU620532 A1, дата публикации: 15.12.1981 г., МПК: E02D 3/12].
Недостатком известного технического решения является высокая пожароопасность инъекционного раствора при работе с ним, обусловленная низкой температурой вспышки сольвента, составляющей 25-27°C, при которой значительно увеличивается концентрация легковоспламеняющихся паров сольвента, которые также обладают высокой токсичностью, вследствие чего такой раствор не пригоден для работ с ним внутри закрытых горных выработок и тоннелей.
В качестве прототипа выбран инъекционный раствор для закрепления массива грунта, включающий основной компонент, представленный алифатической эпоксидной смолой, отвердитель, представленный ПЭПА, и пластификатор, представленный 50-100% раствором хлорида натрия, при этом общее соотношение компонентов составляет, мас.ч:
алифатическая эпоксидная смола
100
ПЭПА
16-28
50-100% раствор NaCl
300-400
[SU889792 A1, дата публикации: 15.12.1981 г., МПК: E02D 3/12].
Преимуществом прототипа перед известным техническим решением является более низкая пожароопасность инъекционного раствора за счет применения в качестве пластификатора раствора хлорида натрия.
Однако недостатками прототипа являются: высокий риск возникновения суффозионных деформаций грунта в пескосодержащем массиве, закрепленном данным инъекционным раствором, а также высокая агрессивность компонентов раствора к бетонным и железобетонным конструкциям. Недостатки раствора обусловлены высоким содержанием в нем хлорида натрия, который может быть подвержен выщелачиванию грунтовыми и поверхностными водами, что не позволяет применять данный раствор для закрепления им пескосодержащего массива в зоне аэрации грунта, а присутствие в закрепляемом массиве солей хлорида натрия повышает растворимость составляющих бетона, из которого могут быть выполнены заглубляемые в массив основания зданий и сооружений, что значительно снижает его прочность и существенным образом ухудшает эксплуатационные характеристики инъекционного раствора для закрепления пескосодержащего массива. Кроме того, компонентный состав раствора по прототипу не обеспечивает высокую проникающую способность из-за сравнительно высокого показателя начальной вязкости раствора, вследствие чего затрудняется его введение в массивы, образованные мелким или пылеватым песком.
Ввиду вышесказанного, требуется создание пожаробезопасного и неагрессивного к бетонным и железобетонным конструкциям инъекционного раствора, который одновременно со снижением риска возникновения суффозионных деформаций грунта в закрепленном массиве обеспечивал бы достижение им удовлетворительных прочностных характеристик.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в необходимости улучшения эксплуатационных характеристик инъекционного раствора для закрепления пескосодержащего массива.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении прочности скрепления частиц пескосодержащего массива инъекционным раствором для закрепления пескосодержащего массива.
Дополнительный технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении проникающей способности инъекционного раствора для закрепления пескосодержащего массива.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Инъекционный раствор для закрепления пескосодержащего массива, включающий вяжущее вещество, представленное алифатической эпоксидной смолой, отвердитель, представленный полиэтиленполиамином, и пластификатор. В отличие от прототипа пластификатор представлен раствором, состоящим из кремнезоля и воды, взятых в объемном соотношении 1:3, при этом общее соотношение компонентов составляет, об.д.:
алифатическая эпоксидная смола
100
полиэтиленполиамин
16 - 40
кремнезоль
75
вода
225
Вяжущее вещество, представленное алифатической эпоксидной смолой, обеспечивает омоноличивание закрепляемого пескосодержащего массива за счет заполнения порового пространства массива при введении в него раствора и последующей цементации частиц песка в массиве при затвердевании вяжущего вещества в процессе его полимеризации. Вяжущее вещество может быть представлено алифатической эпоксидной смолой, динамическая вязкость которой составляет 7,0 сП, например алифатической эпоксидной смолой марки «А» (по ТУ 2225-144-07510508-2015). Концентрация алифатической эпоксидной смолы в растворе составляет 100 об.д. Наличие алифатической эпоксидной смолы в составе раствора в минимальном количестве необходимо для обеспечения адгезии раствора к поверхности песчаных зерен в массиве. Однако в случае если концентрация алифатической эпоксидной смолы в составе раствора будет выше допустимой границы, это приведет к расслаиванию геля, образующегося при затвердевании раствора в поровом пространстве массива.
