Физико-химические процессы, лежащие в основе закрепления грунтов инъекцией

С химической точки зрения в основе инъекционного хими­ческого закрепления грунтов лежит явление конденсации неор­ганических и органических полимеров (крепителей) при их вза­имодействии с коагулянтами (отвердителями), заключающееся в утверждении полимеров в порах и трещинах грунта, что и обес­печивает положительные изменения физико-механических свойств закрепляемых грунтов и горных пород. Участвующие в процессе закрепления грунтов химические вещества и газы назы­ваются закрепляющими реагентами. Смесь растворов крепите­лей и отвердителей рабочих концентраций при однорастворном химическом закреплении называется гелеобразующей смесью.

Закрепление песчаных грунтов

Способ двухрастворпой силикатизации. При закреплении грунтов двухрастворным способом силикатизации в грунт через систему забитых металлических инъекторов поочередно нагнетают два химических раствора. В результате химической реакции, проходящей между этими растворами, в порах грунта выделяет­ся гидрогель кремниевой кислоты и грунт быстро и прочно зак­репляется.

В качестве первого раствора обычно используется раствор силиката натрия, а в качестве второго — хлористый кальций. В результате химической реакции, возникающей при соприкосно­вении раствора силиката натрия с раствором хлористого каль­ция, на поверхности раздела этих жидкостей образуется пленка кремниевой кислоты. Примерно через 1 час после начала реак­ции в толще раствора, кроме увеличивающихся в размерах и ко­личестве кристаллов, образовавшихся сразу после начала реак­ции, возникают комочки гидрата окиси кальция. Через 3 часа количество выпавшего гидрата кальция значительно увеличива­ется, и появляются кристаллы хлористого натрия. Раствор начи­нает кристаллизоваться. Затем, в течение многих месяцев, гидрат окиси кальция, заключенный в пленку кремниевой кислоты, и кремниевая кислота вступают между собой в химическое соеди­нение и постепенно образуют силикат кальция. В результате прочность химически закрепленного грунта, подобно прочности цементного раствора, со временем возрастает.

При двухрастворной силикатизации первым в грунт нагнета­ется раствор силиката натрия, вытесняющий из грунта воду и заполняющий собой все поры, в результате чего грунтовый мас­сив оказывается пропитан раствором силиката натрия. Концент­рация этого раствора в грунте несколько отличается от концент­рации исходного раствора, так как между ним и поверхностью частиц в момент нагнетания остается тонкая пленка воды, сни­жающая концентрацию раствора. Затем в ту же скважину нагне­тается хлористый кальций, частично вытесняющий из пор грун­та раствор силиката натрия, образуя пленку вокруг каждой час­тицы. Благодаря вышеописанной химической реакции, происхо­дящей на границе раздела нагнетаемых растворов, образуется студенистый гель кремниевой кислоты. После окончания этого процесса грунт приобретает прочность, связность и водонепро­ницаемость.

Основным показателем качества закрепленного грунта явля­ется предел прочности на сжатие, зависящий от гранулометрического состава и коэффициента фильтрации закрепляемого грунта и характеристик исходных растворов (плотности, вязкости, мо­дуля).

Влияние гранулометрического состава грунта связано с пло­щадью суммарной поверхности частиц и количеством цементи­рующего вещества. В результате поочередной инъекции раство­ров силиката натрия и хлористого кальция каждая из частиц грунта покрывается тонким слоем цементирующего вещества. Площадь суммарной поверхности частиц грунта в единице объе­ма зависит от крупности частиц — чем мельче грунт, тем больше площадь суммарной поверхности (табл. 2.6 [53]). Поскольку вмассе грунта частицы соприкасаются между собой только в от­дельных точках, в которых и происходит их скрепление цементи­рующей пленкой, то у крупнозернистого грунта точек контакта будет в несколько раз меньше, чем у мелкозернистого. Таким об­разом его сопротивление разрушающему усилию по любой плос­кости будет значительно меньше.

