CC BY
25Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Underground construction
УДК 624.1
С.А. КРИВЧУН1, инженер (skrivchun@gmail.com), Е.А. КРИВЧУН1, магистр; М.И. БАЖЕНОВ2, канд. техн. наук, В.А. АЛЕКСЕЕВ2, инженер, А.И. ХАРЧЕНКО2, канд. техн. наук, И.Я. ХАРЧЕНКО2, д-р техн. наук
1 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
2 ЗАО «ИНГЕОСТРОЙ» (109147, г. Москва, ул. М. Калитниковская, 7)
Структура и свойства грунтобетонных массивов на основе наномодифицированных микроцементов
Использование тонкодисперсных минеральных вяжущих позволяет решать широкий спектр задач в геотехнике. При формировании грунтобетонов, образованных обработкой грунтов тонкодисперсными минеральными вяжущими, на этапе гидратации вяжущего происходит его переход в коллоидное состояние с дальнейшей кристаллизацией в порах, грунта. При этом на высокие прочностные показатели грунтобетона влияет большое количество факторов: химико-минералогический и гранулометрический составы исходного вяжущего, технологические параметры приготовления пропиточных композиций. Повысить эффективность таких вяжущих можно путем выбора технологических параметров и внедрения новых эффективных способов активации: ультразвуковой и активации в аппаратах вихревого слоя.
Ключевые слова: тонкодисперсные вяжущие, композиционные вяжущие, микроцементы, геотехника, подземное строительство.
S.A. KRIVCHUN1, Engineer (skrivchun@gmail.com), E.A. KRIVCHUN1, Master; M.I. BAZHENOV2, Candidate of Sciences (Engineering), V.A. ALEKSEEV2, Engineer, A.I. KHARCHENKO2, Candidate of Sciences (Engineering), I.Ya. KHARCHENKO2, Doctor of Sciences (Engineering) 1 National Research Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoye Shosse, 129337, Moscow, Russian Federation) 2 ZAO «INGEOSTROY» (7, M. Kalitnikovskaya Street, 109147, Moscow, Russian Federation)
Structure and Properties of Soil-Concrete Blocks on the Basis of Nano-Modified Micro-Cements
The use of fine-disperse mineral binders makes it possible to solve a wide range of problems in geotechnics. When forming soil-concretes formed by treatment of soils with fine-disperse mineral binders, at the stage of binder hydration, its transition to the colloid state with further crystallization in soil pores takes place. In this case, a large number of factors including chemical-mineralogical and granulometric compositions of the initial binder, technological parameters of the preparation of impregnating compositions, impact on the high strength factors of the soil concrete. Improve the efficiency of such binders is possible by selection of technological parameters and introduction of new efficient methods for activation - ultrasonic activation and activation in apparatus of a sound layer.
Keywords: fine-disperse binders, composite binders, micro-cements, geotechnics, underground construction.
В настоящее время при освоении подземного пространства в условиях плотной городской застройки для инъекционного закрепления грунтов наряду с «традиционными» составами на основе силикатных гелей и полимерных смол активно внедряются и замещают их пропиточные композиции на основе тонкодисперсных минеральных вяжущих (ОТДМВ). Данная тенденция обусловлена прежде всего существенными недостатками «традиционных» составов: неудовлетворительная технологичность, неоднородность формируемых грунтобетонных массивов, низкая прочность грунта после пропитки, высокая стоимость, ограниченная долговечность и надежность в процессе эксплуатации, негативное влияние на окружающую среду при производстве работ и эксплуатации. Наряду с этим тонкодисперсные минеральные вяжущие позволяют эффективно решать различные геотехнические задачи, связанные с освоением подземного пространства городских территорий, закреплением грунтов, обеспечивают их устойчивость при различных агрессивных воздействиях, позволяют управлять процессом твердения в условиях низких положительных и отрицательных температур. Основными двумя вопросами
92016 ^^^^^^^^^^^^^
в технологии закрепления грунтов ОТДМВ, требующими рассмотрения, являются: управление процессом структу-рообразования и повышение эффективности работы таких вяжущих.