Отвердитель, представленный полиэтиленполиамином (ПЭПА), обеспечивает ускорение процесса полимеризации алифатической эпоксидной смолы. Отвердитель может быть представлен ПЭПА, с характеристиками соответствующими ТУ 2413-010-75678843-2012. Концентрация ПЭПА в растворе находится в диапазоне 16 - 40 об.д. В случае если концентрация ПЭПА будет ниже допустимых границ, это приведет к увеличению времени гелеобразования (затвердевания) инъекционного раствора, формированию неустойчивого в воздушно-влажных условиях геля, и увеличению его усадки. В случае если концентрация ПЭПА будет выше допустимых границ, это приведет к резкому уменьшению времени гелеобразования (затвердевания) инъекционного раствора и ограничению времени инъекции раствора в пескосодержащий массив, а также может привести к усадке и расслоению полученного геля. Соблюдение концентрации ПЭПА в пределах верхних и нижних границ установленного диапазона позволяет обеспечить оптимальное время гелеобразования (затвердевания) инъекционного раствора в зависимости от температуры раствора и температуры окружающей среды.
3
Пластификатор, представленный раствором, состоящим из кремнезоля и воды, взятых в объемном соотношении 1:3, обеспечивает снижение начальной вязкости и повышение пластичности раствора, что позволяет повысить проникающую способность инъекционного раствора для закрепления пескосодержащего массива. Раствор кремнезоля и воды, взятых в объемном соотношении 1:3, также обеспечивает повышение прочности скрепления частиц пескосодержащего массива инъекционным раствором за счет возможности формирования объемного кремнеземистого геля. Кремнезоль, входящий в состав пластификатора, может иметь следующие физико-химические характеристики: массовая доля диоксида кремния в кремнезоле может составлять 29-31 мас.%, плотность кремнезоля может составлять 1,19-1,21 г/см, начальная вязкость кремнезоля может составлять 6,05 сП, а водородный показатель pH кремнезоля может составлять 10,07 ед. Кремнезоль, входящий в состав пластификатора, может быть представлен, например, кремнезолем марки «Лэйксил» 30 (по ТУ 2145-012-61801487-2014).
Концентрация пластификатора в растворе составляет 300 об.д., при этом кремнезоль и вода, входящие в состав пластификатора, взяты в объемном соотношении 1:3, и концентрация кремнезоля в растворе составляет 75 об.д., а концентрация воды в растворе составляет 225 об.д. Наличие воды в составе пластификатора в количестве 3 объемных частей необходимо для сохранения вязкости пластификатора на том уровне, при котором он может выполнять свою основную функцию снижения общей начальной вязкости раствора, а также для стабилизации объемной усадки конечного геля. Однако увеличение количества воды в составе пластификатора может привести к увеличению времени гелеобразования объемного кремнеземистого геля или к невозможности его образования вообще.
Наличие пластификатора в составе раствора в минимальном количестве необходимо для повышения проникающей способности инъекционного раствора. Однако, в случае если концентрация пластификатора в составе раствора будет выше допустимой границы, то существенно уменьшается время гелеобразования (затвердевания) раствора, что может привести к его схватыванию вне массива, например в шланге подающего устройства.
Изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Изобретение характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что пластификатор, представлен раствором, состоящим из кремнезоля и воды, взятых в объемном соотношении 1:3, и содержащихся в растворе в указанных концентрациях. Использование в качестве пластификатора раствора, состоящего из кремнезоля и воды, обладающего способностью к формированию объемного кремнеземистого геля, который представляет собой сеть из связанных между собой частиц кремнезема с постоянной их концентрацией по объему геля, позволяет использовать данный раствор кремнезоля и воды для создания совместно с вяжущим веществом эпоксидно-кремнеземистого геля обладающего высокой адгезией к поверхности песчаных зерен, а также эластичностью и высокой сопротивляемостью деформациям обусловленными структурой объемного кремнеземистого геля. Соблюдение концентраций кремнезоля и воды в указанных пределах позволяет стабилизировать время гелеобразования (затвердевания) раствора без снижения прочности скрепления частиц пескосодержащего массива инъекционным раствором и ухудшения таким образом прочностных характеристик закрепленных массивов.
Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении прочности скрепления частиц пескосодержащего массива инъекционным раствором для закрепления пескосодержащего массива, тем самым улучшаются его эксплуатационные характеристики.
Изобретение обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники известны инъекционные растворы для закрепления пескосодержащего массива на основе эпоксидных смол, в которых в качестве пластификатора выступает сольвент или раствор хлорида натрия. Однако из уровня техники не известен инъекционный раствор для закрепления пескосодержащего массива на основе эпоксидной смолы, в котором в качестве пластификатора выступает раствор кремнезоля и воды, взятых в объемном соотношении 1:3. Также из уровня техники не известен эффект от использования в качестве пластификатора раствора кремнезоля и воды, заключающийся в возможности повышения прочности скрепления частиц пескосодержащего массива инъекционным раствором, за счет образования раствором кремнезоля и воды, совместно с вяжущим веществом, представленным алифатической эпоксидной смолой, эпоксидно-кремнеземистого геля.
Ввиду этого изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется следующими таблицами.
Табл. 1 - Составы инъекционных растворов по изобретению.
Табл. 2 - Результаты испытаний растворов по изобретению на время гелеобразования (затвердевания).
Табл. 3 - Результаты испытаний растворов по изобретению и, полученных при их применении, гелей и закрепленных массивов, на объемную усадку и прочность на сжатие.
Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути изобретения ниже представлен вариант его осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.
Изобретение поясняется следующим примером реализации.
3
Для получения инъекционного раствора брали кремнезоль марки «Лэйксил» 30 (по ТУ 2145-012-61801487-2014), в котором массовая доля диоксида кремния составляла 29-31 мас.%, плотность составляла 1,19-1,21 г/см, начальная вязкость составляла 5 сСт (6,05 сП), а уровень рН был равен 10,07 рН ед., соединяли с водой в соотношении 1:3 и перемешивали, получая таким образом пластификатор. В пластификатор, при постоянном его помешивании, добавляли вяжущее вещество, представленное алифатической эпоксидной смолой марки «А» (по ТУ 2225-144-07510508-2015), динамическая вязкость которой составляла 7,0 сП. После этого к пластификатору и вяжущему веществу, так же при постоянном их помешивании, добавляли отвердитель в виде полиэтиленполиамина (ПЭПА) (характеристики по ТУ 2413-010-75678843-2012). Полученный раствор имел светло-коричневый оттенок. Вязкость полученного раствора сразу после приготовления составляла 1,1 сП и имела постоянное значение на протяжении 90 % длительности индукционного периода гелеобразования.
Инъекцию раствора осуществляли следующим образом:
В пескосодержащий массив вводили инъектор, через который полученный раствор в режиме пропитки поступал в толщу массива, полностью заполняя его поровое пространство, без гидроразрывов и с сохранением его природной структуры. Максимальное давление подачи раствора составляло 0,3 МПа. Интенсивность расхода раствора составляла 13 л/мин. Радиус закрепления варьировался от 0,2 до 1,0 м в зависимости от вида песка, содержащегося в массиве (песок пылеватый, мелкий или средней крупности). После инъекции раствора в пескосодержащий массив ожидали окончания гелеобразования (затвердевания) раствора.
