CC BY
45УДК 658.012:625
НОВЫЕ НЪЕКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВЫХ МАССИВОВ И РЕМОНТА БЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Молчанов Виктор Сергеевич.
Новосибирск, ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)», профессор кафедры «Инженерная геология, основания и фундаменты», molchanov051@mail.ru.
Аннотация. Статья посвящена вопросам использования и оценке эффективности различных составов для инъекционного закрепления грунтов и ремонта бетонных конструкций подземных и заглубленных сооружений.
Ключевые слова: инъектирование, герметики, супермелкие цементы, полимерные композиции, гидроструктурные смолы.
NEW INJECTION MATERIALS FOR STRENGTHENING GROUND MASSIVES AND CONCRETE STRUCTURES REPAIRING
Molchanov Viktor Sergeevich.
Novosibirsk, Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering, Professor of the Engineering Geology, Foundations and Foundations Department, molchanov051 @mail.ru.
Abstract. The article is devoted to the issues of using and evaluating the effectiveness of various compositions for injecting ground fixing and repairing concrete structures of underground and buried structures.
Key words: injection, sealants, super fine cements, polymer compositions, hydrostructural resins.
Проблема обеспечения надежной гидроизоляции и антикоррозионной стойкости конструкций подземных сооружений обостряется при их заложении в агрессивных средах ниже уровня грунтовых вод (в условиях действия гидростатического напора).
К материалам для закрепления заобделочного грунтового массива методом инъектирования предъявляются следующие требования: способность к инъектированию, сохранение однородности структуры и непроницаемости в условиях напорной воды; достаточность адгезии с влажными основаниями из бетона, термопластичных и эластичных материалов; хорошие проникающие и пенетрирующие свойства (низкая вязкость); управляемость скорости распространения в массивах; безопасность для питьевой воды и грунтовых вод. Материалы, применяемые для ремонта конструктивных элементов, должны обладать свойствами: иметь прочностные, другие физические характеристики не ниже материалов основной конструкции, или образовывать материалы с такими качествами совместно с конструктивными материалами; включаться в
статическую и динамическую работу с учетом особенностей работы основной конструкции; обладать высокой надежностью, в том числе долговечностью и ремонтопригодностью; быть экологически безопасными. Эти вопросы нашли отражение в печатных работах [1.. .4].
Строительные и ремонтно-восстановительные материалы по своему назначению подразделяют на: добавки в бетон и строительные растворы; композиции для защиты и ремонта бетона; герметики для инъектирования в грунтовый массив и бетон, эластичные конструкционные клеи и анкеровочные составы; мембраны, обмазки, пропитки для гидроизоляции и антикоррозионной защиты на основе органических компонентов (рис. 1).
Рис. 1. Виды материалов для комплексной защиты конструкций
Полимерная органо-минералъная композиция, разработанная Институтом химии высокомолекулярных соединений, была применена при упрочнении неустойчивых зон грунтов тектонически нарушенных зон при проходке Северомуйского тоннеля; базируется на использовании полиизоцианата (ПИЦ) марки «Д» и жидкого стекла типа «А», взаимодействие между которыми регулируется введением олигоэфиракрилата. Кроме того, могут быть использованы ускорители полимеризации УП 606/2; полиизоцианата-пропиленкарбонат (ПК), разработанный лабораторией СТ БАМ ЦНИИС. ИХВС совместно с лабораторией УМ Бамтоннельстроя была также разработана композиция «Монолит-3», применяемая совместно с пропиленкарбонатом в качестве растворителя. Готовят композицию смешением компонентов «А» и «В» в равных объемах. Компонент «А» представляет собой раствор полиизоцианата в пропиленкарбонате, компонент «В» - водный раствор жидкого стекла плотностью 1,39 г/см с добавкой пластификатора СДБ до 1 г/л. Применение растворителя полиизоцианата пропиленкарбоната позволяет уменьшить вязкость компонентов в 2,5.3 раза по сравнению с олигоэфиракрилатом.
Применение современных материалов на основе полимеров позволяет комплексно решать вопросы повышения устойчивости грунтовых массивов, ремонта, упрочнения усиления и восстановления разрушенных в результате коррозии и эксплуатационной перегрузки железобетонных конструкций; повышения водонепроницаемости (вплоть до полной гидроизоляции) и коррозионной стойкости конструкций; защиты бетонных и железобетонных конструкций подземных сооружений от карбонизации, хлоридов и других агрессивных воздействий, как на этапе строительства, так и при эксплуатации объектов, обеспечить их долговременную работу.
Для тампонирования в целях заполнения пор и трещин, а также стабилизации грунтов в настоящее время стали применять супермелкие цементы (в том числе с включением в их состав наночастиц), высокореактивные химические гротинговые растворы на основе полиуретанов, акрилатов и эпоксидных составов.
