CC BY
78
УДК 546.66.0. 624.131.38.
В. М. Кнатько, Е. В. Щербакова, М. В. Кнатько
элементы нанотехнологий в комплексных методах укрепления глинистых грунтов и производстве
АЛЮМОСИЛИКАТНыХ ГИДРОИЗОЛяцИОННыХ МАТЕРИАЛОВ
При производстве специальных композиционных материалов в современном материаловедении используются нанотехнологии. Отличительной особенностью этих технологий является то, что при их реализации в химических и физико-химических процессах используются нанодисперсные частицы (размером от 1 до 100н/м) [1]. Нанодисперсные частицы в силу своей высокой удельной поверхности обладают повышенной химической активностью при взаимодействии с различными реагентами и твердой фазой дисперсных минеральных смесей. В связи с этим следует упомянуть то, что согласно теории синтеза неорганических вяжущих веществ в дисперсных грунтах [2, 3], при обработке глинистых грунтов добавками неорганических кислот (фосфорной, полифосфорной, кремнефтористоводородной, плавиковой и др.) происходит кислотный гидролиз глинистых минералов (при рН < 3-5), сопровождающийся экстрагированием из их кристаллических решеток нанодисперсных глинозема, гидроксидов железа, щелочных и щелочноземельных металлов, отличающихся высокой химической активностью. Это способствует синтезу, при нормальной температуре и давлении, различных неорганических вяжущих веществ (фосфатных, кремнефторсиликатных, кальций (магний)) алюмосиликатных и т. д. [3,4]. Аналогичный процесс образования нанодисперсных частиц происходит при обработке глинистых грунтов добавками щелочных реагентов (CaO, Са (ОН)2, MgO, Mg (OH)2, NaOH, KOH, Na^iOj и др.). При обработке глинистых грунтов добавками указанных щелочных реагентов происходит интенсивный щелочной гидролиз (при рН > 10-12) глинистых минералов, сопровождающийся экстрагированием из их кристаллических решеток нанодисперсных кремнезема, глинозема, гидроксидов железа и др. элементов, что способствует процессам синтеза гидросиликатов, гидроалюминатов и гидроферритов кальция, магния и содолитов K, Na (при рН>12), составляющих основную вещественную массу соответствующих неорганических вяжущих веществ [2,3,4].
Теоретически и экспериментально достаточно убедительно обосновывается высокая положительная роль нанодисперсных кремнезема, глинозема, гидроксидов железа и других элементов в технологиях укрепления глинистых грунтов с использованием добавок таких химических реагентов как известь и цемент в так называемых комплексных способах [5]. В частности, известь, как известно, является воздушным вяжущим веществом. Однако при взаимодействии добавок извести с алюмосиликатами глинистых грунтов синтезируется водоустойчивое гидравлическое вяжущее вещество, включающее гидросиликаты, гидроалюмосиликаты и гидроферриты кальция и магния (если известь магнезиальная) [4, 5]. Отмеченное превращение извести из воздушного в гидравлическое вяжущее вещество (в случае взаимодействия с глинистым грунтом) обусловлено тем, что добавка извести обеспечивает
© В. М. Кнатько, Е. В. Щербакова, М. В. Кнатько, 2008
интенсивный щелочной гидролиз глинистых минералов, в результате которого экстрагируется из их кристаллических решеток нанодисперстный кремнезем, глинозем, гидроксиды железа и других элементов. В сформировавшейся высокоактивной коллоидно-дисперсной системе и происходит (при нормальной температуре и давлении) синтез нового гидравлического вяжущего вещества на основе указанных ингредиентов системы [4, 5]. Аналогичное воздействие на глинистый грунт оказывают и добавки цемента. Установлено [6], что при взаимодействии одних и тех же добавок цемента с глинистым грунтом, например, легкой среднезернистой супесью оптимального состава, содержащей от 3 до 8 % глинистых частиц, достигается в 1,6—1,8 раза более высокая прочность на сжатие, чем при обработке аналогичной дозировкой цемента мелкозернистого песка, содержащего глинистых частиц менее 3 %. При повышенном содержании глинистых частиц в глинистом грунте (например, супесях тяжелых, суглинках и глинах, содержащих глинистых частиц от 10 до 25 % и более) прочность цементогрунта резко снижается из-за деоптимизации соотношения основных оксидов к кислотным во взаимодействующей системе, то еесть когда с^ << 2-3. Вместе с тем следует отметить, что при использовании комплексных добавок извести обеспечивается рациональность укрепления цементом глинистых грунтов, с повышенным содержанием глинистых частиц (например, тяжелых супесей, суглинков и тощих карбонатных глин).
