автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Композиции на основе тонкодисперсных вяжущих для инъекционного закрепления грунтов и подземных частей зданий

и 1

,__На правах рукописи

0050^°

Баженов Марат Ильдарович

КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ ВЯЖУЩИХ для ИНЪЕКЦИОННОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ И ПОДЗЕМНЫХ ЧАСТЕЙ

ЗДАНИЙ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012

005049814

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Харченко Игорь Яковлевич Официальные оппоненты: Нисаев Игорь Петрович доктор технических наук, профессор кафедры Мате-риаловеденья Российская открытая академия транспорта (РОАТ МИИТ) Суханов Михаил Александрович кандидат технических наук, доцент кафедры Технология развития производства Национальный иследовательский университет высшей школы экономики (НИУВШЭ)

Ведущая организация: ГУП «НИИМосстрой»

Защита состоится «17» декабря 2012 года в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.02 в ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337,г. Москва, Ярославское ш., 26, ауд. № 9 «Открытая сеть»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» Автореферат разослан «17» ноября 2012 года

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ

Актуальность.

В настоящее время для инъекционного закрепления грунтов и восстановления качества каменных, бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений, в том числе представляющих историческую ценность, применяются, главным образом, составы на основе силикатных гелей и полимерных смол. Однако они имеют ряд существенных недостатков: неоднородность грунтобетонных массивов и низкая прочность фунта после пропитки, ограниченная долговечность и надёжность в процессе эксплуатации, негативное влияние на окружающую среду при производстве работ и эксплуатации.

Решение задачи повышения прочности грунтобетонных массивов и надёжности противофильтрационных завес при освоении подземного пространства городских территорий, их устойчивости при различных агрессивных воздействиях, возможности управления процессом твердения в условиях низких положительных и отрицательных температур, достигается путем использования пропиточных композиций на основе тонкодисперсных минеральных вяжущих. Анализ мирового рынка строительных материалов показал, что наиболее эффективным решением поставленных задач может быть получение тонкодисперсных минеральных композиций путём воздушной сепарации предварительно размолотых минеральных компонентов по технологии «Микродур».

Работа выполнена в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 гг.»

Цель и задачи исследований.

Основной целью диссертации является разработка пропиточных композиций на основе тонкодисперсных вяжущих и технологии их применения.

Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- обосновать возможность создания пропиточных композиций на основе тонкодисперсных минеральных вяжущих для эффективного инъекционного закрепления грунтов и подземных частей зданий;

- разработать пропиточные композиции для различных типов подземных частей зданий;

- установить основные зависимости свойств пропиточных композиций от их составов;

- разработать способы пропитки элементов зданий и грунтов;

- установить зависимости основных свойств пропитанных капиллярно-пористых материалов от главных технологических факторов;

- разработать рекомендации по производству и применению пропиточных композиций на основе тонкодисперсных вяжущих.

Научная новизна.

Теоретически и экспериментально обоснована возможность повышения физико-механических свойств грунтов и дефектных подземных частей зданий пропиткой наномодифицированными суспензиями на основе тонкодисперсных вяжущих с размером зерен от 0,2 до 6 мкм. Образующиеся при этом в результате гидратации коллоидные растворы с размером частиц 1-100 нм, имеют высокий уровень поверхностной энергии и служат центрами кристаллизации как по поверхности порового пространства инъектируемого материала, так и в поровом пространстве способствуя образованию кристаллического сростка, состоящего из гидросиликатов различной основности, гидроалюмината кальция, Са(ОН)2, гидросульфоалюмината и гидросульфофер-рита кальция. При этом, основной объём продуктов гидратации представлен гелевой структурой, в которой дисперсионной фазой являются субмикрокри-сталлы гидросиликатов кальция.

Установлены зависимости основных технологических параметров наномодифицированных суспензий (вязкости, седиментации, времени загу-

стевания) и изменение их во времени от В/В, расхода пластификатора, времени и интенсивности перемешивания.

Установлена кинетика изменения вязкости наномодифицированных суспензий при различных В/В . Показано, что для значений В/В = 2 - 4 и выше вязкость суспензии изменяется в незначительных пределах и практически соизмерима с вязкостью воды.

Установлена зависимость седиментационной устойчивости наномодифицированных суспензий от количества суперпластифицирующих добавок. Показано, что, например, применение суперпластификатора С-3 наиболее эффективно в суспензиях с В/В менее 4,0 .

