CC BY
89
УДК 624.138:620.163.34
М. Л. ЗОЦЕНКО, О. I. НАЛИВАЙКО, I. I. ЛАРЦЕВА (Полтавський нащональний технiчний унiверситет iM. Ю. Кондратюка), О. М. ПАНЬКО (Державне управлiння справами Президента Украши, Кшв)
досл1дження водонепроникност1 Грунтоцементу
У статп представлено дослвдження водонепроникносп грунтоцементу прискореним методом визначення повггропроникносл за допомогою пристрою ВВ-2 (типу «Агама»), а також коефщента розм'якшення.
В статье представлены исследования водонепроницаемости грунтоцемента ускоренным методом определения воздухопроницаемости при помощи прибора ВВ-2 (типа «Агама»), а также коэффициента размягчения.
The study of watertightness of the soil cement by speed-up method for air permeability determination by means of the ВВ-2 device («Аgamа» type) is presented in this article. The coefficient of softening is also determined.
Постановка проблеми у загальному виглядi та й- зв'язок iз важливими практичними завданнями
Одним iз ефективних напрямюв зниження вартост пальового фундаментобудування е ви-користання у якостi матерiалу rрунтiв, якi заля-гають в основi будiвель. За допомогою спеща-льного обладнання виконують розпушування грунту безпосередньо у масивi без його вий-мання. Одночасно у розпушений грунт нагшта-еться цементна суспензiя та виконуеться пере-мiшування й ущшьнення грунтоцементно! су-мiшi. Пюля тужавiння сумiшi за всiею товщи-ною слабкого шару утворюеться мщний грунтоцементний матерiал, який не розмокае у водному середовищ^ Такi елементи можливо утворювати й у водонасиченому грунт!, тобто нижче рiвня грунтових вод. Дослiди, якi були проведеш у часi з визначення мщносп грунтоцементу, показали його зростання навiть через роки пiсля виготовлення [1].
Вщомим е метод влаштування штучних основ шляхом армування слабких груш!в верти-кальними жорсткими елементами. Ефект такого армування основ полягае у тому, що у певному об'емi слабкого грунту частина його замшю-еться жорстким матерiалом з достатньо великими, порiвняно з природним грунтом, мехаш-чними характеристиками. Цi характеристики утворено! штучно! основи визначаються як се-редньовиваженi. Вони можуть регулюватися за рахунок змiни вiдстанi мiж сусiднiми елементами армування [2]. В останш роки доволi часто влаштування штучних основ (закршлення слабких груш!в) здiйснюють шляхом цемента-ци грунту за струминною та бурозмшувальною технологiями. За допомогою вказаних техноло-
гiй у масивi груш!в можна утворювати верти-кальнi, горизонтальш та похилi жорсткi грун-тоцементш елементи. Цi технологи також можна застосовувати не тшьки для закршлення ос-нови тд фундаментами будiвель i споруд, а й для стабшзаци зсувонебезпечних схилiв, уко-сiв [3], влаштування протифiльтрацiйних завю, роздiльних стiнок для зниження впливу ново-будов на iснуючи будiвлi i споруди тощо [2].
Вщомо, що при закрiпленнi грунтiв на схи-лах виникае так званий «баражний ефект», який проявляеться у техногенному шднятп рiвня грунтових вод на таких дшянках. Вiдомо також, що грунтоцемент, який виготовлено за буроз-мшувальною технологiею, мае пористiсть, яка близька до пористосп грунту природного складу. Цей факт породив хибну думку про те, що i проникшсть грунтоцементу близька до грунту. З цих мiркувань актуально дослщити водонеп-роникнiсть грунтоцементу за стандартними методами для подальшого прогнозування можли-востi виникнення баражного ефекту на закрiп-лених схилах.
Аналiз останшх дослiджень i публiкацiй, у яких започатковано розв'язання поставленоТ проблеми
Грунтоцемент представляе собою складну багатофазну систему, яка складаеться iз грунту, що мае полщисперсний та полiмiнеральний склад, та цементуючо! речовини - цементу, який з'еднуе частинки грунту в монолт Гель, який видiляеться при гiдролiзi цементу, просо-чуе грунт та заповнюе його пори.