Анализ мирового рынка строительных материалов показал, что эффективным решением задачи получения тонкодисперсных минеральных вяжущих является использование воздушной сепарации предварительно размолотых минеральных компонентов с последующей их гомогенизацией. Вместе с тем представляются перспективными для получения ОТДКВ способы ультразвуковой (US-, PUS-) активации минеральных компонентов в изопропаноле или в иных инертных по отношению к компонентам жидких средах; способы активации с использованием аппаратов вихревого слоя (АВС); использование активных минеральных добавок с заданной дисперсностью и химико-минеральным составом, вводимых в ОТДКВ, полученных вышеперечисленными способами.
Управление процессами структурообразования и свойствами ОТДКВ заключается в образовании в результате гидратации суспензий с достаточным содержанием колло-
- 55
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Таблица 1
Диаметр зерен (мкм) особо тонкодисперсных композиционных минеральных вяжущих
Рис. 1. Гранулометрический состав ОТДКВ
идных и наночастиц и получением соответствующего эффекта. Ранее полагалось, что повышенная проницаемость суспензий ОТДКВ и высокая прочность грунтовых массивов, обработанных ими (20-35 МПа при значительном В/Ц = 1-5) обусловлены растворением частиц с образованием коллоидных растворов и соответствующим механизмом структурообразования в порах грунта. Результаты последних исследований показали, что ранее предложенный механизм требует корректировки. В реальных условиях применения ОТДКВ суспензии находятся в активаторах в среднем 30 мин (обычно не более 1,5 ч). В ходе проведенной серии экспериментов наблюдалось изменение гранулометрического распределения частиц, для предотвращения флоккуляции использовались как ультразвуковое (US-) воздействие, так и противофлокуллирующие добавки. Было установлено, что в первые 2 ч после начала гидратации характерный показатель ¿95 понижается в среднем на 10%. Общее изменение показателей гранулометрического распределения в сторону уменьшения говорит об эффективном образовании коллоидных и наночастиц.
С практической точки зрения лишь частичный переход суспензии в коллоидный раствор не является препятствием для решения поставленных геотехнических задач. ОТДКВ имеет достаточно высокие показатели дисперсности и низковязкую вязкость пропиточных композиций, что позволяет осуществлять инъектирование в грунты различного размера (как средние, крупные песчаные, так и мелкие) без нарушения их природной структуры с дальнейшим твердением в капиллярно-поровом пространстве. При этом именно за счет коллоидной фазы и наночастиц достигается эффект аномально высокой прочности грунтобетонов при водовяжущем соотношении, находящемся в диапазоне 1-5.
В качестве исследуемых пропиточных суспензий для уплотнения и упрочнения структуры грунта рассматривались особо тонкодисперсные минеральные композиции с различным весовым соотношением компонентов, содержащих в своем составе минералы портландцемент-ного клинкера, аморфный кремнезем, алюмосиликаты кальция, гидроксид кальция и сульфат кальция. Основные компоненты представленных ОТДКВ «Интроцем-Ультра», «Интроцем-Экстра», «ПФС+» являются продуктами отечественного производства, которые были разработаны в рамках реализации программы импортозамещения специальных строительных материалов. Дисперсность вяжущих оценивалась по критерию d85 менее 5 мкм, с контролем гранулометрического состава по величинам d10 и d50 (табл. 1). С целью выполнения сравнительного анализа свойств инъ-
Зерновой состав, % Интроцем-Ультра Интроцем-Экстра М1кгойиг Я-Х ПФС+
¿5 0,432 0,552 0,594 0,62
¿,0 0,689 0,8 0,811 0,95
¿20 0,979 1,12 1,144 1,601
1,678 1,91 2,254 2,608
3,897 4,452 4,612 4,925
¿95 5,501 6,401 6,512 7,163
¿100 8,61 10,864 10,867 13,688
Таблица 2
Химический состав ОТДКВ
Наименование оксидов Интроцем-Ультра Интроцем-Экстра Mikrodur Я-Х
Содержание оксидов, %
СаО 43,02 40,39 38,18
SiO2 32,08 27,59 24,29
а|2°3 9,93 13,38 15,65
- 4,58 5,09
МдО 4,39 3,62 3,08
Na2O 0,312 2,34 3,05
екционных смесей и грунтобетонных массивов, приготовленных на основе ОТДКВ «Интроцем», применялось особо тонкодисперсное вяжущее «^кгс^иг R-X», которое на основании анализа результатов многолетнего опыта практического применения отличается наиболее высоким уровнем технологичности и надежности.