Установлена зависимость стабильности инъекционной суспензии от продолжительности и интенсивности перемешивания, характеризуемой скоростью вращения смесительного вала активатора.

Установлена зависимость технологических параметров пропиточной инъекции от коэффициента фильтрации фунтов, вида и свойств тонкодисперсного вяжущего, водовяжущего отношения суспензии и давления инъек-тирования.

С применением методов РФА и ДТА показано, что тонкодисперсное вяжущее в виде наномодифицированной коллоидной системы обладает повышенной степенью гидратации уже на стадии приготовления суспензии и производства инъекционных работ.

Посредством РФА, ДТА и электронной микроскопии установлено, что в поровом пространстве инъектируемого материала образуется кристаллический сросток, состоящий из кристаллов гидроалюмината кальция, гидрокси-да кальция, гидросульфоалюмината и гидросульфоферрита кальция а также гелевая структура, в которой дисперсионной фазой являются субмикрокри-сталлы гидросиликатов кальция.

Практическая значимость.

Разработаны рецептуры пропиточных композиций на основе тонкодисперсных вяжущих (ТВ) и методы их приготовления, обеспечивающие

прочность при сжатии пропитанного грунта от 1,0 до 25,0 МПа и статический модуль упругости от 3 ООО МПа до 10 ООО МПа.

Установлено, что для получения стабильной пропиточной композиции, оптимальное время перемешивания суспензии на основе ТВ составляет 3-4 мин при скорости вращения вала смесителя около 2800 об/мин.

Для упрочнения грунтов в зависимости от коэффициента их фильтрации выбраны соответствующие марки тонкодисперсного вяжущего и параметры пропитки: В/В отношения суспензии должно находиться в пределах 3-5, давление нагнетания пропиточной композиции в пределах 0,3-0,5 МПа, радиус закрепления не менее 0,4-0,7 м.

Разработана технология закрепления кирпичных, каменных кладок и бетонных подземных частей зданий, с учётом типа тонкодисперсного вяжущего, состава пропиточной композиции и давления ее нагнетания.

Внедрение результатов исследования.

Опытно-промышленная апробация разработанных рекомендаций по инъекционному закреплению фунтов на основе тонкодисперсных вяжущих «Микродур» выполнялась на объектах ООО «Горгеострой» в период 20112012 гг. при реконструкции большого зала Московской консерватории (общий объём закреплённого грунта 1 400 м3) и реконструкции зданий 14 корпуса Московского Кремля (общий объём закреплённого фунта 1 720 м3).

Апробация работы.

Основные положения результатов работы докладывались на научно-практических конференциях по итогам научно-исследовательских работ молодых ученых МГСУ в течение 2009 - 2011 гг., на Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», проводимых в рамках реализации федеральной профаммы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса У.М.Н.И.К.» в течение 2009 - 2011 гг.

На защиту выносятся:

- обоснование возможности повышения физико-механических свойств подземных частей зданий пропиткой наномодифицированными суспензиями на основе тонкодисперсных минеральных вяжущих;

- выбор пропиточных составов для эффективного укрепления грунтов и дефектных подземных частей зданий;

- основные зависимости свойств пропиточных суспензий от их составов;

- способы пропитки элементов фундаментов зданий и грунтов;

- зависимости основных свойств пропитанных капиллярно-пористых материалов от главных факторов;

- рекомендации по технологии пропитки элементов подземных частей зданий и производственная апробация принятых решений.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы. Общий объем работы 137 страниц машинописного текста, 63 рисунка, 23 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Для восстановления качества подземных частей зданий и сооружений и повышения их несущей способности наряду со смолизацией и силикатизацией, которые имеют ряд существенных недостатков: недостаточная долговечность, низкая прочность укрепленного грунта (0,1-0,5 МПа), хрупкое разрушение при динамических нагрузках, загрязнение окружающей среды, сложность при производстве работ, эффективное применение нашла технология пропиточной инъекции композициями на основе тонкодисперсных минеральных вяжущих типа «Микродур», которые получают путём воздушной сепарации предварительно размолотых минеральных компонентов с их последующей гомогенизацией.

Разнообразие марок тонкодисперсного минерального вяжущего «Микродур» (ТВ) по минеральному и гранулометрическому составу позволяет

обеспечить восстановление качества, несущей способности и долговечности каменных, бетонных и железобетонных конструкций подземных сооружений, а также укрепление грунта с учетом различных требований: повышение прочности и противофильтрационных свойств грунтобетонных массивов, их устойчивость при различных агрессивных воздействиях, возможность твердения при низких положительных и отрицательных температурах, управление процессом набора прочности.