Грунтоцемент на вiдмiну вiд цементних бе-тошв мае значно бiльшу пористiсть. Якщо по-ристiсть бетонiв складае декшька процентiв i
© Зоценко М. Л., Наливайко О. I., Ларцева I. I., Панько О. М., 2010
пори утворюються в основному у застиглому цементному камеш, то в грунтоцемент залиш-кова пористiсть може складати 20... 30 % i ви-ще. Встановлено, що в грунтоцементi перева-жають ультрамiкропори. Крiм того, внаслщок перемiшування сумiшi i наступного гiдролiзу цементу при тужавiннi виникае так звана «за-крита пористють», тобто пори грунтоцементу бiльшiстю не зв'язаш мiж собою. Все це робить матерiал практично водонепроникним. Характер пор, який утворюеться у бетош, залежить вiд цiлого ряду факторiв i, в першу чергу, вщ щiльностi матерiалу та процесу його твердшня, а також вiд складу використаного цементу. Так, бшьш яюсний бетон за водонепроникнiстю може бути отриманий на пуцоланових порт-ландцементах; з технолопчно! позици ефектив-ним способом отримання водонепроникного бетону е його ущшьнення.
Вивчати грунтоцемент як будiвельний мате-рiал почали приблизно з 30-х рр. ХХ сторiччя. Було доведено доцiльнiсть застосування моно-лiтного грунтоцементу для укладання в ядро накидних дамб та улаштування облицювання зрошувальних каналiв. Встановлено, що глини-стий грунт до закршлення з коефiцiентом фшь-
траци Ку = п -10-3 см/с, пiсля закрiплення його
цементом (на 2-гу добу пiсля виготовлення) мае
К у = п ■Ю-8... п -10-10 см/с, тобто вш стае
практично водонепроникним. Для цементно-глинистих матерiалiв коефiцiент фшьтрацп
складае К у = п ■ 10-7 ... п ■ 10-8 см/с, в той час як для цементних - Ку = п ■ 10-4 ... п ■Ю-5 см/с [4].
Видшення не розв'язаних рашше частин
проблеми, яким присвячуеться стаття
При дослiдженнi властивостей грунтоцементу виникае питання: якими методами прово-дити цi дослщження? Чи вважати грунтоцемент близьким за характеристиками до бетошв, чи до грунта? При дослiдженнi водонепроникних властивостей бетошв необхщно користуватися наступними стандартами [5, 6] i виконувати дослщження за «мокрою плямою» чи експрес-методами. Якщо розглядати грунтоцемент як грунт, що змшений пiд имшо^зичним впли-вом, тодi для нього зпдно зi стандартом [7] по-
трiбно визначати коефiцiент розм'якливостi у воДi .
Тому метою роботи е дослщження водонепроникних властивостей грунтоцементу (за методикою визначення водонепроникних власти-
востей для бетошв) та визначення його коефщ> енту розм'якливосп.
Виклад основного матерiалу дослщжень
З метою визначення характеристик водоне-проникностi грунтоцементу на дослщному майданчику в листопадi 2008 р. були виготов-ленi вертикальш грунтоцементнi елементи дiа-метром 200 мм та довжиною 2,5 м. Кшьюсть цементу - 20 % вщ ваги сухого грунту, водоце-ментне вiдношення розчину - В/Ц = 1. Дослщ-ний майданчик складений лесовими просадоч-ними суглинками першого горизонту (1ГЕ-3) з наступними характеристиками: волопсть на меж текучост Ж = 0,30; вологiсть на межi пластичностi ЖР = 0,21; число пластичносп 1Р = 0,09; природна волопсть Ж = 0,13 ; показ-ник текучост 1Ь =-0,89; щшьнють частинок грунту р5 = 2,66 г/см3; щшьнють грунту р = 1,56 г/см3; щiльнiсть сухого грунту р^ = 1,39 г/см3; коефщент пористостi е = 0,91; коефщент водонасичення Бу = 0,35. У вщ 6
мiсяцiв (у травш 2009 р.) грунтоцементнi елементи були викопаш з масиву для подальшого дослiдження у лабораторних умовах (рис. 1).