Основными требованиями к ОТДКВ для применения по технологии пропиточной инъекции являются низкая условная вязкость, высокие стабильность и седиментационная устойчивость суспензий при заданных В/В соотношениях и ожидаемых прочностных показателях затвердевших грунтобетонов.
Для определения вязкости использовался стандартный для ОТДКВ метод истечения из вискозиметра Марша 0,946 мл. Результаты исследований показали, что для значений В/В = 4 и более вязкость суспензии ОТДКВ изменяется в незначительных пределах. Условная вязкость воды по вискозиметру Марша - 28 с при температуре 20оС. Для значений В/В = 4 и ниже вязкость суспензии ОТДКВ значительно возрастает пропорционально снижению В/В, что приводит к снижению проникающей способности композиций и возникающему эффекту «отфильтровывания» в месте инъ-ектирования. Для эффективного применения ОТДКВ и получения значительных прочностей грунтобетонов необходимо использование В/В отношений в диапазоне 2-4, поэтому целесообразно уменьшение вязкости суспензий.
Для уменьшения вязкости были выбраны суперпластификатор «С-3» и поликарбоксилатный гиперпластификатор Sika ViscoCrete 225. Было установлено, что эффективная зона работы «С-3» находится в диапазоне до 0-1,5% (рис. 2) Дальнейшее увеличение расхода пластификатора «С-3» не сопровождается снижением вязкости, однако приводит к увеличенному водоотделению в течение 1 ч (неподвижная суспензия). Эффективный диапазон использования
56
92016
Научно-технический и производственный журнал
Underground construction
50
40
О СС
СЭ 35 5
30
25 -
20
0,5
1 1,5 2
Расход суперпластификатора,
2,5
Л Д PFS+ ♦ Mikrodur R X -X-Ultracem -o-Water
\ Д \ д Д д д i
1 1 1 1 1
Ultracem Mikrodur RX -PFS+
j_i_
Рис. 2. Влияние расхода суперпластификатора «С-3» на условную вязкость ОТДКВ, В/В = 2
7 14 28 100
Возраст, сут
Рис. 3. Кинетика набора прочности грунтобетона после пропитки инъекционной смесью на основе ОТДКВ, В/В=2;расход «С-3» — 1%
поликарбоксилатных пластификаторов для применения с ОТДКВ от 0,05 до 1,0%. При этом при концентрации 0,5% наблюдается оптимальная вязкость, а также эффект повышенной седиментационной устойчивости суспензии даже при высоких В/В отношениях (4 и более) по сравнению с контрольной суспензией ОТДКВ без добавки.
Известное для обычных бетонов явление значительного замедления скорости набора прочности при введении пластификаторов не играет существенной роли в случае с грунтобетонами. Грунтобетоны, полученные с использованием пластификаторов и без, имеют разницу в прочности в возрасте 5; 7 сут менее 5%. Возможное замедление за счет введения пластификаторов компенсируется повышенным качеством структуры грунтобетонов и минимизацией возможных дефектов в местах с повышенной плотностью грунта.
Седиментационная устойчивость и стабильность ОТДКВ зависит главным образом от гранулометрического состава, флокулляционной активности. Наряду с введением пластифицирующих добавок на данные технологические характеристики можно влиять с помощью выбора типа смесителей и продолжительности и интенсивности перемешивания. Для приготовления суспензий ОТДКВ использовались лопастные и миксерные смесители с частотой вращения 200-5000 об/мин, а также производственные модифицированные смесители типа РМ с лопастными и турбинными насадками со скоростью вращения от 200 до 3000 об/мин; время перемешивания составляло от 15 до 300 с. Установлено, что оптимальное время перемешивания суспензий составляет 3-4 мин при скорости лабораторных смесителей мик-серного типа 3000 об/мин. Сопоставление лабораторных данных с результатами испытаний на производственном оборудовании РМ показало корреляцию значений седимен-тационной устойчивости суспензий, получаемых при таком же времени перемешивания на турбинных смесителях с частотой вращения 1000 об/мин и лопастных смесителях с частотой вращения 3000 об/мин.
Для получения более детальной информации о процессах структурообразования, происходящих в поровом пространстве грунта, в частности на границе раздела вя-жущее-поверхность поры, были применены методы РФА, рентгенофлуоресцентного анализа, сканирующей микроскопии. Было установлено, что в порах происходит формирование кристаллических конгломератов-сростков, состоящих как из продуктов гидратации вяжущего, так и из продуктов взаимодействия вяжущего с микрочастицами на поверхности частиц грунта, образующих поры. Продукты взаимодействия для ОТДКВ типа «Интроцем» и «М1кгойиг»
представлены прежде всего в виде продуктов гидратации портландцементного клинкера и С^-Н фазы. Для ОТДКВ «ПФС+» характерно преобладание первичного эттрингита в полученной структуре.