Пропиточная композиция, содержащая коллоидный раствор с высоким водовяжущим отношением, не только проникает в капиллярно-поровое пространство обрабатываемого материала, но и способна там затвердевать. Прочность закрепления грунтовых массивов может достигать 25-30 МПа. Взаимодействие между пропиточной жидкостью и поверхностью твердого тела может быть физико-механическим, физико-химическим и чисто химическим.

Водные суспензии в виде композиций на основе тонкодисперсных вяжущих, предназначенные для пропиточной инъекции каменных кладок, бетонных и железобетонных конструкций, а также грунтов при строительстве подземных сооружений различного назначения представляют собой водона-полненные системы, в которых твердые частицы вяжущих находятся во взвешенном состоянии в жидкой дисперсионной среде. Частицы тонкодисперсного вяжущего имеют специально подобранный минеральный и гранулометрический состав с максимальным размером зёрен 5-16 мкм. При взаимодействии с водой с высоким водовяжущем отношением такие частицы должны практически полностью гидратировать с образованием коллоидных растворов. Таким образом, пропитка осуществляется суспензиями, модифицированными коллоидными частицами и их растворами способными кристаллизоваться в поровом пространстве пропитываемого материала.

Процесс эффективного уплотнения или упрочнения грунта в геотехническом строительстве, а также устранения дефектов в каменных, бетонных и

железобетонных конструкциях требует выбора критериев, определяющих технологический регламент производства инъекционных работ.

Для уплотнения грунтов в качестве таких критериев могут стать В/В отношение суспензии, радиус закрепления, давление нагнетания пропиточной композиции, соотношение дисперсностей грунта и тонкодисперсного вяжущего. Для сохранения сложившейся структуры грунта необходимо выбрать такое давление нагнетания, которое бы обеспечивало заполнение по-рового пространства без нарушения его природной структуры.

В случае восстановления качества каменных, бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений, главным критерием является соотношение между шириной раскрытия трещин и максимальным диаметром частиц тонкодисперсного вяжущего. При этом соответствующий минеральному состав ТВ должен учитывать степень агрессивного воздействия среды, в которой эксплуатируется конструкция. Назначаемая рецептура суспензии после пропиточной инъекции должна обеспечить конструктивное восстановление и проектную несущую способность конструктивного элемента.

Таким образом, для инъекционных растворов в виде композиций, модифицированных коллоидными частицами и частично их растворами, способными кристаллизоваться, необходимо установить основные технологические параметры: вязкость, седиментацию, время схватывания и изменение их во времени в зависимости от В/В, добавок пластификатора, времени и интенсивности перемешивания раствора. При этом следует рассмотреть процессы происходящие при твердении пропиточных составов, отличающихся высоким водосодержанием и находящихся в стесненных условиях в соприкосновении с развитой поверхностью пор.

Для доказательства выдвинутых положений были проведены систематизированные исследования и выбраны следующие исходные материалы.

В табл. 1 приведен гранулометрический состав ТВ различных марок и их прочность:

Марка Количество частиц (%) диаметром (мкм) Удельная поверхность, м2/кг Водопо- требность, %

<2 <4 <6 <9,5 < 16 <24

Я-Р я-и я-х 19 45 60 80 95 - 1200 39,0

25 55 78 95 - - 1600 47,0

45 80 95 - - - 2200 61,0

Данные о прочности ТВ (Я-Х, 28 сут.) приведены в табл. 2. Твердение образцов осуществлялось при 20°С и относительной влажности 60-70%. Таблица 2. Прочность при сжатии затвердевшего ТВ при различном во-довяжущем отношении

Водовяжущее отношение 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5

Прочность при сжатии, МПа 85,0 62,2 43,4 31,8 24,3 20,4

Для пропитки капиллярно-пористых материалов приготавливалась суспензия, основными параметрами которой являлись низкая вязкость и седи-ментационная устойчивость.

Эффективность уплотнения и упрочнения фунтов зависит от дисперсности, минерального состава ТВ и водовяжущего отношения, определяющего вязкость и стабильность инъекционной суспензии. Снижение вязкости и повышение седиментационной устойчивости суспензии повышает проникающую способность инъекционного раствора в капиллярно-пористое тело. При этом, показатели вязкости и стабильности водных растворов определяются их рецептурой, способом их приготовления, видом и содержанием химических добавок.