Рис. 1. Грунтоцементний елемент д1аметром 200 мм в масив1 грунту
Для дослiдження водонепроникност грунтоцементу був застосований пристрш для при-скореного визначення водонепроникносп бетону ВВ-2, що дозволяе оцшювати повтропро-никтсть бетошв експрес-методом. Цей метод оснований на наявносп експериментально! за-лежностi мiж пов^ропроникнютю поверхневих шарiв бетону та його водонепроникнютю, ви-
значенш за «мокрою плямою» згiдно зi стандартом [6]. Водонепроникнiсть бетонного зразка за «мокрою плямою» оцшюеться максималь-ним тиском води, при якому ще не спостерша-еться !! просочування крiзь зразок. Марку бетону по водонепроникност приймають за табл. 1.
Таблиця 1
Марка бетону по водонепроникност за «мокрою плямою»
Водонепроник-шсть серiï' зраз-к1в, МПа 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Марка бетону по водонепроник-ност1 W 2 4 6 8 10 12
При застосуванш пристрою швидюсного оцiнювання водонепроникностi в якосп параметру, який характеризуе пов^ропроникшсть, використовуеться значення часу, за яке тиск в камерi пристрою падае на певну величину.
Пристрiй ВВ-2 (рис. 2) мае необхщш атеста-ти та сертифшати i вiдповiдае всiм нижченаве-деним технiчним характеристикам, що пред'я-вляються до пристро!в визначення пов^ропро-никностi:
1. Початковий рiвень вакууметричного ти-ску, що створюеться всередиш камери, - не ме-нше 0,064 МПа.
2. Початковий тиск притиснення фланцю камери до поверхш бетону - не менше 0,05 МПа.
3. Ширина фланцю камери - не менше 25 мм.
4. Внутршнш об'ем порожнини камери -не менше 180 см3.
Дiапазон показниюв вакуумметра прилада ВВ-2 - 0.. .1 кгс/см2; маса пристрою - 4 кг.
Пристрш ВВ-2 е порожнистою цилiндрич-ною камерою 1 з виступаючим фланцем 2. Зве-рху камери встановлений вакуумметр 3, з'една-ний з камерою через штуцер 4, на бiчнiй поверхш - штуцер 5 тдводу гнучкого шлангу 6. Шланг приеднаний до ручного вакуум-насосу 7. На ос штуцера 5 всередиш камери розташо-ваний вакуумклапан 10. Штуцер 5 перекрива-еться при дослщах заглушкою 11. Для прове-дення випробувань пристрш встановлюють на поверхш зразка 8 за допомогою липко! герме-тизуючо! мастики 9, яка накладаеться джгутом на фланщ камери, при цьому контролюють, щоб фланець камери не виступав за край пове-рхш зразка.
Рис. 2. Схема пристрою для прискореного визначення водонепроникносп бетону ВВ-2
Зпдно 3i стандартами [5, 6], пов^ропроник-шсть бетону визначаеться за результатами випробувань сери iз 6 зразкiв-кубiв розмiрами ребра 150 мм чи цилiндрiв дiаметром 150 мм та висотою не менше 100 мм. Випробування про-водять при температурi повiтря вiд +1 до +40 °С. Протягом двох дiб до моменту випробування поверхня бетону не повинна шддава-тися дп води чи iншоï рщини. Поверхнi, на яких будуть проводитись випробування, повин-нi бути очищеш вiд поверхневоï плiвки цементного каменю. У зонi контакту фланцю камери з поверхнею бетону не повинно бути раковин глибиною бiльше 1 мм та дiаметром бiльше 6 мм, а також вистутв бiльше 1 мм та видимих трiщин.
Випробування проводять у наступнiй посл> довносп:
1. Встановлюють камеру на вибранш та пiдготовленiй дiлянцi дослiджуваного зразка та притискають пристрiй до поверхш двома руками, створюючи необхщний тиск притиснення 0,05 МПа.
2. За допомогою вакуум-насосу в камерi створюють розрщження до значення 0,075.. .0,08 МПа.
3. Зшмають кiнець шлангу, встановлюють на штуцер заглушку та спостертають за показ-никами вакуумметру падшня тиску до значення P01 =-0,060 МПа. Даний тиск вважаеться тис-ком початкового розрiдження. З цього моменту засшаеться час, за який тиск у камерi падае до кшцевого розрiдження Pn =-0,054 МПа.
Отримаш значення часу II для дослщжува-них зразкiв записують у порядку 1х зростання та обчислюють середне арифметичне значення часу двох середшх зразкiв (третього та четвертого) в якост параметру, який характеризуе пов^ропроникшсть в серп зразкiв.