Исследование процесса структурообразования внутри объема пор и на границе фаз показало различие как в продуктах гидратации, так и в самой структуре. Прежде всего это связано с различием потенциальной энергии на границе раздела и внутри объема поры, возникающая по причине того, что в первом случае молекулы, помещенные в грунт, контактируют с молекулами поверхности пор отличной химической природы - в глубине поры взаимодействие молекул ОТДКВ происходит с себе подобными. Ключевую роль на развитие процесса структурообразования играют нано- и коллоидные частицы вяжущего размером 10-9—10-7 м, имеющие высокую удельную поверхность порядка 200-400 м2/г и понижающие энергетический порог начала образования кристаллогидратов из раствора клинкерных минералов ОТДКВ. Таким образом, данные частицы являются центрами кристаллизации, из которых в короткие сроки на границе раздела ОТДКВ - поверхность поры формируются трехмерные кристаллические зародыши, имеющие склонность к быстрому росту за счет перекристаллизации и коагуляции.
Состав контактного слоя зависит также от физико-химической активности компонентов грунта. Исследование поверхности различных грунтов: кислых - с содержанием SiO2= 65% (гранит, гранулит, пироксеновый кварцевый порфир); промежуточных - с содержанием SiO2 = 52-65% (авги-то-порфир) и основных - с содержанием SiO2= 52% (диабаз, базальт, выветренный базальт), а также кварц, альбит, ортоклаз и карбонатные горные породы (доломит, долотоми-низированный известняк), показало, что в начальные сроки основные породы связывают больше извести, чем кислые.
33
88 25
Ct
,<е 10
30
180
60 90 120
Продолжительность перемешивания, с
Рис. 4. Влияние продолжительности и интенсивности перемешивания суспензии на основе ОТДКВ на седиментационную устойчивость
92016
57
33 30 27 24 21 18 15 12 9 6 3 0
0
3
%
Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
На термограммах образцов наблюдаются эндотермические эффекты при температуре 100-120оС, которые указывают на удаление слабосвязанной адсорбционной и частично гидратной воды из сульфоалюминатной фазы. Процессы дегидратации в этом интервале температуры сопровождаются наиболее значительной потерей массы, которая фиксируется на кривой TG. Эндоэффект в интервале температуры 840-860оС, отмеченный на термогравиграм-мах, отражает дегидратацию кальцита. Экзотермический эффект при температуре 910-920оС обычно относят к гидратации тоберморитов. Проведенный ДТА подтвердил результаты рентгенофазового анализа.
На основе полученных данных можно сделать вывод, что уплотнение и упрочнение грунтовых массивов, происходящее в результате обработки их инъекционными композициями ОТДКВ, достигается за счет совместной работы исходного скелета грунта, практически не нарушаемого и дополнительно скрепляемого в ходе обработки и затвердевшего в капиллярно-поровом пространстве ОТКДВ, придающего полученному грунтобетону сплошную структуру.
Технико-экономическая эффективность применения композиций на основе ОТДКВ по технологии пропиточной инъекции обусловлена низкой по сравнению с «традиционными» химическими способами закрепления грунта стоимостью, минеральная основа ОТДКВ обеспечивает высокую экологичность и долговечность получаемого результата. Кроме того, возможность с помощью ОТДКВ получать грунтобетоны высокой прочности позволяет рассматривать такие массивы как конструктивные части сооружений.
Выводы.
1. При приготовлении инъекционных смесей с использованием ОТДКВ в начальный период происходит образование суспензии с высоким содержанием коллоидных и наночастиц. При этом растворению в большей степени подвержены частицы, находящиеся в диапазоне менее d10-d50 (ок. 2,5 мкм) на гранулометрических кривых. Уменьшение диаметров частиц за этот период составляет 10-15%.
Список литературы
1. Ржаницын Б.А. Химическое закрепление грунтов в строительстве. М.: Стройиздат, 1986. 264 с.
2. Ибрагимов М.Н., Семкин И.И. Закрепление грунтов инъекцией цементных растворов. М.: АСВ, 2012. 256 с.