В соответствии с этим были исследованы основные технологические параметры инъекционного раствора (вязкость, седиментация, время загусте-вания) и их изменение в зависимости от В/В, расхода пластификатора, времени и интенсивности перемешивания.

Вязкость определялась временем истечения 1 л. суспензии из воронки Марша. Характер изменения вязкости раствора в зависимости от В/В и времени показал, что для значений В/В = 3,0 и более, вязкость суспензии изменяется в незначительных пределах и практически одинакова для указанных значений В/В и близка к вязкости воды. При этом, вязкость воды определенная с помощью воронки Марша при 20 °С составляет около 28 с. Для значений В/В от 3,0 и ниже, вязкость суспензии значительно возрастает пропорционально снижению В/В. Консистенция водной суспензии на основе ТВ с во-довяжущем отношением 2,0 и более, практически равна консистенции воды.

По истечении 30 минут после приготовления суспензия при В/В = 2,0 вытекала за 30 сек, при В/В = 1,5 за 33 сек и при В/В = 1,0 за 40 сек. Это указывает на достаточно высокую проникающую способность суспензии в капиллярно-пористую структуру материалов, подлежащих пропитке при В/В = 1,0 и выше. С целью снижения вязкости суспензии в её состав допускается введение до 3,0% от массы ТВ суперпластификатора С-3. Причём, это не оказывает отрицательного влияния на скорость твердения композиции после пропитки порового пространства. (Рис. 1)

Рис. 1 Зависимость времени истечения суспензии от времени после затворения ( В/Ц, = 2; Я-Ц)

140

-Суспензия бездобаки пластификатора

•Суспензия сдобавеой С-3 в количестве 1% от массы вяжущего

150

ш

30 60 90 120

Время после затворения, мин

Стабильность суспензии, характеризуемая показателем седиментации или водоотделения, снижается с увеличением В/В. При введение в инъекционный раствор пластификатора стабильность суспензии повышается, а её

и

проникающая способность в капиллярно-пористую структуру материалов увеличивается. Добавление суперпластификатора обеспечивает заметный эффект при использовании суспензий ТВ с В/В менее 4,0.

При добавлении в суспензию суперпластификатора С-3 в количестве 1,5% её консистенция даже при В/В = 0,7 остается неизменной в течение 90 мин. и практически равна консистенции воды.

Введение суперпластификатора эффективно при пониженной проницаемости грунтов (пылеватые и мелкие пески, трещиноватые скальные грунты).

Стабильность инъекционной суспензии также зависит от продолжительности и интенсивности перемешивания, характеризуемой скоростью вращения смесительного вала активатора. Скорость вращения изменяли в пределах от 1000 до 8000 об/мин. Время перемешивания было принято от 5 до 300 с. Было установлено, что оптимальное время перемешивания суспензий составляет 3-4 мин при 2800 об/мин. (Рис. 2)

Исследованиями установлена зависимость времени загустевания суспензии от В/В для композиций без С-3 и с добавкой 1 % пластификатора С-3. Введение суперпластификатора увеличивает время начального твердения примерно на 1 час.

Было установлено, что прочность инъекционных растворов зависит от водовяжущего отношения, дисперсности ТВ и времени твердения. Исследования показали, что прочность при сжатии ТВ, в зависимости от их дисперсности и минерального состава при В/В=0,5 изменяется в приделах от 25до

Рис. 2 Зависимость объема седиментации от времени перемешивания (В\Ц =3,0; 11-11)

100 200 300

Время перемешивания, сек.

90 МПа. С увеличением В/В до 4,0 прочность при сжатии снижается в 3-3,5 раза в соответствии с законом В/Ц установленным для обычных цементов.

Исследование изменения интенсивности пропитки и давления нагнетания для одинаковых образцов песчаного грунта показало, что эти характеристики находятся в зависимости, главным образом, от во-довяжущего отношения используемого инъекционного раствора (Рис 3,4)

Рис. 3 Зависимость интенсивности инъекции от В/В композиции

1 5

T5¡

в 4

3

2 3

g 2

О

X

РЗ ,

Е I

0 1

1

и К

3 3,5 4 4,5 5 5,5

Водомжущие отношение композиции

Рис. 4 Влияние водовяжущего отношения на давление нагнетания

10,14 .0,12

I 0,1

§ 0.08

§ 0,06

S 0,04

¡0,02

§ 0

5

2,5

3 3,5 4 4.5 5 5,5 Водовяжущее отношение композиции

Исследования показали также, что образцы укрепленного грунта при хранении в течение 14 и 28 суток при температуре +18 °С с увеличением возраста имели прочность от 5,0 до 25,0 МПа, а статический модуль упругости укрепленного грунта составил 2910 - 9710 МПа. (Рис. 5)

Рис. 5 Зависимость прочности укрепленного грунта от В/В суспензии и продолжительности твердения

30 1---------

«25

а

S 20

i15

|ю

С 5

-В/В = 4 В/В = 2

7 14

Время твердения,сут.

