CC BY
17
УДК 624.138
ПРИМЕНЕНИЕ ИНЪЕКЦИОННЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ КОЛЛОИДНОГО КРЕМНЕЗЁМА ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ПЛЫВУННЫХ ГРУНТОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
К.А. Исрафилов*, И.Я. Харченко*, А.И. Харченко** *Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет г. Москва
**ООО «Научно-инженерный центр подземных сооружений» г. Москва
Аннотация.
Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния различных активаторов и технологических факторов на развитие процессов агрегации инъекционных смесей на основе коллоидного кремнезема, а также приведены результаты исследований по стабилизации и упрочнению водонасыщенных грунтов различного типа.
Ключевые слова.
Плывунные грунты, инъекционные смеси, коллоидный кремнезём, минеральные вяжущие, консолидация. История статьи: Дата поступления в редакцию 15.07.21
Дата принятия к печати 19.07.21
о
Сй
1-
и
.0
с;
ш
1-
О
а
1-
и
О
г
м
О
-1
м
Э
СО
Введение
Значительная часть подземных сооружений в Москве и Санкт-Петербурге возводится в усло- о
виях водоносных песчаных пород, склонных к проявлению плывунных свойств. Под плывунностью ^
подразумевают способность водонасыщенных дисперсных грунтов переходить в подвижное состо- у щ
а и
яние. При этом различают «истинные» плывуны и «псевдоплывуны». К «псевдоплывунам» относят ^ о
X 1
водонасыщенные пески, переход которых в плывунное состояние связан с наличием гидродинами- , о
ческого давления поровой воды. «Истинные» плывуны представляют собой песчаные водонасы- ^ ге
щенные грунты, которые содержат коллоидные частицы, обусловливающие большую подвижность О
и обратимость их слабосвязанной структуры, т.е. проявляют тиксотропные свойства при динами- ^ ^
ческих или вибрационных воздействиях, под влиянием которых нарушаются конденсационно-ко- ш ^
агуляционные структурные связи. Следствием этого является вынос значительных масс водона- ^ 2
сыщенного грунта в объём разрабатываемых подземных сооружений (тоннелей или котлованов), X
сопровождающихся развитием аварийных ситуаций, значительных осадочных деформаций зданий ^ §
и сооружений, находящихся в зоне влияния строительства. , X
со и
В настоящее время, в качестве основных мероприятий, обеспечивающих строительство под- о £
земных сооружений в условиях плывунных грунтов, применяется водопонижение или их инъекционное закрепление с применением смол или жидкого стекла [3]. Однако анализ результатов
с;
5
е!
< х
многолетнего опыта применения инъекционных систем на основе смол и жидкого стекла, показал ^ ®
их низкую эффективность, а применение водопонижения нецелесообразно в связи низкой водоот- ^ 2
дачей грунтов. В этой связи, наиболее надёжным способом «борьбы» с грунтами плывунного типа, ^ о,
является их искусственное замораживание. Однако искусственное замораживание грунтов рассматривается только в качестве временного мероприятия и является дорогостоящим и трудно исполнимым технологическим процессом.
На основании вышеизложенного, учитывая высокую актуальность и практическую значимость проблемы, связанной с обеспечением безаварийного строительства подземных сооружений в условиях плывунных грунтов, нами разработана и освоена технология стабилизации и упрочнения плывунных грунтов с применением инъекционных смесей на основе коллоидного кремнезёма.
Теоретические основы
Применение инъекционных методов с целью консолидации, уплотнения и упрочнения грунтов ограничивается размером зернового состава минеральных вяжущих, препятствующих распределению инъекционных систем в капиллярно-пористой структуре грунтов различного вида, либо ускоренным загустеванием инъекционных смесей после их приготовления. Оба эти фактора явились предметом исследования при разработке и применении инъекционных смесей на основе коллоидного кремнезёма [2].
Известно, что в химии силикатов, а также в химии растворов силикатов результат химического взаимодействия трудно свести только к ряду химических реакций в привычном формульном выражении. С одной стороны, это обусловлено сложным и иногда неустойчивым во времени полимерным составом раствора, который формально характеризуют силикатным модулем. С другой стороны, физико-химические процессы, сопровождающие взаимодействие компонентов, развиваются в условиях некристаллического аморфного состояния продуктов реакции. Обычно они имеют нестехиометрический состав и развитую поверхность. Определяющую роль, в этом случае, играют адсорбционные явления [5].
