CC BY
4
Совершенствование технологии тампонажа закрепных пустот
Д. А. Леонова
Национальный исследовательский Московский государственный строительный
университет
Аннотация: Способом закрепления грунтов является инъекционное заполнение пустот, которое производят вяжущими материалами - цементами, глинами, битумами и т.д., а в качестве инертных наполнителей используют песок, опилки, суглинки, суспензии. Улучшить качество цементных композитных растворов можно за счет использования армирующих добавок, что в последующем обеспечит высокую степень надежности, безопасную эксплуатацию объектов. В работе рассмотрена возможность вовлечения нанодобавок в тампонажные композиции, такие, как алюмосиликаты, в частности, бемит. Проведены исследования процессов твердения композитных растворов в присутствии бентонита марки П1Т1 с различным содержанием бемита. Определена концентрация бемита, при которой скорость твердения композитного раствора максимальна. С целью цементосбережения исследовали влияние поверхностно-активного вещества на прочность композитного раствора. Установлено, что 20% введение поверхностно-активного вещества в композитные раствор дает прочность, практически совпадающую с нулевым образцом.
Ключевые слова: безопасная эксплуатация, тампонажные композиции, бемит, поверхностно-активные вещества, прочность, структурообразование, оптимальная концентрация, наносистема, модификатор, цемент.
Давно известна технология закрепления грунтов - инъекционное заполнение пустот. Данная рецептура позволяет сокращать притоки воды в выработку, увеличивать стойкость массива и обеспечивать высокую степень надежности и безопасную эксплуатацию, а также предотвращать угрозу разрушения, тяжелые экологические последствия, людские потери и тот ущерб, который может оказаться больше, чем затраты на строительство. Закрепление обводненных пород производят вяжущими материалами -цементами, глинами, битумами, а в качестве инертных наполнителей используют песок, опилки, суглинки, супеси и др. [1]. Формирование высококачественной структуры цементных бетонов решит задачу стабилизации грунта, которая определяется свойствами вяжущего (химического, и фазово-минералогического состава, тонкости помола, активности) и наполнителя (размер зерен, гранулометрический состав). Для
достижения необходимого результата (укрепления грунтов) могут использоваться мелкодисперсные цементы, силикатные и полимерные смолы, в том числе вспененные. Трансформация цементных систем поверхностно-активными веществами (ПАВ) считается одним из наиболее действенных направлений химизации в современном строительстве. Введение ПАВ благоприятно воздействует на составление структуры и технологические качества раствора: крепость, деформируемость, долговечность. Подобное воздействие позволяет им быть модификаторами цементных композитов. Однако введение ПАВ в композитный раствор уменьшает прочность цементного камня (что обусловлено слоем, непосредственно связанным с гидратирующейся поверхностью), но уменьшает расход цемента [2].
Внедрение нанотехнологий позволило поднять строительную отрасль на новую ступень развития. Б.В. Гусевым установлено, что введение наночастиц в бетон увеличивает устойчивость к агрессивным средам и механическим воздействиям [3, 4].
Улучшить качество цементных композитных растворов можно за счет использования армирующих добавок, с различными механизмами действия. Это может быть аллотропная модификация углерода- углеродные нанотрубки (УНТ). Такие модификаторы в растворе меняют структуру, формируют новообразования кристаллогидратов, улучшают механические показатели. Образование кристаллогидратов ускоряется, и также увеличивается скорость роста прочности цементного камня. Использование таких нанотрубок [3] приведет к увеличению прочности. Так, внедрение нанотрубок с длиной от одного до пятнадцати микрометров и внешним диаметром от десяти до пятнадцати нанометров в количестве 0,006% приводило к существенному увеличению прочности [3].
И.А. Пудовым изучены механизмы взаимодействия УНТ в водном растворе ПАВ [5].
Был предложен способ тонкого измельчения УНТ, что в дальнейшем обеспечивало повышение рабочих качеств бетона. Данная методика тонкого дробления УНТ в водном растворе ПАВ основана на эффекте гидродинамической кавитации и диспергирования УНТ. Данный процесс осуществляется в роторных смесителях, обладающих высокоскоростными характеристиками.
Иногда ПАВ измельчают вместе с цементом и другими вяжущими. ПАВ покрывают эти составные элементы слоем молекул, что приводит к локализации электрических зарядов на поверхности частиц, и понижению поверхностной энергии разрушаемого тела. Прекращается налипание материала на мелющие тела и пропадает эффект склеивания небольших элементов в более крупные частицы. Т.е. ПАВ являются хорошими диспергаторами [6, 7].
Целью настоящей работы является создание инъекционного вспененного раствора, модифицированного бентонитом, устойчивого к водоотделению, имеющего достаточную прочность и низкий коэффициент фильтрации. Его использование даст высокую степень безопасности при эксплуатации построенных объектов.
