Дослідження властивостей ін’єкційних розчинів на основі цементу для якісного
N2, 2000
Дослідження властивостей ін'єкційних розчинів на основі цементу для якісного закріплення ґрунтів.
При новому будівництві та реконструкції будівель в інженерно-геологічних умовах Санкт-Петербурга, коли під товщею поверхневих відкладів (техногенних та різнозернистих пісків) залягає товща слабких пилувато-глинистих ґрунтів, необхідно враховувати, що більшість будівель, розташованих у центральній частині міста, була зведена на бутових фундаментах на природній основі. Проведені обстеження деформованих будівель на фундаментах дрібного закладення показують, що однією з причин деформацій, що виникли, є погіршення властивостей грунтів під підошвою фундаментів, викликане, як правило, різними техногенними факторами. Для відновлення несучої здатності фундаментів часто достатньо проведення інженерних заходів щодо покращення фізико-механічних властивостей ґрунтів основи.
Для закріплення ґрунтів у геотехнічному будівництві нині широко використовуються технології низьконапірної (тиску до 2,5-3 МПа) та високонапірної ін'єкції. Традиційно низьконапірна ін'єкція здійснюється заходками "знизу-вгору" або "зверху-вниз". Більш досконалим способом ін'єкції розчинів є манжетна технологія фірми "Солетанш-Баші", через яку через встановлену в грунт перфоровану манжетну трубу можна виконати кероване ін'єктування на будь-якому інтервалі. До високонапірної ін'єкції відноситься струминна технологія закріплення ґрунтів, коли ін'єкційний розчин подається в ґрунт через сопла бурового монітора під високим тиском (10-100 МПа). Успішне закріплення грунтів ін'єкційними методами припускають відповідність параметрів процесу ін'єкції та характеристик розчинів задачі, що розв'язується.
До основних видівін'єкційних розчинів відносяться: рідкі, пластичні, стабільні та нестабільні. Для практичного застосування для закріплення ґрунтів розроблено велику кількість рецептур ін'єкційних розчинів: це силікатні, глиноцементні, цементні, розчини на основі синтетичних смол, полімерів та ін.
2. Низьконапірна ін'єкція цементних розчинів
Важливим показником планування ін'єкційних робіт є гранулометричний склад грунтів. Ідеальним випадком ін'єкції є дотримання оптимального співвідношення між розмірами частинок розчину та ін'єкційного середовища [3]. Це співвідношення відповідає повному просочуванню середовища.
Методом ін'єктування цементними розчинами, однак, успішно можуть бути закріплені тільки крупно-і середньозернисті піски, меншою мірою дрібні піски. Однак на підставі проведених експериментальних робіт А. Камбефор зазначає той факт, що насправді проникність ґрунту на місці вище за величини, одержувані в лабораторних умовах, що пояснюється деформацією зразків ґрунту.
Показником можливості проведення ін'єкції цементного розчину в ґрунт за Ржаніцином Б.А. є відношення:
, (1)
де розмір частинок ґрунту (піску), дрібніший за яких у його складі міститься 15%, - розмір частинок цементу, дрібніший за яких у його складі 85%. Вважається, що при значенні M 8 ін'єкція можлива.
Але J.K. Mitchell [6] використовуючи те ж співвідношення вважає, що ін'єкція можлива при - М 24, а при M 3 ) це створює додаткові можливості для підвищення ефективності струминної технології.
Експерименти з гідромоніторного очищення вибою свердловин, проведені в Ленінградському гірничому інституті в 1965р. під керівництвом Б.Б. Кудряшова показали, що основним фактором ефективного очищення вибою єтурбулентний рух промивної рідини, ступінь інтенсивності якої визначається, головним чином, в'язкістю цієї рідини.
4. РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
Для оцінки реологічних і тиксотропних властивостей ін'єкційних цементних розчинів, що застосовуються, які характеризуються значеннями в'язкості, напругами зсуву, були проведені спеціальні дослідження.
Для виготовлення цементних розчинів використовувався лабораторний змішувач марки SC-VS-35W, що має швидкість обертання до 4500 об/хв. На пробних замісах було визначено оптимальне час перемішування суспензії (час, у якому стабілізувалася щільність розчину). У випробуваннях використовувався портландцемент М400 Пікалевського об'єднання "Глинозем". Мінералогічний склад цементу: C3S – 64%; C2S – 17%; C3A – 4%; C4AF – 1,1%, питома поверхня – 2400-2600см 2 /р.