С позиции физико-химической механики в работе [5] обосновано преимущество комплексных способов укрепления глинистых грунтов при и использования добавок химических реагентов двух видов:
• гидрофильных (интенсивно гидролизующих глинистое вещество, таких, например, как кислоты и щелочи);
• гидрофобных (обеспечивающих повышенную водоустойчивость и погодоустойчивость материала).
Стратегия указанного разделения химических реагентов сводится, прежде всего, к следующему: гидрофильные, гидролизующие глинистые минералы реагенты, как наиболее близкие по химической природе к грунтам, обеспечивают возможность использования химически активного материального ресурса глинистого вещества в виде коллоиднодисперсных и золь-гелевых фаз, содержащих нанодисперсные частицы кремнезема, глинозема и других формирующихся в результате кислотно-щелочного гидролиза. Благодаря своей высокой химической активности указанные соединения стимулируют процессы синтеза неорганических вяжущих веществ в укрепляемых глинистых грунтах, что обеспечивает снижение расхода химических реагентов и тем самым повышает экономичность технологии укрепления глинистых грунтов.
Гидрофобные реагенты (органические вяжущие — битумы, битумные эмульсии, гидрофобные добавки типа ГКЖ, синтетические смолы и т. д.), как специальные химические добавки в рассматриваемых комплексных способах, обеспечивают получаемому композиционному материалу кроме повышенной водоустойчивости и морозоустойчивости, а следовательно и его долговечности, дополнительные важные физико-механические свойства: повышенную деформативность, меньшую истираемость, что несомненно важно для эксплуатационных условий конструкционных слоев дорожных и аэродромных покрытий [5-13].
Необходимо также особо отметить роль следующих технологических факторов при производстве работ по реализации комплексных способов укрепления глинистых грунтов:
• равномерное распределение химических реагентов в укрепляемом глинистом грунте (т. е. фактор гомогенизации состава грунтовой смеси с добавками реагентов);
• обеспечение требуемой высокой степени уплотнения конструктивного слоя, обеспечивающая формирование плотной структуры материала с пониженной пористостью, что может достигаться, например, при использовании виброди-намического воздействия.
При этом следует иметь в виду, что вибродинамическое воздействие на формирующийся грунтовый материал обеспечивает равномерное микро- и макрораспределение коллоидно-дисперсных и золь-гелевых фаз между литифицирующимися дискретными частицами твердой фазы материала [14,15].
Особо важное значение имеет эффект вибродинамического воздействия на формирование водоупорных свойств гидроизоляционного материала на основе глинистого грунта, добавок извести, цемента и гидрофобизирующих веществ [15].
Используя кинетическую теорию вибродинамического воздействия, принципиально возможно также трансформировать слабые (атомные) физико-химические связи дисперсной системы грунтового композита (например, водородные и образованные силами Ван-дер-Ваальса) в направлении повышения сил сцепления твердых частиц грунта, что существенно обеспечивает большую прочность и несущую способность грунтового композита [9]. Следует также отметить, что силы Ван-дер-Ваальса важно учитывать при взаимодействии больших органических молекул синтетических и природных полимеров, при использовании их добавок в комплексных методах укрепления глинистых грунтов [9,10].
Водородные же связи важны при взаимодействии молекул воды с поверхностями твердой фазы и между собой в коагуляционной структуре грунтового материала [9].
Добавки карбомидных и эпоксидных смол, а так же пластификаторов в виде нефтяного гудрона в грунтовый композит, способствуют улучшению технологичности и погодоустойчивости укрепленного глинистого грунта [8,9].