На первом этапе согласно [2, 7] были разработаны вспененные инъекционные композитные растворы на основе бентонита-аскангель (Грузия) и стабилизатора. В качестве пенообразователя было выбрано неионогенное поверхностно-активное вещество 0П-10, стабилизатор -щелочная модификация крахмала. Отрицательным свойством разработанной технологии являлась недостаточная прочность. Внедрение ПАВ и стабилизатора в КР уменьшило прочность приблизительно на 30%, по сравнению с контрольным образцом [2].
На втором этапе проводили исследования с инъекционными вспененными растворами на основе нанодобавок. В качестве последних, использовали бемит. Ранее проводились исследования по влиянию бемита на прочность композитных растворов [7 - 9].
Методы и материалы
Резюмируя результаты ранее проведенных исследований, проанализировали возможность использования бемита в качестве модификатора композитного раствора (КР). Структурные характеристики бемита в таблице №1. Он является побочным продуктом технологии получения водорода способом гидротермального синтеза. Бемит -оксигидроксид алюминия, общая формула AЮОН [10].
В растворе также использовались: цемент, бентонит, жидкое стекло. Водоцементное соотношении в 2:1. Марка цемента - М500, марка бентонита-П1Т1А, марка жидкого стекла- "ТЕКС", изготовлено по ГОСТ 13078-81.
Таблица №1
Структурные характеристики бемита
Общая формула оксигидроксидалюминия АЮОН
Активная удельная поверхность 55,90м2/г
Пористость 30 %
Расчетный размер кристаллитов ^иПРго1") 10нм
Размер частиц (ФЭК) 250 нм
Морфоструктурный тип 3D
Для определения данных характеристик использовали метод БЭТ. Бемит представляет собой орторомбическую кристаллическую структуру с элементарными ячейками: а = 2.87, Ь = 12.23, с = 3.70 А (рис. 1).
\ 6
ь
Рис.1. - Структура бемита: а-ОН; б-водородная связь
Вокруг иона алюминия находятся 6 ионов кислорода. Они расположены по вершинам неправильных октаэдров. Октаэдры связаны ребрами. На одной из осей октаэдры соединяются в двойные слои с водородными связями. Эти слои образуют зигзагообразные цепи. Кислородный анион, примыкающий к катиону водорода, связан с катионом
алюминия, с другой стороны он связан с тремя катионами водорода.
2 2
Достигается полное насыщение валентности иона О -. Заряд анионов О -внутри двойного слоя полностью насыщен долями валентности окружающих его четырех катионов А1 [11 - 13].
По морфоструктурной классификации наносистембемит относятся к ЗЭ-нанокристаллическому типу веществ (ЗЭ-ИКМ - нанокристаллический модификатор).
Рентгеновский анализ позволяет сделать вывод, что частицы бемита наноразмерные. Их размер 30-60 нм, размер агрегатов первичных частиц -1-3 мкм (рис. 2). Этот модификатор обладает развитой поверхностью раздела фаз. Присутствие его может привести к получению более плотной упаковки системы и будет оказывать влияние на гидратацию.
Рис. 2. - Технические характеристики бемита Методика экспериментальных работ В качестве вяжущего инъекционного раствора применяется цемент. Установлено (для цемента марки М500), что удельная поверхность 450 см /г, размер частиц от 1 до 90 мкм, а также до 88 % цемента состоят из частиц меньше 57 мкм, а около 12 % имели размер, не превышающий 2 мкм. Интегральное и дифференциальное распределение частиц по размерам цемента марки М500 представлено на рис. 3.
Кроме цемента, в составе композитного растворасодержится бентонит, назначение которого увеличение пластичности, вязкости, сопротивление к расслоению, одновременно сохраняя стабильность. Оксиды в этой глине (имеют химическое сродство с цементом) - это основа для гидравлических вяжущих веществ.
Состав бентонита П1Т1А определен методом полуколичественного рентгенофазового анализа (РФА) (табл. 2.).
Композитную систему готовили следующим образом: приготовили 5-й процентный раствор бентонита, перемешали. Далее при непрерывном перемешивании добавляли бемит, цемент, жидкое стекло. Содержание
и
бемита варьировали от 0,005% до 0,352% а жидкого стекла 10% к массе цемента [12, 14].
0.1 0.5 1 5 10 50 100
Рис. 3. - Интегральное и дифференциальное распределение частиц по размерам в образце цемента М500.
Таблица № 2
Состав бентонита П1Т1А
Кристобалит (Опал). 1-2%
Бентонит 90%
Кварц 3-4%,
Кальцит - 2-3%,
Плагиоклаз 2-3%,
Гематит 2-3%,
Монтморилонит 1-2%,
Прочностные характеристики полученных образцов определяли через 7,14 и 28 суток.