Таблица 2.6. Площадь суммарной поверхности и прочность закрепленного песчаного грунта в зависимости от крупности частиц

Крупность	Средний	Пори-	Площадь	Толщина	Предел
частиц, мм	диаметр,	стость,	суммарной	пленки,	прочности
	мм	%	поверхности, см^2/см^3	мкм	на сжатие
2-1	1,5	32,3	26,8	15,0	2,7
1-0,5	0,75	33,5	53,2	7,4	4,8
0,5-0,25	0,37	34,0	112,66	3,6	5,0

Таблица 2.7. Прочность закрепленных песчаных грунтов (через 15 дней)

Наименование песчаного грунта

Коэффициент фильтрации, м/сут

Предел прочности на сжатие, кг/см²

Мелкозернисты и Средней крупности Крупнозернистый

2-10

10-20

20-50

30 20 10

Другой фактор, определяющий прочность закрепляемого грунта, — плотность исходного раствора силиката натрия. Самая высокая прочность достигается при использовании растворов с плотностью 1,40-1,45 г/см³. Использоваиие растворов с более высокой плотностью из-за их более высокой вязкости приводит к их неравномерному проникновению в грунт и, как следствие, к меньшей прочности закрепления. Использоваиие растворов с меньшей плотностью также приводит к снижению прочности. Пределы концентрации жидкого стекла для различных типов песчаных грунтов приводятся в табл. 2.8.

Таблица 2.8. Пределы концентрации жидкого стекла для раз­личных типов песчаных грунтов

Наименование песчаного грунта	Коэффициент фильтрации, м/сут	Удельный вес жидкого стекла, кг/м^3
Мелкозернистый едней крупности Крупнозернистый	2-10 10-20 20-50	1,33-1,38 1,38-1,41 1,41-1,43

Аналогичным образом на прочность закрепляемого грунта влияет модуль раствора силиката натрия. Повышение прочности с ростом модуля продолжается до величин 2,75+3,1, затем, при повышении модуля, из-за увеличения вязкости раствора проч­ность снижается.

Важное практическое значение имеет устойчивость хими­ческого закрепления в агрессивных средах. При двухрастворнойсиликатизации песок устойчив в воздушно-влажной, вод­ной и солевых средах, где он сохраняет свою первоначальную прочность. Устойчивость силикатизированного песка резко снижается в концентрированных растворах щелочей и кислот вследствие растворения и вымывания в щелочной среде цемен­тирующего геля кремниевой кислоты, который в аморфной форме переходит в водорастворимую форму, и растворения гид­рата окиси кальция, являющегося вторым вяжущим компонен­том наряду с гелем кремниевой кислоты, в кислой среде. Срок возможной сохранности силикатизированного песка в услови­ях высокой концентрации кислых и щелочных вод составляет 5-4-10 лет.

Способ двухрастворной силикатизации применяется в тех случаях, когда требуется прочное закрепление песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации от 2 до 80 м/сут.

Способ однорастворный силикатизации применяется в тех случаях, когда необходимо устройство водонепроницаемой заве­сы небольшой прочности в песках с коэффициентом фильтрации менее 2 м/сут. Существует несколько рецептур однорастворного способа силикатизации, основанных на создании гелеобразующих растворов с малой вязкостью, которая должна сохраняться в течение всего времени нагнетания раствора в грунт. Продолжи­тельность нагнетания зависит от проницаемости грунта в зоне распространения раствора, поэтому растворы должны обладать регулируемым временем гелеобразования. За время гелеобразования принимается период между моментом окончания введения отвердителя в основной раствор и моментом перехода смеси из жидкого состояния в желеобразное. Кроме этого закрепляющие растворы должны придавать грунту связность и некоторую проч­ность. Этим требованиям удовлетворяют силиказоли — однород­ные растворы, которые получают в результате смешения раство­ра силиката натрия (основного раствора) и коагулянта (раствора-отвердителя). На время гелеобразования влияют концентра­ция растворов силиката натрия и отвердителя, их температура и количество отвердителя. Силиказоли, инъецированные в грунт, заполняют его поры и через заданное время образуют гель крем­ниевой кислоты, цементирующей грунт. Грунт, закрепленный та­кими растворами, практически водонепроницаем, достаточно прочен и долговечен в агрессивных средах.