Рассмотренные аспекты нанотехнологий в области технической мелиорации глинистых грунтов имеют непосредственное отношение и к производству алюмосиликат-ных гидроизоляционных материалов на основе глино-песчаных смесей, обработанных добавками извести, цемента, жидкого стекла и синтетических полимеров [16]. При этом гидролиз глинистого вещества щелочными реагентами обусловливает повышенный выход коллоидно-дисперсных и золь-гелевых фаз, содержащих нанодисперсные частицы кремнезема, глинозема и гидроксидов железа и других элементов, способствующих формированию водоустойчивой и водонепроницаемой структуры. Коэффициент фильтрации получаемого гидроизоляционного материала на основе указанных ингредиентов имеет на 3-4 порядка меньшую величину (Кф = n-10-7-10-8), чем гидроизоляционный материал на основе песчано-цементных смесей (Кф = n-10-4-10-5). Наряду с этим следует отметить, что применение композиции оптимального состава, включающего глину — песок — изв есть — цемент и полимерные добавки обеспечивает не только повышенные водоупорные свойства гидроизоляционного материала, но и способствует экономии цемента, за счет процессов синтеза дополнительного алюмосиликатного вяжущего на основе минерального ресурса глинистого вещества гидролизуемого известью, сопровождающегося повышенным выходом коллоидно-дисперсных и золь-гелевых фаз, обогащенных вышеуказанными
нанодисперсными частицами. Благодаря указанному процессу взаимодействия ингредиентов рассматриваемой композиции обеспечивается производство дешевого высокоэффективного гидроизоляционного материала, обладающего требуемыми техническими свойствами [8,9,16].
Summary
Knatko V. M., Shcherbakova E. V., Knatko M. V Elements of nanotechnologies in complex methods of clay ground consolidation and production of alum silicate hydroisolating materials
Nanodispersive particles of silica, clay and other minerals extracted from crystals of clay minerals in the process of redox hydrolysis when using acid or basic reagents provide higher efficiency of complex methods of clay ground consolidation and high water protection (К=Ы0-7-Ы0-8 m/day) of alum silica hydroisolating materials.
Key words: nanotechnologic, methods, alum silicat, hydroisolating material.
Литература
1. «Нано» фантастика, которая становиться реальностью // Машины и механизмы, 2007, № 8 (23).
2. Кнатько В. М. Теория синтеза неорганических вяжущих в дисперсных грунтах. Л., 1989.
3. Кнатько В. М. Укрепление дисперсных грунтов путем синтеза неорганических вяжущих. Л., 1989.
4. Абросенкова В. Ф., Логинов Г. И., Ребиндер П. А. Связывание извести в гидросиликат кальция при нормальных условиях // Доклады АН СССР, 1957. Т. 115, № 3.
5. Кнатько В. М., Спасский Ф. Я., Беглецов В. В., Безрук В. М., Морозов С. С. Физико-химическая механика как основа дальнейшего развития комплексных методов укрепления грунтов и вопросы экономической целесообразности применения этих методов / Сб. трудов «Исследования по укреплению грунтов для аэродромного строительства». Л. 1968. Вып. № 30.
6. Кострико М. Т. Вопросы гидрофобизации грунтов Л. 1957.
7. Цуцкарев В. П., Кнатько В. М. А. с. № 130412 Способ укрепления связного грунта // Бюлл. № 14, М., 1960.
8. Эйзлер П. П., Бегункова Н. И., Захаров В. А. и др. Вяжущие для дорожных и гидроизоляционных работ, а. с. № 629286. 1969.
9. Укрепление грунтов методом «Геокомпозит» // Стройпрофиль, 2006. № 31 (49).
10. Эйзлер П. П., Бегункова Н. И, Никишина М. Ф. Дорожная эмульсия, а. с. № 726141. 1970.
11. Кнатько В. М., Макарова Л. А., Антонов Ю. А., Беглецов В. В. А. с. № 193649 Способ активирования кислых битумных эмульсий // Бюлл., 1967. № 7.
12. Кнатько В. М., Макарова Л. А., Антонов Ю. А., Беглецов В. В. А. с. № 210992 Кислая битумная эмульсия для обработки кислых минеральных смесей // Бюлл., 1968. № 7
13. Кнатько В. М., Беглецов В. В., Паршаков В. Е., Бляхман Е. М. А. с. № 338538 Катионактивная эмульсия // Бюлл., 1972. № 16.
14. Волков С. А. Влияние динамических нагрузок на прочность и реологическое поведение твердых тел (о механизмах самоорганизации структур дефектов кристаллической решетки в зонах деформаций) // Синергетика и методы науки. СПб., 1998.
15. Волков С. А., Фадеев А. С. А. с. № 1317088 Устройство для образования скважин с уширениями, уплотнениями стенок // Бюлл., 1987. № 22.
16. Акопов В. А., Бакашев Н. А., Кнатько В. М. и др. Противофильтрационная композиция. А. с. № 1286677 // Бюлл. 1986