Таким образом, на основании выполненных лабораторных исследований установлены особенности свойств инъекционных композиций на основе ТВ и их влияние на укрепление грунтов, заключающиеся в том, что:

- инъекционные композиции при В/В = 1,5...5 имеют низкую вязкость (от 28 - 35 с по воронке Марша), что сопоставимо с вязкостью растворов кар-бамидных смол (30 с) и воды (28 с). При этом гарантированная жизнеспособность суспензии сохраняется в период до 120 мин.

- прочность закрепленного грунта находится в приделах 1-25 МПа, что значительно превышает прочность фунта закрепленного растворами полимерных смол (0,1-1,5 МПа).

Исследованиями было показано, что для эффективного укрепления или противофильтрационного уплотнения фунта основными критериями являются: тип ТВ, В/В отношение суспензии, радиус закрепления, давление нагнетания пропиточной композиции, коэффициент фильтрации фунта. Было установлено, что давление нагнетания при полном заполнении капилляр-но-порового пространства без нарушения структуры сложившихся грунтов не должно превышать 0,3-0,5 МПа.

Так, для мелких и пылеватых песков при коэффициенте фильтрации 10,3 м/сут. целесообразно применять ТВ марки Я-Х, с максимальным диаметром зерна менее 6 мкм.

При этом В/В должно находится в пределах 3-4, радиус закрепления должен составлять не менее 0,4 м.

При обработке мелких песков с коэффициентом фильтрации 2-5 м/сут. целесообразно применять ТВ марки Я-Х и Я-и, но с радиусом закрепления 0,5 - 0,6м.

При пропитке песков средней крупности и крупных при коэффициентах фильтрации соответственно 4-15 и 10-30 м/сут. целесообразно использовать ТВ марок Я-и и Я-Р с радиусом закрепления 0,6-0,7 м.

Для закрепления каменных кладок и восстановления качества бетонных и железобетонных конструкций выбирают марки ТВ в зависимости от

степени деструкции конструкции. При слабовыветренной каменной кладке целесообразно использовать ТВ марки Я-Х при В/В= 1-1,5 с шагом инъекто-ров не более 0,3 м. В данном случае давление нагнетания должно быть не менее 5-7 МПа. При укреплении средневыветренной каменной кладки целесообразно использовать ТВ марки К-Х и Я-и при давлении нагнетания не более 5 МПа с шагом инъекторов не более 0,4 м. При укреплении сильновы-ветренной каменной кладки целесообразно использовать ТВ марок 11-11 и Я-Р при давлении нагнетания не менее 2-3 МПа.

Как указывалось выше, при формировании грунтобетонных массивов прочность на сжатие может достигать до 25-30 МПа при высоком водовяжу-щем отношении пропиточной композиции. Это связано прежде всего с особенностью взаимодействия в стесненных условиях пропиточной композиции с развитой поверхностью капиллярно-пористого материала.

Пропиточные композиции на основе тонкодисперсных вяжущих, предназначенные для упрочнения кирпичных кладок, бетонных фундаментов и грунтов, представляют собой дисперсные системы, в которых твердые частицы вяжущих находятся во взвешенном состоянии в жидкой дисперсионной среде. Интервал размеров частиц от десятых долей мм до частиц менее 10 "7 м. Размеры частиц тонкодисперсного вяжущего не превышают 1-16 мкм. При взаимодействии с водой такие частицы практически полностью гидрати-руют с образованием коллоидных растворов с размером частиц 1-100 нм. При этом некоторые коллоидные частицы растворяясь образуют кристалло-гидратные соединения. Таким образом, пропитка осуществляется суспензиями, модифицированными наночастицами и их растворами, способными кристаллизоваться.