В настоящее время наиболее часто используются три рецепту­ры однорастворной силикатизации, применяемые для закрепления мелких песков с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 2,0 м/сут.

Силикатно-кремнефтористоводородная рецептура. В каче­стве отвердителя силикатного раствора в этой рецептуре исполь­зуется кремнефтористоводородная кислота. Специфической осо­бенностью этой кислоты является ее способность растворять ме­таллы, особенно чугун, поэтому при ее использовании рекомен­дуется использовать емкости из нержавеющей стали или емкос­ти со специальным покрытием.

Основными преимуществами этой рецептуры являются; большой выход геля кремниевой кислоты, что способствует по­лимеризации силикатных растворов и упрочняет гель, а также то, что количество кремнефтористоводородной кислоты в 8-10 раз меньше количества раствора силиката натрия, что дает суще­ственную экономическую выгоду.

Данная рецептура предназначена для прочного закрепления грунтов и позволяет закреплять грунты с широким диапазоном прочности: от 0,15 до 4,0 МПа.

Для прочного закрепления используются растворы повы­шенной плотности: 1,3 г/см³ для силиката натрия и 1,13 — для кислоты. В течение первых 24 часов прочность грунта достигает 1,5 МПа, а через 28 суток — 4,0 МПа. Использование рецептуры с растворами пониженной плотности (1,04 г/см³ для силиката натрия и 1,037 для кислоты) дает прочность порядка 0,25 МПа и позволяет уплотнять грунты.

Как и при всех остальных способах химического закрепления, на прочность грунта влияют его гранулометрический состав и коэффициент фильтрации.

Алюмосиликатная рецептура была разработана в 1961—1965 гг. и базируется на коагуляции раствора силиката натрия раствором алюмината натрия. Эта рецептура используется для инъецирова­ния песков с малой проницаемостью вследствие малой вязкости алюмосиликатного золя, близкого к вязкости воды, что позволяет придать-грунту монолитность и водонепроницаемость. Прочность песков, закрепленных этим методом, не превышает 0,15-^0,2 МПа.

Глиносиликатиые рецептуры:

1. Глиноалюмосиликатная рецептура, разработанная на осно­ве алюмосиликатного раствора с введением в него глинистого раствора, полученного из бентонитовой или местной глины. По своей природе глиноалюмосиликатный золь представляет собой коллоидный раствор — вязко-пластичную систему, для придания движения которой необходимо приложить некоторую силу. При­чина подобного поведения этих растворов заключается в том, что содержащиеся в них дисперсные частицы образуют структуру, обладающую механической прочностью.

2. Глиносиликатная рецептура с малыми добавками силиката натрия основана на введении небольшого количества силиката натрия в глинистый раствор. При использовании этой рецепту­ры к раствору бентонитовой глины добавляется 0,5+1 % массы сухой глины силиката натрия. Эта добавка в начальный момент времени играет роль пластификатора, увеличивая величину рас-плыва раствора, а через 1 сутки после введения раствора в грунт обеспечивает образование геля, способного тампонировать грунт и придавать ему водонепроницаемость. Использование глиноси-ликатной рецептуры позволяет снизить коэффициент фильтра­ции грунта более чем в 500 раз, причем с течением времени коэф­фициент фильтрации остается постоянным, и грунт не подверга­ется суффозионным процессам.

Глиносиликатные растворы характеризуются следующими свойствами:

1) высокой дисперсностью и малой вязкостью, обеспечивающи­ми их проникание в песчаные грунты;

2) замедленным гелеобразованием, обеспечивающим нагнета­ние заданного объема раствора;

3) стабильностью, т.е. отсутствием расслаивания.

Грунты, закрепленные глиносиликатными растворами, обла­дают небольшой прочностью порядка 0,15+0,2 МПа, способной противостоять разрушающему действию грунтовых вод, и сни­жают коэффициент фильтрации грунта до 1 м/сут.