Водонепроникшсть бетону Ж визначають за градуювальною таблицею «час - марка бетону за водонепроникшстю» (табл. 2).
Таблиця 2
Марка бетону за водонепроникшстю для приладу ВВ-2
t = 463 с, що вщповщае марщ по водонепрони-кност для бетошв W14.
Дiапазон t, с Марка бетону за водонепроникшстю W
41. .59 2
60. .87 4
88.. .126 6
127. .183 8
184. .261 10
262. .387 12
388. .561 14
562. .814 16
815. .1181 18
1182. .1734 20
Для перевiрки справностi пристрою та шд-твердження доцiльностi його застосування для зразюв грунтоцементу, попередньо була визна-чена марка за водонепроникшстю затзобетон-но1 балки заводського виготовлення (рис. 3), яка за паспортом мае марку W2.
За результатами проведення 6-ти випробу-вань час падшня тиску в камерi для 3-го та 4-го випробування був наступний - 44 та 52 с, вщ-повiдно. Середне арифметичне значення часу складае 48 с, що зпдно з табл. 2 вщповщае ма-рцi бетону за водонепроникшстю W2. Отже, даний пристрш можна застосовувати для визначення водонепроникност зразюв.
Для визначення водонепроникносп елемент грунтоцементу, дiаметром 200 мм, який був ви-лучений на дослщному майданчику, розрiзали на цилшдри висотою по 150 мм. Далi поверхня була очищена з урахуванням усiх вищевикла-дених вимог i було проведено 6 випробувань (рис. 4), результати яких наведеш в табл. 3.
З урахуванням даних табл. 2 i 3 середне арифметичне значення часу падшня тиску в камерi для 3-го та 4-го випробувань складае
Рис. 3. Визначення повиропроникносп бетонно! балки
Рис. 4. Дослщження повиропроникносп грунтоцементу пристроем ВВ-2
Таблиця 3
Значення часу та марки для дослщжуваних зразк1в Грунтоцементу
№ зразка Час t,-, с Марка W
1 305,27 12
2 320,58 12
3 445,00 14
4 480,54 14
5 520,30 14
6 784,98 16
Якщо марку по водонепроникносп визнача-ти за середньоарифметичним значенням часу падшня тиску в камерi всiх проведених досл> джень (в нашому випадку - 6-ти), то за даними табл. 3 tсер = 476 с, що вщповщае марцi по водонепроникносп W14. Коефiцieнт варiацп, ви-значений в результатi проведення статистично! обробки даних методом найменших квадратiв, для даного випробування склав V = 0,11.
Значення коефщенту варiацil вiдповiдаe за-гальним уявленням для грунпв, це шдтвер-джуе, що грунтоцемент мае досить високу во-достiйкiсть. Слiд зазначити наступне: для того, щоб виготовити бетон марки за водонепроник-шстю W14, в нього необхщно не тiльки додати спещальш гiдрофобнi добавки, але й суворо дотримуватись технологи виготовлення бетону з щею добавкою. Всi щ заходи значно збшь-шують собiвартiсть такого бетону, який сам по собi вже е дорожчим, шж грунтоцемент.
Оскiльки грунтоцемент розглядаеться також як змщнений хрунт, то для оцшювання його водостшкосп потрiбно визначати коефщент розм'якливостi у водi. Зпдно зi стандартом [7], за коефщентом розм'якливостi грунти подшя-ють на нерозм'якшувальш (> 0,75) та
розм'якшувальш (К^ < 0,75 ).
З дослщжуваних експрес-методом зразкiв грунтоцементу дiаметром 200 мм та висотою 150 мм були виготовлеш кубики розмiрами 7х7х7 см. Кубики були замiрянi та подшеш на двi сери по 6 штук: зразки 1-о! сери зберiгалися протягом 28 дiб у водц зразки 2-о! сери зберша-лися протягом 28 дiб у пов^ряно-сухих умовах. По проходженню вказаного термiну зразки ви-пробовувалися на одноосьовий стиск (рис. 5) вщповщно до стандарту [8]. Результати випро-бувань наведеш в табл. 4.