Дополнительно для получения образцов геля, брали пластиковые формы и так же заполняли их раствором, после чего ожидали окончания его гелеобразования (затвердевания).
Раствор 1
Для получения 414 мл раствора брали 75 мл кремнезоля марки «Лэйксил» 30, добавляли 225 мл воды и получали 300 мл пластификатора. К пластификатору добавляли 100 мл вяжущего вещества, представленного алифатической эпоксидной смолой марки «А». Затем к пластификатору и вяжущему веществу добавляли отвердитель в виде ПЭПА в количестве 14 мл.
Раствор 2
Для получения 416 мл раствора брали 75 мл кремнезоля марки «Лэйксил» 30, добавляли 225 мл воды и получали 300 мл пластификатора. К пластификатору добавляли 100 мл вяжущего вещества, представленного алифатической эпоксидной смолой марки «А». Затем к пластификатору и вяжущему веществу добавляли отвердитель в виде ПЭПА в количестве 16 мл.
Раствор 3
Для получения 420 мл раствора брали 75 мл кремнезоля марки «Лэйксил» 30, добавляли 225 мл воды и получали 300 мл пластификатора. К пластификатору добавляли 100 мл вяжущего вещества, представленного алифатической эпоксидной смолой марки «А». Затем к пластификатору и вяжущему веществу добавляли отвердитель в виде ПЭПА в количестве 20 мл.
Раствор 4
Для получения 440 мл раствора брали 75 мл кремнезоля марки «Лэйксил» 30, добавляли 225 мл воды и получали 300 мл пластификатора. К пластификатору добавляли 100 мл вяжущего вещества, представленного алифатической эпоксидной смолой марки «А». Затем к пластификатору и вяжущему веществу добавляли отвердитель в виде ПЭПА в количестве 40 мл.
Раствор 5
Для получения 450 мл раствора брали 75 мл кремнезоля марки «Лэйксил» 30, добавляли 225 мл воды и получали 300 мл пластификатора. К пластификатору добавляли 100 мл вяжущего вещества, представленного алифатической эпоксидной смолой марки «А». Затем к пластификатору и вяжущему веществу добавляли отвердитель в виде ПЭПА в количестве 50 мл.
Процентные соотношения компонентов каждого раствора представлены в Таблице 1.
После этого производили испытания полученных образцов закрепленных массивов и образцов геля, в процессе которых определяли время гелеобразования (затвердевания) раствора, объемную усадку геля и прочность на сжатие геля и закрепленных массивов.
Испытание 1 - определение времени гелеобразования (затвердевания) раствора.
г
Время гелеобразования характеризуется периодом, по истечении которого раствор из вязкотекучего состояния переходит в состояние эластичного нетекучего геля. Для растворов 1-5 время гелеобразования раствора t определяли при нормальных условиях температуры окружающей среды и атмосферного давления (T=20°C, p=760 мм.рт.ст.). Дополнительно, для растворов 1-3, определяли время гелеобразования раствора при T=10°C, а для растворов 2-4, определяли время гелеобразования раствора при T=0-1°C. Температура растворов совпадала с температурой окружающей среды. Полученные результаты испытаний заносили в Таблицу 2.
Испытание 2 - определение объемной усадки геля.
v
По завершении процесса гелеобразования растворов 1-5 при T=20°C производили обмер и вычисление начального объема полученных образцов геля. Через три часа после завершения процесса гелеобразования растворов 1-5, производили повторный обмер и вычисление конечного объема образцов геля. Объемную усадку ɛ геля определяли по формуле:
v
где ɛ - объемная усадка геля, %;
н
3
V - начальный объем образца, см;
к
3
V - конечный объем образца, см;
3
ΔV - абсолютная объемная деформация образца, см.
Результаты вычислений заносили в Таблицу 3.
Испытание 3 - определение прочности на сжатие геля.