В этой связи, отличить адсорбцию от химических реакций не представляется возможным, либо крайне затруднительно даже с применением современных методов физико-химических исследований. Другой особенностью химии растворов силикатов является то обстоятельство, что результат взаимодействия реагентов зависит не только от их химической природы, но и от ряда таких технологических факторов как порядка смешения компонентов, их начальной концентрации, интенсивности и продолжительности перемешивания, температуры и т.д. Эти факторы оказывают существенное влияние на развитие процессов гелеобразования на границе взаимодействия смешиваемых компонентов.
Поэтому различные технологические приемы, используемые при обеспечении взаимодействия реагентов, могут играть решающую роль в создании инъекционных систем с заданными свойствами. Такими технологическими приемами, помимо перемешивания, могут быть предварительное растворение реагентов в воде; их диспергирование; проведение гетерогенной реакции при непрерывном обновлении поверхности (например, в шаровой мельнице); растворение различных исходных реагентов в двух несмешивающихся растворителях с последующим эмульгированием и т. п. Реализация тех или иных технологических приёмов, оказывающих влияние на развитие этих реакций, является достаточно громоздким мероприятием и носит эмпирических характер, анализ результатов которых не позволяет установить общие закономерности и сводится, в конечном итоге, к фиксированию бесконечного множества фактов. В данной работе предпринята попытка анализа результатов взаимодействия растворов силикатов с различными реагентами с целью установить основные закономерности изменения вязкости, агрегации и структурной прочности продуктов взаимодействия для стабилизации и упрочнения структуры неустойчивых водонасыщенных грунтов плывунного типа.
Результаты экспериментальных исследований
Коллоидный кремнезём представлен суспензией кремнезёма в жидкой среде, в которой размеры частиц кремнезёма находятся в коллоидной области. При этом следует подразделять несколько видов агрегации частиц коллоидного кремнезёма: гелеобразование, коагуляцию и флокуляцию. Гелеобразование заключается в образовании цепочек (сеток) из связанных между собой частиц кремнезема. При этом, концентрация кремнезема остается постоянной по всему объему золя. Золи из мелких частиц обычно сохраняют свою прозрачность, но характеризуются нарастающей во времени вязкостью. Заканчивается процесс полным структурированием и потерей подвижности. На ранних стадиях гелеобразования взаимодействие частиц носит обратимый характер и возможна пептизация геля, но образование силоксановых связей между частицами делает структурирование необратимым [1].
При коагуляции происходит неупорядоченное агрегирование частиц кремнезема с характерным объединением частиц в более или менее крупные рыхлые агрегаты, что приводит к потере прозрачности и постепенной седиментации агрегатов. Флокуляция — это неупорядоченная агрегация частиц с участием сшивающих агентов, образующих мостики между частицами.
Результаты исследования влияния различных активаторов на развитие процессов агрегации инъекционной смеси на основе коллоидного кремнезёма представлены на рис. 1.
200
150
100
в?
й 50
10
42^
14 >
0 2 1,8 1,67 1,6 1,5 1,3
Объемное соотношение активатора к коллоидному кремнезёму
Рис. 1. Влияние различных активаторов на сроки агрегации инъекционной смеси на основе коллоидного кремнезём: 1 — активатор на основе лимонной кислоты; 2 — активатор на основе уксусной кислоты; 3 — активатор на основе щавелевой кислоты.
При этом установлено, что наиболее эффективным активатором является водный раствор щавелевой кислоты.
С целью исследования влияния режимов приготовления инъекционных смесей на основе коллоидного кремнезёма выполнялось при различной интенсивности и продолжительности перемешивания, результаты представлены на рис.2.
г
м О
-I
м
Э СО
о *
ш .
у <и
а и
< ?
х 15
* л < £
Щ
и щ
и X
I I
о
X
<и А х
5
О *
X ш У
о.
<
х
Сй
О
с;
е?