Коллоидный раствор, находясь в капиллярно-пористом теле в стесненных условиях ограничен внешней поверхностью порового пространства. Свойства вещества в этой межфазной поверхности, толщиной в несколько поперечников атомов или молекул, находящегося непосредственно на поверхности, отличаются от свойств внутри объема фазы. Внутри объема чи-

стого вещества в твердом, жидком или газообразном состоянии любая молекула окружена себе подобными молекулами. В пограничном слое молекулы находятся во взаимодействии или с разным числом молекул или с молекулами различной химической природы. Чем больше различие в напряженности межмолекулярных сил, действующих в каждой из фаз, тем больше потенциальная энергия межфазовой поверхности. Эффективность введения частиц размером менее 10"7м в поровое пространство материала, имеющего огромную развитую поверхность, основывается в целом на понижении энергетического порога начала образования кристаллогидратов из водного раствора, насыщенного ионами клинкерных минералов цемента, как результата его взаимодействия с водой затворения. То есть в этом случае используется высокий уровень энергии поверхности наночастиц, которые могут служить центрами кристаллизации, ускоряя процесс образования кристаллогидратов и обеспечивая повышение прочности капиллярно-пористого материала. Зародыши гидратов возникают в непосредственной близости от поверхности порового пространства, так как их образование в объеме раствора (в жидкой среде) энергетически менее выгодный процесс.

Здесь протекают коллоидно-химические процессы, в результате которых образуются коллоидные гели. Частицы новых фаз образуют сильно набухшие коллоиды вследствие возникновения вокруг них сольватных оболочек. В результате они увеличиваются в объеме (набухают) и через некоторое время оказываются в непосредственном контакте друг с другом, образуя коагуляционные узлы. Из сильно пересыщенной жидкой фазы цементно-водной суспензии выделяются трехмерные кристаллические зародыши с размером в поперечнике 10'9м, которые затем быстро укрупняются (коагулируют) до размеров порядка 10'7м. Они оседают преимущественно на поверхности порового пространства.

Частички новообразований характеризуются высокой дисперсностью. Удельная их поверхность составляет 200-400 м2/г, т.е. кристаллы гидросиликатов кальция достигают толщины только 2/3 элементарных слоев. При ука-

занной толщине кристаллов от половины до 2/3 всех слагающих их атомов и ионов находятся на поверхности и, следовательно, они характеризуются наличием свободной энергии, обусловливающую связь частичек новообразований и твердение всей системы.

Гидросиликаты кальция обладают способностью связывать значительное количество воды, когда растущие кристаллогидраты сближаются на расстояние в нескольких диаметрах молекул воды они сращиваются друг с другом кристаллическими зародышами этих же фаз в результате флуктуацион-ного уплотнения молекул растворенных веществ.

В поровом пространстве может образоваться кристаллический сросток, состоящий из кристаллов гидроалюмината кальция, портландита, гидро-сульфоалюмината и гидросульфоферрита кальция, а также гелевой структуры, в которой дисперсионной фазой являются субмикрокристаллы гидросиликатов кальция, что подтверждается исследованиями структуры камня с помощью электронной микроскопии.

При пропиточной инъекции песчаных фунтов возникает контактная зона, в результате физико-химических процессов, проходящих между модифицированной суспензией и поверхностью пор. По своему составу и строению контактный слой резко отличается от цементного камня в трещинах и пустотах. Исследования контактного слоя с помощью электронного сканирующего микроскопа показали присутствие на границе порового пространства и формирующимся композитом наличие портландита, эттрингита и сростков С-Б-Н-геля.

Состав контактного слоя зависит также от физико-химической активности компонентов грунта. Исследование реакций, протекающих на поверхности различных грунтов: кислых - с содержанием 8Ю2= 65% (гранит, грану-лит, пироксеновый кварцевый порфир); промежуточных - с содержанием БЮг = 52-65% (авгито-порфир) и основных - с содержанием 8Ю2= 52% (диабаз, базальт, выветренный базальт), а также кварц, альбит, ортоклаз и карбонатные горные породы (доломит, долотоминизированный известняк), пока-

зало, что в начальные сроки основные породы связывают несколько больше извести, чем кислые.