г
Через две недели после завершения процесса гелеобразования растворов 1-5 при T=20°C, образцы геля помещали между пластинами испытательной машины после чего производили постепенное нагружение каждого из них в отдельности. Нагружение образца геля производили равными ступенями по 0,01 МПа, время выдержки на каждой ступени составляло 1 секунду. При последующем нагружении образца геля до достижения им разрушения, фиксировали приложенную нагрузку, предшествующую разрушению F, кН и прекращали нагружение. Прочность на сжатие геля  определяли по формуле:
где  - прочность на сжатие геля, МПа;
г
F -нагрузка, предшествующая разрушению, кН;
г
2
А - площадь поперечного сечения образца, см;
Результаты вычислений заносили в Таблицу 3.
Испытание 4 - определение прочности на сжатие закрепленных массивов.
Определение прочности на сжатие закрепленных массивов проводилось в соответствии с методикой аналогичной методике Испытания 3. Определение прочности на сжатие закрепленных массивов проводилось отдельно для разных видов песка, содержащихся в них (песок пылеватый, мелкий или средней крупности). Результаты испытаний в виде вычисленных значений прочности на сжатие закрепленного массива, содержащего песок пылеватый , прочности на сжатие закрепленного массива, содержащего песок мелкий , прочности на сжатие закрепленного массива, содержащего песок средней крупности , заносили в Таблицу 3.
Полученные растворы по изобретению были подвергнуты испытаниям на время гелеобразования (затвердевания) раствора, объемную усадку геля, прочность на сжатие геля и прочность на одноосное сжатие закрепленных массивов. Результаты испытаний были занесены в Таблицы 2 и 3, был произведен их дальнейший анализ.
В ходе анализа Испытания 1 было установлено, что с уменьшением количества ПЭПА, выступающего в качестве отвердителя, увеличивается время гелеобразования раствора, которое также зависит и от температуры самого раствора. При T=20°C растворы 2-4 обладали удовлетворительными показателями времени гелеобразования, при этом наилучшим показателем, лежащим в пределах 1-2 часов, обладал раствор 2. При T=10°C растворы 2-3 обладали удовлетворительными показателями времени гелеобразования, а испытание раствора 4 при данной температуре не проводилось. При T=0-1°C растворы 2-4 обладали удовлетворительными показателями времени гелеобразования. Такие результаты обусловлены тем, что в растворах 2-4 не наблюдалось выхода концентраций компонентов за верхние или нижние границы установленных диапазонов.
Раствор 1, обладал неудовлетворительным показателем времени гелеобразования при T=20°C и T=10°C, которое было значительно увеличено, по сравнению с оптимальным, что обусловлено низким содержанием в данном растворе ПЭПА, выступающего в качестве отвердителя, при этом испытания раствора при T=0-1°C не проводились. Показатель времени гелеобразования при T=20°C раствора 5 имел значительно меньшее значение чем оптимальное, что так же является неудовлетворительным и обусловлено высоким содержанием в данном растворе отвердителя, при этом испытания раствора при T=10°C и T=0-1°C не проводились.
В ходе анализа Испытаний 2-4 было установлено, что образовавшийся из растворов 2-4, гель обладал удовлетворительными показателями прочности на одноосное сжатие при относительно небольшой объемной усадке его образцов, при этом показатели прочности на одноосное сжатие массивов, закрепленных при помощи данных растворов, также были удовлетворительными для всех типов грунтов, содержащихся в них. Наилучший показатель прочности на одноосное сжатие имел гель, образовавшийся из раствора 2, так как показатель его объемной усадки имел наименьшее, по сравнению с растворами 3-4, значение. Это также обуславливает и то, что наилучшие показатели прочности на одноосное сжатие имели массивы, закрепленные при помощи раствора 2. Такие результаты получены благодаря тому, что растворы 2-4 имели оптимальные показатели времени гелеобразования, обусловленные соблюдением концентраций компонентов растворов в пределах установленных диапазонов.