Анализ кинетики отверждения, без изменения прочности связующих композиций, был проведен на приборе Ребиндера-Гораздовского-коническом пластометре, позволяющий оценить изменение пластической прочности твердеющей массы во времени [12, 14].
В процессе испытания для каждой ступени нагружения строили графики зависимости прочности глиноцементной системы от времени хранения для различных концентраций нанотрубок к массе раствора. Было установлено, что при концентрации бемита 0,306% к массе цемента скорость набора прочности максимальна (рис.4.).
Из рис. 4 видно, что произошло повышение прочность КР на 10% при введении бемита в количестве 0,306% к массе цемента, по сравнению с образцом без добавок. Значит модификатор изменил кинетику структурообразования КР.
Прочность, Р, Мпа Л
л оя
1,20 Л ОР,
Л ол
1,24 Л ОО
Л О
1,2 Л Л Я
Л Л К
1,Ю
0 0,1 0,2 0,3 0,4
Концентрация бемита, %
Рис.4. - Прочность КР на основе бентонита марки П1Т1от концентрации
бемита к массе цемента, %
М Инженерный вестник Дона, №3 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n3y2023/8244
Произошло структурирование цементной матрицы. Образовалась плотная бездефектная оболочка по поверхности твердых фаз [3]. Вероятно, введение модификатора повысило сцепление цемента и всех составляющих с поверхностью, привело к появлению новообразований, уменьшению размера трещин, увеличению числа контактных взаимодействий, и позволило сформировать пространственные каркасные ячейки в структуре цементной матрицы, модифицированной НТ-бемитом.
На третьем этапе изучали овместное влияние ПАВ и бемита на прочностные характеристики КР на основе П1Т1А.
Готовили и вспенивали раствор на основе ПАВ.
Процесс вспенивания раствора ПАВ состоял из 2 частей: формирование структуры и старением пены, что позволяло регулировать структурные характеристики вспененных глиноцементных систем [2, 7]. Для получения раствора применяли описанную выше рецептуру, только дополнительно после добавления бемита (0,306% к массе цемента) вводили ПАВ (готовили 5 %-ую суспензию).
Таблица № 3
Прочность отвержденных образцов
Марка бентонит а Содержание ПАВ к массе раствора,%+ Прочность раствора Р, МПа
Продолжительность хранения, сутки
1 3 7 14 21 28
П1Т1А 0% 0,32 0,48 0,72 0,95 1,10 1,17
0,30% (с бемитом) 0,37 0,59 0,78 1,03 1,17 1,23
0,30% ( без бемита) 0,12 0,27 0,38 0,43 0,48 0,54
Прочность отвержденных образцов определяли по вышеуказанной методике. Результаты эксперимента приведены в таблице и на рисунке (таблица № 3, рис.5).
Анализ результатов показывает, что введение нанодобавки-бемит увеличивает прочность композитной системы. При введении бемита во вспененную систему прочность становится больше, чем без добавок.
5 10 15 20 25
Продолжительность хранения , сутки
30
0
Рис.5. Прочность композитных растворов от продолжительности хранения
при различном процентном содержании ПАВ и оптимальном содержании
бемита к массе цемента, %
1-0,30 % ПАВ к массе раствора, 0,306% бемита к массе цемента
2-0,00% без добавок ПАВ
3-0,30% ПАВ к массе раствора
Выводы: По результатам исследований установлено, что нанодобавка, используемая во вспененной композитной системе приводит к увеличению прочности и практически достигает прочности контрольного образца без добавок, что позволяет сократить расход цемента.
Оптимизация структуры и свойств композитных систем, посредством введения добавок ПАВ и модификаторов - наиболее прогрессивное направление совершенствования процесса управления свойствами
цементных композитов с высокоразвитой пространственной мелкоразмерной и малодефектной структуры.
Литература
1.Панфилова М.И., Зубрев Н.И., Леонова Д.А., Устинова М.В Наномодифицированные цементно-бентонитовые композиты // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс, 2015, № 5 (27) - с. 95-98
2. Панфилова М.И. Физико-химические свойства вспененных глиноцементных систем: автореф. дис. канд. хим. наук: 02.00.04. - Тверь, 2004- с. 23
3. Гусев Б.В. Создание новых высокоэффективных материалов-одна из основных задач инженерной науки // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, 2009, № 2- с.17-20
4. Маева И.С., Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Бурьянов А.Ф., Пустовгар А.П. Структурирование ангидритовой матрицы нанодисперсными модифицирующими добавками // Строительные материалы, 2009, № 6 - с. 4-5
5. Пудов, И.А. Наномодификация портландцемента водными дисперсиями углеродных нанотрубок: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.23.05. - Казань, 2013. - с. 22
6. Горбач, В.А. Получение нанодисперсных порошков кремнезема из природных гидротермальных растворов // Международный форум по нанотехнологиям Rusnanotech. - М., 2009. - 1 электрон. опт. диск (СD-ROM)
7. Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Бурьянов А.Ф., Кодолов В.И., Крутиков
B.А., Фишер Ф. -Б., Керене Я. Модификация поризованных цементных матриц углеродными нанотрубками // Строительные материалы. 2009. №3.