Анализ структуры затвердевшего цементного камня проводили с помощью методов РФА и ДТА. Степень гидратации тонкодисперсных вяжущих определяли исходя из степени гидратации СзБ. Рентгенофазовый анализ показал, что степень гидратации составила около 85%. О количестве гидрокси-да кальция можно судить по интенсивности пика с! = 4,902А. В цементном

|

камне, в последующем, наблюдается также образование карбоната кальция I Значения (ё = 3,03, 2,492, 2,283, 2,294,1,904, 1,874, 1,628, 1,604, 1,525, 1,485А)

Таким образом, упрочнение грунтовых массивов после их пропиточной инъекции, а также каменных, бетонных и железобетонных конструкций, содержащих цементный камень в порах, трещинах и пустотах на основе суспензий с высоким водосодержанием и модифицированных наночастицами, обеспечивается совместной работой как структурно-целостного материала.

Рис. 6 Рентгенограмма пробы цементного камня на основе ТВ

На термограммах образцов наблюдаются эндотермические эффекты при температуре 100 - 120 °С, которые указывают на удаление слабосвязанной адсорбционной и частично гидратной воды из эттрингита (рис. 7). Процессы дегидратации в этом интервале температуры сопровождаются наиболее значительной потерей массы, которая фиксируется на кривой Тв. Эндоэффект в интервале температуры 840 - 860 иС, отмеченный на обеих термограммах, отражает дегидратацию кальцита. Экзотермический эффект при температуре 910 - 920 °С обычно относят к дегидратации тоберморитов. Как видно, кривые ДТА подтверждают результаты рентгенофазового анализа.

Технико-экономическая эффективность применения пропиточных композиций на основе ТВ для уплотнения и упрочнения грунтовых оснований зданий и сооружений, а

также восстановления качества каменных, бетонных и железобетонных конструкций обусловлена прежде всего: использованием малогабаритного и легко транспортируемого оборудования; малого объема буровых работ; возможности проведения работ в стесненных условиях и возможности проведения работ в труднодоступных участках, когда невозможно использовать другие способы. Важным преимуществом технологии пропиточной инъекции с применением ТВ является её экологическая безопасность и возможность производства работ при максимально комфортных для окружающей среды условиях.

Рис. 7 Термограмма образцов цементного камня на

Ш инъекцию не только как способ

конструктивные элементы сооружений, что обеспечивает повыше-'{ . ние несущей способности и надёж-

ÉШ~""~J "Ш • ности эксплуатации зданий и со-

*- і*'^,*-- а ц оружений, в которых грунтобетон. , ный массив рассматривается в ка-

■ * . ДйЬ 'V „ ал ' (

честве составного конструктивного элемента фундамента. (Рис. 8)

'» * *

Эффективность применения ТВ зависит от правильной оценки

Рис. 8 Заполнение порового пространства капиллярно пористых материалов продуктами проницаемости грунтов при про-гидратации. питке их структуры водными сус-

пензиями. С целью определения технологических параметров пропиточной инъекции, разработан метод оценки проницаемости грунтов, осуществляемый на специальной лабораторной установке. (Рис. 9)

Рис. 9 Лабораторная установка для пропитки проницаемых грунтов.

Для приготовления суспензии на основе ТВ используют следующее оборудование: скоростной смеситель с лопастным активатором с числом оборотов на вале не менее 2800 с мощностью не менее 1 кВт на каждые 30 дм3 суспензии. Например, смеситель с активатором турбинного многолопастного типа РМ-200, РМ-350, РМ-750. В качестве инъекционного насоса используют двухплунжерный или шнековый насос, обеспечивающий равномерную подачу суспензии в структуру грунта в режиме пропитки.

На основании проведенных исследований разработаны рекомендации по проектированию и применению тонкодисперсного вяжущего ТВ для уплотнения и упрочнения фунтов, а также для восстановления качества каменных, бетонных и железобетонных конструкций методом пропиточной инъекции. Рекомендации включают требования к материалам для приготовления вяжущего и пропиточных композиций на их основе, область применения, а также требования по безопасности и охране окружающей среды, транспортировке и хранению.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснована возможность существенного улучшения физико-механических характеристик фунтов и восстановления качества каменных, бетонных и железобетонных конструкций путём пропитки их структуры наномодифицированными суспензиями на основе тонкодисперсных вяжущих с максимальным размером зёрен от 5 до 16 мкм, образующих в результате гидратации коллоидные растворы с размером частиц 1-100 нм, имеющих высокий уровень энергии поверхности и служащих центрами кристаллизации как на поверхности порового пространства инъектируемого материала, так и в объёме капиллярно-пористой структуры способствуя образованию кристаллического сростка, состоящего из кристаллов гидроалюмината кальция, портландита, гидросульфоалюмината и гидросульфоферрита кальция, а также гелевую структуру, в которой дисперсионной фазой являются субмикро-кристаллы гидросиликатов кальция.