Пески, закрепленные алюмосиликатными и глиносиликатны­ми растворами, устойчивы в агрессивных средах. В частности, в кислых средах прочность закрепленного грунта не изменяется, а в щелочных средах она понижается только при рН > 10, т.е. в ус­ловиях, которые в городском подземном строительстве практи­чески не встречаются.

Газовая силикатизация. Сущность способа заключается в последовательном нагнетании в грунт через инъекторы или специально оборудованные скважины раствора силиката натрия и угле­кислого газа, в результате чего грунт приобретает прочность и во­доустойчивость. Способ применяется для закрепления водонасы-щенных песков и супесей с коэффициентом фильтрации от ОД до 20 м/сут. При этом происходит увеличение объема закрепленно­го массива но сравнению с однорастворнои силикатизацией на 25-^-75 %. На закрепление 1 м³ расходуются 4 кг углекислого газа.

Эффективность закрепления грунта повышается в результате его активации путем предварительной обработки углекислым га­зом. Активация грунта вызывает подкисление грунтовой воды с замещением воздуха и поровой воды на углекислый газ с образо­ванием трехфазной системы.

Окончательное отверждение раствора силиката натрия про­исходит при вторичном нагнетании углекислого газа, что приво­дит к образованию более прочного геля кремниевой кислоты и более прочному закреплению. Еще одним фактором, улучшаю­щим качество закрепления, является самовакуумирование грун­та, возникающее при взаимодействии предварительно закаченно­го газа с силикатом натрия. Вытеснение части раствора к пери­ферии с одновременным его отверждением увеличивает радиус закрепления.

При применении этого способа прочность закрепленного грунта составляет от 1,4 до 4 МПа.

Однорастворная смолизация. Сущность способа заключает­ся во введении в грунт высокомолекулярных органических со­единений типа карбамидных, фенолформальдегидных и других синтетических смол в смеси с отвердителями. Через определен­ный промежуток времени в результате химической реакции смо­лы с отвердителем начинается процесс полимеризации смолы, протекающий в три этапа:

1. раствор теряет первоначальную вязкость — густеет;

2. раствор переходит в желатинообразное состояние;

3. раствор превращается в твердое вещество. Образовавшееся в порах грунта твердое вещество придает

грунту высокую прочность и водонепроницаемость.

Смолы, используемые для химического закрепления грунтов в строительстве, обладают следующими основными свойствами: 1. высокая адгезионная способность (достаточно высокое сцеп­ление с грунтом в присутствии воды);

2. высокая когезионная способность (высокая степень внутрен­него молекулярного сцепления);

3. способность достаточно быстро полимеризоваться при нор­мальной и пониженной температуре и повышенной влажнос­ти;

4 устойчивость к воздействию микроорганизмов.

В настоящее время для закрепления грунтов наиболее часто используются растворы карбамидной смолы, придающие грунту высокую прочность, зависящую от концентрации смолы, време­ни гелеобразования, гранулометрического состава грунта и его коэффициента фильтрации. Наличие в песках глинистых частиц и карбонатов снижает качество закрепления, так как некоторая доля этих частиц поглощает соляную кислоту из гелеобразующе-го раствора, в результате чего происходит повышение рН раство­ра и увеличивается время гелеобразования. Поэтому при нали­чии в песчаном грунте карбонатов и глинистых частиц произво­дится его предварительная обработка раствором соляной или ща­велевой кислот. Основной недостаток этого способа — выделение в окружающую среду в процессе твердения смолы свободного формальдегида, в определенных концентрациях являющегося токсичным.

Предел прочности на сжатие песчаного грунта, закрепленно­го этим способом, изменяется от 1,0 до 5,0 МПа. Прочность зак­репления, в основном, зависит от плотности раствора смолы и гранулометрического состава грунта.

Наибольшую прочность получают при использовании смо­лы с плотностью 1,17 г/см³ и соляной кислоты с плотностью 1,023 г/см³. В этом случае грунт, кроме высокой прочности, приобретает весьма малый коэффициент фильтрации — поряд­ка 310"³ см/с.