C.99-102.
8. Кожников Е.А. Оценка влияния водоцементного отношения на прочность бетона с активированным цементом // Инженерный вестник Дона, 2017, №1. URL: ivdon.ru/ magazine/archive/n1y2017/4074/
9. Дружинкин С.В. Немыкина Д.А. Влияние суперпластифицирующих добавок на прочность бетона // Инженерный вестник Дона, 2018, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/50068/
10. Фастов И.С., Фастов С.А., Стахеев А.А. Исследование и разработка алюмосиликатных наноконтейнеров как перспективных материалов в качестве катализаторов. /Научная сессия МИФИ НИЯУ-2011, №171, т.1, с.171-171
11. Назаров В.В., Павлова-Веревкина О.Б. // Синтез и коллоидно-химические свойства гидрозолей бемита // Коллоидный журнал, 1998, Т. 60, № 6 - с. 797-807
12. Панфилова М.И., Зубрев Н.И., Ефремова С.Ю., Леонова Д.А., Леонов И.А. // Композиты на основе бемита для повышения комплексной безопасности в строительстве // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс, 2018, Т. 7, № 3 (43) - с. 157-160
13. Sakka S. Hand book of sol-gel science and technology processing characterization and applications. Boston: Kluwer academic publishers, 2005. 680 p.
14. Panfilova, M., Zubrev, N., Novoselova, O., &Efremova,S. Composite grouting mortar based on 3D-NKM - nanocrystalline inoculants // MATEC Web of Conferences, P.196. doi: 10.1051/matecconf201819604061 2018
References
1. Panfilova M.I., Zubrev N.I., Leonova D.A., Ustinova M.V XXI vek: itogi proshlogo i problemy' nastoyashhego plyus, 2015, № 5 (27), pp. 95-98.
2. Panfilova M.I. Fiziko-ximicheskie svojstva vspenenny'x glinocementny'x sistem [Physico-chemical properties of foamed clay cement systems]: avtoref. dis. kand. xim. nauk: 02.00.04. Tver, 2004. p. 23
3. Gusev B.V. XXI vek: Stroiterny,ematerialy\ oborudovanie, texnologii, 2009, № 2. pp.17-20.
4. Maeva I.S., Yakovlev G.I., Pervushin G.N., Buryanov A.F., Pustovgar A.P. Stroiterny,ematerialy\ 2009, № 6, pp. 4-5.
5. Pudov, I.A. Nanomodifikaciya portlandcementa vodny'm i dispersiyami uglerodny'x nanotrubok [Nanomodification of Portland cement with aqueous dispersions of carbon nanotubes]: avtoref. dis. kand. texn. nauk: 05.23.05. Kazan, 2013. p. 22.
6. Gorbach, V.A. Poluchenie nanodispersny'x poroshkov kremnezema iz prirodnyx gidrotermaFny'x rastvorov [Preperation of nanodispersed silica powders from natural hydrothermalvsolnions]: Mezhdunarodny'j forum po nanotexnologiyam Rusnanotech. M., 2009. 1 eTektron. opt. disk (SD-ROM).
7. Yakovlev G.I., Pervushin G.N., Buryanov A.F., Kodolov V.I., Krutikov V.A., Fisher F.-B., Kerene Ya. Modifikaciya porizovannyx cementny'x matricz uglerodny'mi nanotrubkami. StroiteFny'e materialy'. 2009. №3. pp.99-102.
8. Kozhnikov E.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2017, № 1. URL: ivdon.ru/ magazine/archive/n1y2017/4074/
9. Druzhinkin S.V. Nemy'kina D.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2018, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/50068/
10. Fastov I.S., Fastov S.A., Staxeev A.A. Nauchnayasessiya MIFI NIYaU-2011, № 171, t.1, p.171.
11. Nazarov V.V., Pavlova-Verevkina O.B. Kolloidny'jzhurnal, 1998, T. 60, № 6, pp. 797-807.
12. Panfilova M.I., Zubrev N.I., EfremovaS.Yu., Leonova D.A., Leonov I.A. XXI vek: itogi proshlogo i problemy' nastoyashhego plyus, 2018, T. 7, № 3 (43), pp. 157 160.
13. Sakka S. Hand book of sol-gel science and technology processing characterization and applications. Boston: Kluwer academic publishers, 2005. p. 680
14. Panfilova M., Zubrev N., Novoselova O., & Efremova S. MATEC Web of Conferences, P.196. doi: 10.1051/matecconf/201819604061 2018