За результатами випробувань (табл. 4) для кожного зразка була визначена границя мщнос-тi грунту на одноосьовий стиск Яс - вiдношен-ня навантаження, при якому виникае руйнуван-ня зразка, до площi первiсного поперечного перерiзу. Також для отриманих значень мщнос-тi грунтоцементу була проведена статистична обробка даних методом найменших квадрапв. Коефiцiент варiацil для зразюв, що зберiгалися у повiтряно-сухих умовах, склав V = 0,057; для зразюв, що збершалися у водi - V = 0,092.
Отримаш данi свiдчать про однорiднiсть грунтоцементу як матерiалу та високу точшсть проведення експерименту.
За даними табл. 4 коефщент розм'якли-востi, який визначаеться як вщношення серед-
шх значень границь мiцностi на одноосьовий стиск у водонасиченому та у пов^ряно -сухому сташ, для зразюв грунтоцементу, який виготов-лений за бурозмшувальною технологiею шляхом перемшування суглинку лесового проса-дочного (1ГЕ-3) та цементного розчину з кшь-кiстю цементу 20 % вщ ваги сухого грунту, ста-1,54
новить: К=
1,39
= 1,11 > 0,75.
Рис. 5. Визначення мщносл грунтоцементу на одноосьовий стиск
Таблиця 4
Границя мщност зразкш грунтоцементу Яс, МПа
№ зразка Кс, МПа (повггряно-суы) МПа (водонасичеш)
1 1,38 1,55
2 1,50 1,48
3 1,45 1,45
4 1,31 1,59
5 1,30 1,74
6 1,37 1,46
Середне 1,39 1,54
Висновки з проведених дослщжень
— За допомогою пристрою для швидкого визначення водонепроникностi бетонiв доведено, що грунтоцементш елементи, якi утворю-ються в результатi закрiплення грунпв за буро-змiшувальною технологiею, мають високi во-донепроникнi характеристики (W12 - W14), якi недосяжнi для звичайних бетошв; слiд врахову-вати i той факт, що 1 м3 бетону у тiлi протиф>
льтрацшно1 завюи коштуе близько 3000 грн, у той час як 1 м3 грунтоцементу, який виготовле-но у тш завiси за бурозмшувальною техноло-гiею, коштуе бiля 1000 грн.
— Проведеними дослщженнями доведено, що пристрш експрес-методу для визначення повиропроникносп бетонiв можна застосову-вати для швидкого визначення водонепроник-ност грунтоцементну.
— Випробування грунтоцементу як закрш-леного грунту на розм'якливють показали, що грунтоцемент не тшьки не розмокае у водi, але й збiльшуе свою мiцнiсть; цей факт шдтвер-джуеться даними шших дослiдникiв [4].
— Спираючись на результати дослщжень, можна зробити загальний висновок, що грунто-цемент, який виготовляеться за бурозмшува-льною технолопею, доцiльно використовувати для виготовлення протифшьтрацшних завiс, гiдроiзоляцiï пiдземних споруд, а також авто-мобiльних дорiг i злiтних смуг аеродромiв.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Армирование лессовых грунтов оснований зданий и сооружений [Текст] / И. В. Степура и др.
// Межд. конф. по проблемам механики грунтов,
фундаментостроению и транспортному строительству. - Пермь: ПГТУ, 2004. - С. 213.
2. Зоценко, М. Л. Ефективнють роз" еднувальних стшок у грунл при захисп юнуючих буд1вель в1д впливу новобудов [Текст] / М. Л. Зоценко, О. В. Борт // Бетон и железобетон в Украине. -2007. - № 1.- С. 24-27.
3. ДБН В.1.1-3-97. 1нженерний захист територш, будиншв та споруд ввд зсув1в та обвал1в. Основ-н1 положения [Текст]. - К.: Держбуд Укрш'ни, 1998. - 40 с.
4. Токин, А. Н. Фундаменты из цементогрунта [Текст] / А. Н. Токин. - М.: Стройиздат, 1984. -183 с.
5. ГОСТ 12730.0-78. Бетоны. Общие требования к методам определения плотности, влажности, водопоглощения, пористости и водонепроницаемости [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 1994.
6. ГОСТ 12730.5-84. Бетоны. Методы определения водонепроницаемости [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 1989.
7. ДСТУ Б В.2.1-2-96. Грунти. Класифкащя [Текст]. - К.: Держбуд Украши, 1997.
8. ГОСТ 10180-90. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам [Текст]. -М.: ЦИТП, 1990.
Надшшла до редколегп 16.03.2010. Прийнята до друку 22.03.2010.