Агрессивными по отношению к грунту, закрепленному смо-лизацией, являются кислые растворы с рН < 3 и щелочные ра­створы с рН > 13. Учитывая, что рН грунтовых вод в природных условиях изменяется в пределах 6-5-8, обычно принимается, что грунт, закрепленный смолизацией, считается устойчивым к аг­рессивным средам.

Уплотнение грунтов методом холодной битумизации. Сущность способа заключается в том, что в грунт через ииъекторы нагнетается битумная эмульсия, представляющая собой чрезвычайно мелкую дисперсию битума с размером частиц 1*3 мкм в воде. Затем эмульсия под влиянием коагулирующих частиц, вво­димых в грунт до, во время или после инъекции битумной эмуль­сии, распадается. Отдельные частицы битума коагулируют (со­единяются вместе) и заполняют поры грунта плотной массой, придавая ему связность, водонепроницаемость и некоторую до­полнительную прочность.

Главным условием применения этого способа является диспер­сность эмульсии, так как нагнетание в грунт растворов с суспензи­рованными в них веществами, таких, как битумные эмульсии или цементные растворы, возможно лишь при условии, что между раз­мерами пор грунта и частиц дисперсной среды существует опреде­ленное соотношение. Для битумных эмульсий это соотношение составляет: для мелкозернистых песков 1*3 мкм; для крупных пес­ков с размером частиц около 1 мм — от 1 до 30 мкм.

Помимо дисперсности на проникновение и распространение битумной эмульсии в грунте влияют: ее концентрация, вязкость и степень влажности грунта. Так, например, для сухих и мало­влажных мелкозернистых песков рабочая концентрация эмуль­сии должна составлять 25-^-35 %; для крупнозернистых песков — около 45+50 %. Пределом применимости способа считается коэф­фициент фильтрации грунта от 10 до 100 м/сут.

Перед инъекцией в грунт битумная эмульсия стабилизирует­ся путем введения в нее поверхностно-активных (мыла, белко­вых веществ) или неорганических (коллоидных глин, гидрооки­сей металлов) веществ для того, чтобы она не распадалась при разбавлении водой, соприкосновении с грунтом и грунтовыми водами.

Конечной целью инъецирования является закупоривание пор грунта битумом, выделенным из эмульсии, и придание грунту водонепроницаемости. Нагнетаемая в водонасыщенный грунт эмульсия отжимает воду и заполняет собой все поры. Под воз­действием коагулирующих веществ эмульсия распадается. От­дельные частицы битума, лишенные защитных оболочек эмуль­гатора-стабилизатора, соединяются вместе группами в виде гроз­девидных тел, забивающих водопроводящие каналы грунта пре­рывистой цепочкой. В дальнейшем группы частиц теряют свою форму, образуя одно целое, и заполняют отрезок канала в грунте, одновременно адсорбируясь частицами грунта. Свободная часть канала между отдельными сгустками коагулированного битума заполнена освободившейся от эмульсии водой и продуктами ре­акции коагулянта с эмульгатором.

После уплотнения грунта битумной эмульсией его коэффи­циент фильтрации снижается до 10*15 раз, грунт приобретает связность, но вследствие пластичности битума не окаменевает.

Закрепление глинистых грунтов

Закрепление и уплотнение глинистых грунтов производится с использованием постоянного электрического тока одним из грех способов: электроосмотическое обезвоживание (осушение), электрохимическое закрепление и электросиликатизация. Пер­вый способ позволяет разрабатывать насухо котлованы в глини­стых грунтах путем применения постоянного электрического тока и иглофильтрового водопонижепия с изменением свойств грунта только на период разработки котлована. Второй способ основывается на химических процессах, протекающих в грунте при длительном воздействии постоянного электрического тока, например, замене в поглощающем комплексе грунта кальция и натрия на водород и алюминий, в результате чего грунт приобре­тает необратимую механическую прочность. Третий способ ис­пользует явление электроосмоса с одновременным введением в грунт под давлением растворов силиката натрия и хлористого кальция или одного гелеобразующего раствора на основе сили­ката натрия. В этом случае закрепленный глинистый грунт при­обретает прочность и водоустойчивость.

Дата добавления: 2014-12-23