Після приготування розчинів визначалися їх реологічні параметри та закладалися зразки-кубики в інвентарні форми розміром 7,07 х7, 07х7, 07см. Вимірювання реологічних характеристик цементних розчинів проводилося при температурі на ротаційному шестишвидкісному віскозиметрі FANN 35SA (рис.1) з двома коаксіальними циліндрами.
Мал. 1. Ротаційний віскозиметр FANN 35SA
1-вимірювальний циліндр; 2-зовнішній обертовий циліндр; 3-склянка з випробуваною рідиною; 4-вал підвіски вимірювального циліндра; 5-привід зовнішнього циліндра; 6-градуйований диск; 7-реперний візир; 8-динамометрична пружина; 9- перемикач швидкостей;; 10-пружинне зчеплення; 11-шестерня приводу для частот обертання 300-600 об/хв; 12-шестерня приводу для частот обертання 100-200 об/хв; 13-черв'ячне зчеплення для частот обертання 3 і 6 об/хв; 14-проміжний вал; 15-двошвидкісний синхроннийдвигун.
Досліджувалися цементні розчини із щільністю від 1,5г/см 3 до 1,8г/см 3 з добавками рідкого скла (Na2SiO3), хлористого кальцію CaCl2 та без добавок. Для збільшення рухливості ін'єкційних розчинів та зниження їх водопотреби використовувалася також добавка суперпластифікатора С-3. Результати експериментів наведено на рис. 2(а і б), при обробці результатів використовувалася статечна модель.
Рис.2а. Залежність динамічної граничної напруги зсуву від густини розчину. 1-цементний розчин без добавок; 2-цементний розчин з добавкою Na2SiO3; 3-цементний розчин з комплексною добавкою Na2SiO3+С3; 4-цементний розчин із добавкою CaCl2.
Рис.2б Залежність ефективної в'язкості від густини розчину. 1-цементний розчин без добавок; 2-цементний розчин з добавкою Na2SiO3; 3-цементний розчин з комплексною добавкою Na2SiO3+С3; 4-цементний розчин із добавкою CaCl2.
Для всіх розчинів з добавкою Na2SiO3 динамічна гранична напруга зсуву та ефективна в'язкість виявилися максимальними, а з добавками CaCl2 – мінімальними. Отже, хлоркальцієві цементні розчини за своїми реологічними властивостями є переважними (порівняно з силікатними цементними розчинами) для низьконапірного ін'єктування ґрунтів у режимі просочення, а також для використання у струминній технології.
При зміцненні ґрунтів методом гідророзривів може виявитися краще використовувати силікатні цементні розчини, що мають більшу седиментаційну стійкість (рис.3).
Рис.3 Залежність виходу цементного каменю від густини розчину.
1-цементний розчин без добавок; 2-цементний розчин з добавкою Na2SiO3; 3-цементний розчин з комплексною добавкою Na2SiO3+С3;4-цементний розчин із добавкою CaCl2.
Вихід цементного каменю для розчинів, приготованих з добавкою Na2SiO3 значно вищий, ніж без добавок. Набір міцності цементного каменю у віці 2 і 7 діб вище з добавкою CaCl2, крім того, добавка CaCl2 знижує коефіцієнт фільтрації цементного каменю.
Для оцінки тиксотропних характеристик розчинів визначалася їхня статична гранична напруга зсуву.
За результатами проведених досліджень можна зробити такі висновки:
Врахування реологічних параметрів ін'єкційних цементних розчинів необхідне при проектуванні робіт із закріплення ґрунтів.
Застосування хімічних добавок дозволяє у досить великому інтервалі значень регулювати реологічні властивості ін'єкційних цементних розчинів відповідно до умов розв'язуваної задачі.
Абрамович Г.П. Теорія вільного струменя та його застосування. Праці ЦАГРІ, 1936.
Баженов Ю.М. Високоміцний дрібнозернистий бетон для армоцементних конструкцій М. Будвидав 1963.127с.
Камбефор А. Ін'єкція ґрунтів. Пров. з французької. М: Енергія, 1971.
Струменева технологія пристрою протифільтраційних завіс та несучих конструкцій у ґрунті. Смородинов М.І., Крольков В.М. Огляд. М., ВНДІОСП, 1984.
Козодой О.К., Босенко О.А Гідравліка промивних та цементних розчинів. М.1969. 331с