2. Разработаны пропиточные композиции на основе тонкодисперсных вяжущих, обеспечивающие после инъектирования и твердения прочность закрепленного грунта от 1,0 до 25,0 МПа и статический модуль упругости от 3000 МПа до 10 000 МПа.

3. Установлены зависимости основных технологических параметров инъекционного раствора (вязкости, седиментации, времени загустевания) и изменение их во времени от В/В, расхода пластификатора, времени и интенсивности перемешивания.

4. Установлена зависимость изменения вязкости раствора от В/В и времени выдерживания. Показано, что для значений В/В = 3,0 — 4,0 вязкость суспензии изменяется в незначительных пределах и практически одинакова для указанных значений В/В и соизмерима с вязкостью воды.

5. Установлена зависимость стабильности наномодифицированных суспензий от количества суперпластифицирующих добавок. Показано, что рационально использование добавки С-3 в суспензиях с В/В до 4,0 .

6. Установлена зависимость стабильности инъекционной суспензии от продолжительности и интенсивности перемешивания, характеризуемой скоростью вращения смесительного вала активатора.

7. Разработан технологический регламент для инъекционного закрепления грунта с учётом коэффициента фильтрации грунта, вида и свойств тонкодисперсного вяжущего, водовяжущего отношения суспензии и давления инъектирования.

8. Методами РФА и ДТА показано, что тонкодисперсное вяжущее после контакта с водой затворения находится в состоянии наномодифициро-ванной суспензии, обладает повышенной степенью гидратации уже на начальном этапе производства работ.

9. С применением методов РФА, ДТА и электронной микроскопии установлено, что в капиллярно-пористой структуре грунта, после её пропитки наномодифицированной суспензией формируется кристаллический сросток, состоящий из кристаллов гидроалюмината кальция, гидроксида каль-

ция, гидросульфоалюмината и гидросульфоферрита кальция, а также гелевая структура, в которой дисперсионной фазой являются субмикрокристаллы гидросиликатов кальция.

10. Предложены типовые конструктивно-технологические схемы практического применения ТВ для уплотнения и упрочнения грунтов, восстановления качества каменных, бетонных и железобетонных конструкций.

11. Выполнен сравнительный анализ технико-экономической эффективности пропитки с помощью тонкодисперсного вяжущего ТВ и альтернативных решений. Показано, что пропитка с помощью тонкодисперсных вяжущих ТВ позволяет снизить прямые затраты на 15-60% и сократить сроки производства работ на 20-50%.

12. Разработаны рекомендации по проектированию и применению тонкодисперсного вяжущего, которые включают требования к материалам для приготовления вяжущего и пропиточных композиций на их основе, область применения, а также требования по безопасности и охране окружающей среды, транспортировке и хранению.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. М.И. Баженов, А.И. Харченко, И.Я. Харченко «Технологические особенности применения особо тонкодисперсного вяжущего Микродур в геотехническом строительстве» // Строительные материалы. - 2012; № 10. -С 65 - 68

2. Баженов М.И., Харченко А.И. «Technologie und Eigenschaften von Kompositzementen fur die Bodeninjektion» // 18.Internationale Baustofftagung «I-bausil», 12-15.09.2012, Weimar, BRD. -C.l 105-1108

3. М.И. Баженов, А.И. Харченко «Исследования некоторых свойств цементов с тонкодисперсной добавкой» // Научно - технический вестник Поволжья. - 2012; № 5,- С. 83-86.

4. А.К. Дятлов, А.И. Харченко, М.И. Баженов «Sandbeton auf Basis von Kompositzementen fur den Monolithbau » Il 18.Internationale Baustofftagung «Ibausil», 12-15.09.2012, Weimar, BRD.- C. 760-763

5. А.И. Харченко, А.К. Дятлов, М.И. Баженов «Эффективные мелкозернистые бетоны на основе композиционных вяжущих для монолитного домостроения» // Научно - технический вестник Поволжья. — 2012; № 5.- С. 353-357.

6. А.К. Дятлов, А.И. Харченко, М.И. Баженов, И Я. Харченко «Композиционные вяжущие для мелкозернистых самоуплотняющихся бетонов» // Научно - технический вестник Поволжья. — 2012; № 5.- С.153-160.

Тираж 100 экз. Заказ №908 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский пр-т д.74 (495)790-74-77 www.reglet.ru