Значительных изменений свойств бетона можно достигнуть его пропиткой специальными полимерными составами (мономерами и олигомерами), то есть созданием бетонополимеров. Бетонополимеры - это конгломераты цементных бетонов и полимерных композиций (мономеров и олигомеров), которые в результате полимеризации в поровой структуре бетона изменяют структуру и существенно повышают его плотность, прочность, коррозионную стойкость, долговечность и другие свойства. При этом можно обрабатывать либо весь объем конструкции, либо только его поверхность или отдельные зоны изделия с целью придания им необходимых свойств. Полимер, проникая внутрь тела бетона, заполняет поры и как бы склеивает дефекты структуры цементного камня, заполнителя и контактной зоны, образуя новые связи между компонентами бетона, повышая сопротивление конструкции нагрузке, трещиностойкость, газо- и водонепроницаемость. То есть полимер образует своеобразное дисперсное армирование особого рода, существенно повышая характеристики бетона. Так, прочность сцепления цементного раствора с гранитом и известняком повышается с 1.. .2 МПа в обычном бетоне до 8.. .9 в полимербетоне (табл. 1).
Таблица 1
Характеристики бетонополимера в сравнении с цементобетоном
№ п/п Наименование характеристики Цементобетон Бетонополимер
1 Предел прочности, МПа, при:
сжатии 30...50 100.200
растяжении 2...3 6.19
изгибе 5.6 14.28
2 Модуль упругости при сжатии, МПа 2,5х104...3,5х104 3,5х104.5х104
3 Предельная деформация при сжатии 0,001 0,002
№ п/п Наименование характеристики Цементобетон Бетонополимер
4 Прочность сцепления с арматурой, МПа 1...2 10.18
5 Деформации усадки 50х10-5 0...5х10-5
6 Деформации ползучести 40х10-5...60х10-5 6х10-5...8х10-5
7 Электрическое сопротивление, Ом 105 1014
8 Водопоглощение, % 3.5 0,01
9 Морозостойкость, циклы 200 1000
10 Коррозионная стойкость к сульфатам и кислотам недостаточная высокая
Использование полимеров в системах усиления бетона снижает материалоемкость систем усиления и обеспечивает эффективную антикоррозионную защиту (табл. 2).
Таблица 2
Свойства, приобретаемые бетоном при использовании полимерных композиций
Свойства бетонополимера Технология
- непроницаемость (вода, хлориды, соли); - «лечение трещин», упрочнение пропитываемых конструкций; - повышение трещиноустойчивости - устойчивость к ударным и знакопеременным нагрузкам; - морозостойкость более ^400, - водонепроницаемость более W20. - водопоглощение 0,03 %. - снижение истираемости; - полное обеспыливание; - устойчивость к агрессивным средам; - негорючесть покрытия - температура нанесения: от -20 до +60 оС; температура эксплуатации: от -60 до +100 оС; - время полимеризации 2-12 ч.; - время отверждения 2-5 сут.; - адгезия к бетону не менее 3,2 МПа; - наносят кистями, валиками и пульверизаторами до полного насыщения; - глубина пропитки: кистью 0,5-15 мм; методом глубокого инъецирования 15-50 мм; при инъецировании методом инъекции под давлением - до сквозного проникания
Одними из эффективных и перспективных материалов, предназначенных для ремонта, возобновления и усиления железобетонных элементов являются полимерные композиции [1...4]: эпоксидные, полиуретановые, полиэфирные, использование которых основано на обеспечении высокой адгезии за счет проникновения частиц покрытия в материал конструкции при нанесении полимерного покрытия. При нанесении эпоксидных композиций образуется двухслойное покрытие из эпоксидной смолы и затвердителя; полиуретановых - из полиизоцината и полиоля; полиэфирных - из полиэфира и стирола.
Среди полимеров следует выделить полиуретаны, получаемые в результате реакции соединения многоатомых спиртов и изоционатов.
Различают две группы продуктов: полиуретановые эластомерные смолы (PUR) и пены (SPUR). Эластомерные смолы на полиуретановой основе позволяют герметизировать стыки и трещины на длительный срок независимо от влажности. Долговечность эластичными смолами низкой вязкости, образующими поры и не содержащими растворителей, обеспечивается на срок до 100 лет. При их использовании наличие влаги в стыках подземных конструкций приводит к побочной реакции, сопровождающейся выделением двуокиси углерода и образованием воздушных пор в матрице смолы. В результате получается эластичное заполнение стыков с закрыто-пористой структурой. Скорость протекания реакции можно регулировать введением катализаторов.