< I
а (и и I
* 1
< и
* с
Рис. 2. Влияние интенсивности перемешивания на сроки агрегации инъекционной смеси на основе коллоидного кремнезёма. (интенсивность перемешивания 1000 об/мин;
Результаты исследования влияния инъекционной смеси, на основе коллоидного кремнезёма, на стабилизацию и упрочнение водонасыщенных грунтов различного вида, представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты исследования влияния инъекционных смесей на стабилизацию и упрочнение различного вида грунтов
№ Тип грунта Прочность при сжатии (МПа) при различных количествах инъекционной смеси в структуре грунта (л/куб.м)
100 200 300 400 500 600
1 Водонасыщенный ил - 0,1 0,22 0,48 0,53 0,50
2 Водонасыщенная супесь 0,1 0,21 0,40 0,46 0,64 0,62
3 Водонасыщенный мелкий песок 0,15 0,36 0,85 1,15 1,21 1,25
Как показывает анализ результатов выполненных исследований, для обеспечения устойчивой стабилизации водонасыщенного илистого грунта, расход инъекционной смеси на основе коллоидного кремнезёма должен быть не мене 400 л/куб.м закрепляемого грунта. Увеличение расхода инъекционной смеси более 500 л/куб.м не сопровождается увеличением прочности закрепляемого грунта. Это связано с тем, что стабилизация и упрочнение структурны водонасыщенного илистого грунта обусловлена химическим и физико-химическим связыванием свободной воды продуктами, сопровождающими развитие процесса агрегации коллоидного кремнезёма. Дальнейшее увеличение расхода коллоидного кремнезёма в составе илистого грунта является избыточным [4]. При стабилизации и упрочнения неустойчивых водонасыщенных грунтов в виде водонасыщенной супеси и мелкого песка, расход инъекционной смеси может быть увеличен до 600 л/куб.м, что объясняется не только связыванием свободной межзерновой воды, но и коагуляционным сцеплением отдельных зёрен грунта образующимися продуктами, сопровождающими развитие процесса коагуляции инъекционной смеси на основе коллоидного кремнезёма.
Выводы
Установлено, что инъекционные смеси на основе коллоидного кремнезёма могут найти эффективное применение при стабилизации структуры и упрочнении грунтов плывунного типа, как альтернатива их искусственному замораживанию, являющимся в настоящее время основным методом их стабилизации.
Наиболее эффективным активатором структурообразования инъекционной смеси на основе коллоидного кремнезема является раствор щавелевой кислоты. При интенсивности перемешивания компонентов 1000 об/мин, сроки агрегации инъекционной смеси, на основе коллоидного кремнезёма, могут изменяться в интервале от 5 до 200 мин в зависимости от длительности перемешивания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Харун М.И., Коротеев Д.Д., Окольникова Г.Э. Модифицированный грунт для строительства гражданских сооружений // Системные технологии, 2017. № 2 (23). С. 56-61.
2. Баженова О.Ю., Баженова С.И., Баженов М.И. Исследование некоторых свойств цементов с тонкодисперсной добавкой // Молодой ученый. 2013. № 10. С. 96-97.
3. Kozlova I.V., Bespalov A.E., Zemskova O.V. Modified composition for fixing sandy soils // Materials Science Forum. 2020. Т. 992 MSF. С. 143-148.
4. Fatiha Bouchelaghem. Multi-scale modelling of the permeability evolution of fine sands during cement suspension grouting with filtration// Computers and Geotechnics, Volume 36, Issue 6, July 2009, Pages 1058-1071. DOI: 10.1016/j.compgeo.2009.03.016.
5. F. Bouchelaghem, A. Benhamida, H. Dumontet. Mechanical damage behaviour of an injected sand by periodic homogenization method// Computational Materials Science, Volume 38, Issue 3, January 2007, Pages 473-481. DOI: 10.1016/j.commatsci.2005.12.044.
6. Нахаев М.Р., Муртазаев С.А.Ю., Абуханов А.З., Касумов М.М. Инъекционное закрепление структурно-неустойчивых грунтов специальными составами // В сборнике: Актуальные проблемы современной строительной науки и образования. Материалы всероссийской научно-практической конференции. 2017. С. 105-109.
7. Experimental study of the modified high-strength coarse-grained concrete / G. E. Okolnikova, G. E. Grishin, A. K. Kurbanmagomedov, D. A. Bronnikov. // Системные технологии. — 2019. — № 31. — С. 25-31.