Гель, образовавшийся из раствора 1, обладал наименьшим значением объемной усадки среди всех растворов 1-5, однако его прочность на сжатие, была значительно ниже прочности гелей, образовавшихся из растворов 2-5, что не позволило массивам, закрепленным при помощи раствора 1, достичь удовлетворительных показателей прочности на сжатие. Массивы, закрепленные раствором 5, а также гель, образовавшийся из этого раствора, обладали удовлетворительными показателями прочности на сжатие, однако значение объемной усадки такого геля, в несколько раз превышало то же значение для гелей, образовавшихся из растворов 1-4, что в последствии привело к расслоению образца. Неудовлетворительные показатели, достигнутые растворами 1 и 5, обусловлены выходами концентраций компонентов этих растворов за верхние и нижние границы установленных диапазонов.
Все полученные растворы 1-5 обладали низкой пожароопасностью и были неагрессивны к бетонным и железобетонным конструкциям за счет использования в качестве пластификатора раствора, состоящего из кремнезоля и воды, что также позволило снизить риск возникновения суффозионных деформаций грунта в закрепленном массиве за счет исключения из состава раствора компонентов, которые могут быть подвергнуты выщелачиванию. При этом растворы 2-4, в которых не наблюдалось выхода концентраций компонентов за верхние или нижние границы установленных диапазонов, обладали удовлетворительными прочностными характеристиками.
Таким образом, обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении прочности скрепления частиц пескосодержащего массива инъекционным раствором для закрепления пескосодержащего массива, тем самым улучшаются его эксплуатационные характеристики.
Табл.1
<b>Растворы</b>
<b>Содержание, об. д.</b>
<b>Алифатическая эпоксидная смола</b>
<b>ПЭПА</b>
<b>Кремнезоль</b>
<b>Вода</b>
Раствор 1
100
14
75
225
Раствор 2
100
16
75
225
Раствор 3
100
20
75
225
Раствор 4
100
40
75
225
Раствор 5
100
50
75
225
Табл. 2
<b>Растворы</b>
<b>t</b><sub><b>гелеобр. при </b></sub><sub><b>T</b></sub><sub><b>=20</b></sub><sub><b>°</b></sub><sub><b>C</b></sub><b>, ч</b>
<b>t</b><sub><b>гелеобр. при </b></sub><sub><b>T</b></sub><sub><b>=10</b></sub><sub><b>°</b></sub><sub><b>C</b></sub><b>, ч</b>
<b>t</b><sub><b>гелеобр. при </b></sub><sub><b>T</b></sub><sub><b>=0-1</b></sub><sub><b>°</b></sub><sub><b>C</b></sub><b>, ч</b>
Раствор 1
3,0
18,0
-
Раствор 2
1,5
13,0
32,0
Раствор 3
0,5
4,5
28,0
Раствор 4
0,2
-
16,0
Раствор 5
0,1
-
-
Табл. 3
<b>Растворы</b>
<b>Объемная усадка геля ε</b><sub><b>v</b></sub><b>, %</b>
<b>Прочность на сжатие геля σ</b><sub><b>сж г</b></sub><b>, МПа</b>
<b>Прочность на одноосное сжатие (песок пылеватый) σ</b><sub><b>сж п</b></sub><b>, МПа</b>
<b>Прочность на одноосное сжатие (песок мелкий) σ</b><sub><b>сж м</b></sub><b>, МПа</b>
<b>Прочность на одноосное сжатие (песок средней крупности) σ</b><sub><b>сж с</b></sub><b>, МПа</b>
Раствор 1
3
0,15
1,27
1,97
0,97
Раствор 2
5
0,28
1,40
2,10
1,10
Раствор 3
6
0,30
1,50
2,30
1,20
Раствор 4
6
0,32
1,60
2,50
1,30
Раствор 5
20
0,34
1,62
2,52
1,32