Качество заполнения зависит от исходной вязкости смолы. С помощью низковязких эластичных смол (менее 100 мПа-с) можно заполнять трещины раскрытием от 0,01 м. Для обеспечения их наибольшего проникания рекомендуется использовать оборудование раздельного двухкомпонентного нагнетания с обеспечением их смешивания на входе в трещину или стык конструкции. При значительных водопритоках вначале применяют пены, которые в короткий срок (несколько сек.) образуют тонко-ячеистую открыто-пористую пену с большим увеличением объема. После остановки притока воды выполняют основное нагнетание эластомерных смол для обеспечения длительной герметизации тоннеля. Основанием для определения эффективности инъектирования является вид поверхности обделки (сухая, влажная или обводненная) и (в исключительных случаях) - испытание выбуриваемых кернов из бетона обделки.
Полиуретановые эластомерные смолы для герметизации водопроницаемых конструкций должны отвечать требованиям: вязкость менее 100 мПа-с; твердение в условиях обводнения; срок твердения при однокомпонентной схеме нагнетания более 20 мин.; эластичность при эксплуатационных температурах, обеспечивающая деформации растяжения не менее 100%; допустимость инъектирования в сочетании с эластомерной пеной при сильном водопритоке; экологическая безопасность составов. Таким требованиям отвечают полиуретановые инъекционные смолы MC-Inject 2300 NV и MC-Inject 2300 plus компании MS-Bauchemie.
Альтернативой эластомерным являются гидроструктурные смолы, которые могут заполнять трещины раскрытием менее 0,1 мм и, согласно международному опыту, во многих случаях оказываются предпочтительней эластомерных смол. Гидроструктурные смолы на акрилатной основе образуют полимеризацией смеси акрилатных мономеров с раствором инициатора с образованием мягкого эластичного геля, имеющего вязкость от 5 до 30 мПа-с и деформируемость без набухания до 300 % и более. Распространение смолы ограничивается скоростью реакции компонентов (10-15 мин.). Поскольку продукт реагирует на изменение влажности окружающей среды (набухание или усадка), для обеспечения постоянства его объема должна обеспечиваться постоянство характеристик среды, начиная с водородного показателя (pH) от нейтральной до ограниченно
щелочной. После окончания реакции гидроструктурные смолы водонепроницаемы.
В практике тоннелестроения используют гидроструктурные смолы MC-Inject GL 95 с вязкостью около 5 мПа-с и полимермодифицированную гидроструктурную смолу MC-Inject GL 95TX с вязкостью 30 мПа-с. Эффективность инъекционной герметизации, наряду с выбором конкретного инъекционного материала, зависит от применяемой технологии, соблюдения технологических параметров, квалификации персонала и контроля качества выполняемых работ.
Выводы. Применение полимерных композиций для закрепления слабых и неустойчивых грунтов в заобделочном пространстве, ремонта и восстановления конструкций, имеет явные преимущества по сравнению с традиционными материалами. Это позволяет резко сократить затраты трудовых ресурсов и сроков выполнения работ. Особенно важно, что некоторые виды работ с использованием новых материалов и технологий можно выполнять в эксплуатируемых тоннелях без закрытия движения на долгий (от нескольких месяцев до нескольких лет) период. Наряду с инъекционными укрепляющими составами в настоящее время применяются различные гидроизоляционные покрытия и мастики. Однако, большое разнообразие эксплуатационных сред (инженерно-геологических и гидрогеологических условий), конструкций обделок, режимов эксплуатации тоннельных сооружений не дает возможности создания универсального состава для обеспечения и гидроизоляции, и антикоррозионной стойкости, и долговечности. Поскольку материалы и по составу, и по свойствам отличаются между собой, то нередко даже обладающие отличными противокоррозионными и кислотоупорными характеристиками, в конкретных условиях оказываются недостаточно эффективными и быстро разрушаются, в связи с чем выбор оптимального состава должен осуществляться на основе исследований условий его применения и натурных испытаний.
Библиографический список:
1. Мацегора А.Г., Котзиан И.И. Растворы для инъекционного упрочнения грунтов / Методы искусственной стабилизации грунтов при строительстве Северомуйского тоннеля. Сборник научных трудов. - М., 1990. - С. 42-53.
2. Смолянинов М.Ю. Усиления железобетонных элементов, которые испытывают изгиб, акриловым полiмеррозчином // Ресурсоекономни материалы, конструкции, здания и сооружения: Сб. науч. трудов. Вып. 12. - Ровно: Изд-во РДТУ, 2004. - С. 432-439.
3. Веселовский Д.Р., Савицкий Н.В., Веселовский Р.А. Основные принципы создания мономеров для пропитки бетона: Сб. научных трудов ПГАСА, г. Днепропетровск, 2006.
4. Машкин Н.А., Молчанов В.С. Материалы и технологии закрепления грунтовых массивов, оснований и откосов: учебное пособие. - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2016. - 140 с.