8. Раджабов, З. Р. Расчет вязкоупругих свойств слоистых органопластиков / З. Р. Раджабов, А. К. Курбанма-гомедов. // Системные технологии. — 2016. — № 20. — С. 101-104.
9. External impacts on structure and relaxation properties of thermotropic liquid crystal copolyester / G. S. Zhukova, Z. R. Radjabov, A. K. Kurbanmagomedov, G. V. Boykova. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 3, Applied and Fundamental Research Dedicated to the 75th Anniversary of Professor Abdul-Hamid Mahmoudovich Bisliyev. — Grozny : IOP Publishing Ltd, 2020.
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
К.А. Исрафилов, И.Я. Харченко, А.И. Харченко. Применение инъекционных смесей на основе коллоидного кремнезёма для стабилизации плывунных грунтов при строительстве подземных сооружений. — Системные технологии. — 2021. — № 40. — С. 9—14.
THE USE OF INJECTION MIXTURES BASED ON COLLOIDAL SILICA TO STABILIZE QUICKSAND SOILS IN THE CONSTRUCTION OF UNDERGROUND STRUCTURES
K.A. Israfilov, I.YA. Kharchenko, A.I. Kharchenko
National Research Moscow State University of Civil Engineering, Moscow
*** LLC "Scientific and Engineering Center of Underground Structures", Moscow
z
м О
-I
м
D CD
0 *
1 . ш .
У <u
£L Ш < ?
X 15 < S
>s
(U и (U
s
и X
i i о s J X (U fi X
s
о *
X Ш У
Q.
<
X
Ш
о с;
е? < i £L <U U I
* 1
< H
* с
Abstract.
The results of theoretical and experimental studies of the influence of various activators and technological factors on the development of aggregation processes of injection mixtures based on colloidal silica are presented, as well as the results of studies on the stabilization and strengthening of water-saturated soils of various types.
Key words.
Quick-flow soils, injection mixtures, colloidal silica, mineral binders, consolidation.
Date of receipt in edition: 15.07.21 Date o f acceptance for printing: 19.07.21
УДК 693.55
ПРИМЕНЕНИЕ САМОУПЛОТНЯЮЩИХСЯ БЕТОНОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ МОНОЛИТНЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В РФ
И.В. Соргутов, П.Ю. Иванов, О.В. Крюкова
Пермский государственный аграрно-технологический университет имени академика Д.Н. Прянишникова
Аннотация.
В современный период ежегодно растут объемы использования самоуплотняющихся бетонов при возведении монолитных зданий и сооружений. Самоуплотняющийся бетон — революционное явление в технологии производства бетона. Самоуплотняющийся бетон был разработан в Японии в конце 1980-х гг. с целью компенсации набирающего силу дефицита квалифицированной рабочей силы на участке укладки и уплотнения бетона. Профессором Х. Окамурой было создано новое поколение суперпластифици-рующих добавок к бетону на основе полиакрилата и поликарбоксилата для повышения текучести бетонной смеси. Х. Окамура создал бетон, имеющий высокую степень подвижности и низкое содержание воды. В 1990-х гг. самоуплотняющийся бетон стал интенсивно исследоваться учеными Западной Европы. В литературе присутствует множество определений самоуплотняющегося бетона, но суть их одна и заключается в следующем — это бетон, способный без воздействия на него дополнительной внешней энергии самостоятельно под собственным весом растекаться, сохраняя свою однородность, а также гарантируя полное уплотнение, заполнение опалубочной формы и инкапсуляцию всех арматурных стержней и закладных деталей. Преимуществами использования самоуплотняющихся бетонов являются снижение сроков строительства; снижение объемов использования трудовых ресурсов; повышение долговечности; свобода в дизайне; возведение конструкций различной конфигурации; уменьшение уровня шума, безопасные условия труда персонала. Статья посвящена возможностям использования и изучению свойств самоуплотняющихся бетонов российскими исследователями.
Ключевые слова.
Самоуплотняющиеся бетоны, пластифицирующие добавки, прочность, заполнитель, эластичность, усадка, проницаемость, монолитное строительство, долговечность бетона, опалубка.
История статьи: Дата поступления в редакцию 11.08.21
Дата принятия к печати 15.08.21