3. Панченко А. И., Харченко И. Особо тонкодисперсное минеральное вяжущее «Микродур»: свойства, технология и перспективы использования // Строительные материалы. 2005. № 10. С. 76.
4. Баженов М.И., Харченко А.И., Харченко И.Я. Технологические особенности применения особо тонкодисперсного вяжущего Микродур в геотехническом строительстве // Строительные материалы. 2012. № 10. С. 65.
5. Исаева Ю.В., Величко Е.Г., Касумов А.Ш. Оптимизация структуры сверхлегкого цементного раствора с учетом геометрических и физико-механических характеристик компонентов // Строительные материалы. 2015. № 8. С. 84.
6. Harcenko, I., Harcenko A., Plak H. Neue Einsatzmöglichkeiten für den Feinstzement «Mikrodur»// Internationale Bausto-fftagung. 20-23 Sept. 2006. Weimar, BRD, 2006, рр. 2-1469.
58l -
2. После затвердевания инъекционной смеси в поровом пространстве грунта формируется грунтобетонный массив с прочностью при сжатии до 20 МПа и выше, что обеспечивается совместной работой структурных элементов грунта, затвердевшего в его порах и капиллярах цементного камня, а также новообразований по внутренней поверхности капиллярно-пористой структуры как единого структурно-целостного материала, свободного от внутренних дефектов.
3. Для повышения эффективности работы ОТДКВ и получения пропиточных композиций, отвечающих требованиям по технологичности, целесообразно применение суперпластификатора типа «С-3» (оптимальный расход 1%). Перемешивание в высокооборотистых смесителях (3000 об/мин) в течение 3-4 мин.
4. Методами РФА, ДТА, рентгенофлуоресцентного анализа, сканирующей микроскопии установлено, что в процессе структурообразования образуются кристаллы гидроалюмината кальция, гидроксида кальция, гидросульфоалюмината и гидросульфоферрита кальция, а также гелевая структура, в которой дисперсионной фазой являются субмикрокристал-лы гидросиликатов кальция, при этом объяснена решающая роль коллоидных частиц ОТДКВ в происходящих процессах и высокая прочность грунтобетонов.
5. Установлено, что свойства разработанных инъекционных смесей на основе ОТДКВ типа «Интроцем» и «Mikrodur R-X», а также прочность при сжатии грунтобетона на их основе не имеют принципиальных различий. Это позволяет рекомендовать использованние технологии «Mikrodur» для практического применения ОТДКВ типа «Ин-троцем» при освоении подземного пространства в условиях плотной городской застройки.
6. Инъекционное закрепление грунта с применением ОТДКВ может обеспечить повышение несущей способности оснований зданий и сооружений, в которых грунтобетонный массив можно рассматривать в качестве самостоятельного конструктивного элемента фундамента, что позволяет эффективно использовать подземное пространство застроенных территорий.
References
1. Rzhanicin B.A. Himicheskoe zakreplenie gruntov v stroitelstve [Chemical grouting in the construction industry]. Moscow: Stroyizdat. 1986. 264 p.
2. Ibragimov M.N. Semkin I.I. Grouting injection of cement mortars [Zakreplenie gruntov inekciej cementnyh rastvorov]. Moscow: ASV. 2012. 256 p.
3. Panchenko A.I., KHarchenko I.Ya. Especially fine mineral knitting «Mikrodur»: properties, technology and prospects of use. Stroiteinye Materialy [Construction Materials]. 2005. No. 10, pp. 76. (In Russian).
4. Bazhenov M.I., Kharcenko A.I., Kharcenko I.Ya. Technological Features of Application of an Especially Fine Disperse Binder Mikrodur in Geotechnical Construction. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 10, pp. 65. (In Russian).
5. Isaeva Yu.V., Velichenko E.G., Kasumov A.Sh. Structure Optimization of Ultra-Light Cement Mortar with Due Regard for Geometrical and Physical and Mechanical Characteristics of Components. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 8, pp. 84 (In Russian).
6. Harcenko, I., Harcenko A., Plak H. Neue Einsatzmöglichkeiten für den Feinstzement «Mikrodur». Internationale Baustofftagung. 20-23 Sept. 2006. Weimar, BRD, 2006, pp. 2-1469.
^^^^^^^^^^^^^^ |9'2016
