Лекція № 3. Хімічні методи укріплення ґрунтів. Укріплення ґрунтів цементом.

Розділ. 2. Хімічні методи укріплення ґрунтів.

Лекція № 3. Хімічні методи укріплення ґрунтів. Укріплення ґрунтів цементом.

Вступ

Хімічне покращення ґрунту полягає у введенні в пори ґрунту речовин, що встановлюють міцні зв’язки між твердими частинками або надають поверхні частинок гідрофобні властивості.

Хімічне покращення використовують як до ґрунту порушеної структури так і до ґрунту в природному заляганні.

Хімічне покращення ґрунту порушеної структури, як правило, здійснюють шляхом змішування розпушеного ґрунту з в’яжучим, а потім – ущільнюють суміші і називають цей процес укріпленням ґрунту.

Хімічне покращення ґрунту в умовах його природного залягання здійснюють шляхом введенням в’яжучого в пори ґрунту без змішування частинок ґрунту з в’яжучим (наприклад нагнітанням в’яжучого під тиском) і називають цей процес закріпленням ґрунту.

Укріплення ґрунтів

Ґрунти укріплюють мінеральними, органічними та комплексними (мінеральні разом з органічними або ПАР) в’яжучими матеріалами або відходами промисловості.

У кріпленні ґрунти широко використовують для влаштування основи під капітальні та полегшені дорожні та аеродромні покриття, а також для влаштування перехідного дорожнього покриття.

Типові конструкції дорожнього одягу з основами укріпленими в’яжучими

Укріплення ґрунтів мінеральними в’яжучими або відходами промисловості

В якості мінеральних в’яжучих матеріалів при укріпленні ґрунтів використовують цемент, вапно, молотий гранульований шлак і золи виносу теплових електростанцій.

Найбільш широко розповсюджено укріплення грунту портландцементом, який містить, як правило до 75 % силікатів кальцію (3СаО Sі0₂ – трикальцієвого і 2СаО Sі0₂ – двокальцієвого), а також алюмінатів кальцію (3СаО Al₂0₃ – трикальцієвий алюмінат).

Теоретичні основи укріплення ґрунтів цементом

В даний час встановлено, що портландцемент, як і ряд інших гідравлічних в’яжучих речовин, при взаємодії з водою з часом твердіє з утворенням різних водних кальцієвих силікатів, алюмінатів, феритів, а також сульфоалюмінатів і сульфоферитів.

Структурно-механічні властивості цементного каменю в різні терміни його твердіння залежать від його фазового складу. З цього виходить, що шляхом зміни останнього за допомогою тих або інших факторів можна істотно регулювати властивості цементного каменю, покращуючи їх у потрібному напрямі при виготовленні будівельних розчинів, бетонів або укріпленні цементом різних ґрунтів.

При зачиненні цементу водою остання швидко збагачується лугами і вапном, в результаті гідролізу відповідних з'єднань, які входять до складу клінкеру, а також гіпсом. Тому всі подальші процеси (в умовах наявності інертного заповнювача або без нього) відбуваються в середовищі, багатому вказаними компонентами.

Вміст гіпсу досить швидко падає через зв’язування його у важкорозчинний гідросульфоалюмінат кальцію. Концентрація вапна у вказаних умовах, у найближчий після зачинення час досягає значень, що перевищує нормальну розчинність Са(ОН)₂ і зберігає таке значення тривалий час за умови відсутності речовин, що викликають хімічне або фізико-хімічне поглинання молекул Са(ОН)₂ або катіонів кальцію.

Дослідження показують, що кристали і зростки кристалів Са(ОН)₂ виникають в перші ж моменти взаємодії портландцементу з водою. З часом їх кількість збільшується до 15% і більше від маси цементного каменю. Таким чином, кристали і зростки кристалів Са(ОН)₂ є важливим структурним елементом кристалічного каркаса цементного каменю.

Взаємодія глинистих частинок з цементом

Оскільки вапно у вигляді Са(ОН)₂ завжди утворюється в процесі гідратації портландцементу, то можна припустити, що взаємодія мінералів вапна і глини чинять великий вплив на процес взаємодії між глиною і цементом в цілому.

Реакції між мінералами глини і вапна можуть бути розділені на два різні типи: що завершуються відносно швидко (іонообмін і коагуляція); що протікають поволі (карбонізація, пуцоланові реакції і утворення нових цементуючих речовин).

Додавання вапна до глинистих часток викликає їх коагуляцію внаслідок підвищення вмісту електроліту в поровій воді, а також в результаті іонообміну між глиною і речовиною, до складу якої входить кальцій.

Хоча коагуляція та іонообмін можуть бути закінчені в декілька днів, повільніші реакції, що дають цементуючий матеріал, можуть продовжуватися на протязі декілька років. Цементуючий матеріал в сумішах вапна і глини може утворитися в результаті карбонізації і хімічних реакцій між компонентами глини і вапна. Карбонізація відбувається на поверхнях, що знаходяться на повітрі, і вона полягає в перетворенні вапна в карбонат кальцію при поглинанні двоокису вуглецю з повітря. Карбонат кальцію цементує частинки ґрунту і підвищує їх міцність.

Пуцоланові хімічні реакції між вапном і ґрунтом відбуваються протягом століть.

Мінерали, що входять до складу глин і деяких інших компонентів ґрунту, володіють властивостями, що властиві пуцолановим добавкам. Додавання вапна до ґрунту або утворення його в процесі гідратації цементу викликає різке підвищення рН порової води внаслідок розчинення і дисоціації Са(ОН)₂. Високе значення рН підвищує реактивну здатність поверхні часток, до складу яких входить двоокис кремнію і глинозему. Іони кальцію з'єднуються з реактивним водним двоокисом кальцію і глиноземом і утворюють поступово твердіючий цементуючий матеріал.

Наприклад, при добавці в ґрунт 10-14% цементу, тобто такої кількості добавок, які переважно застосовуються у виробничих умовах, різко виражається вплив властивостей ґрунту на кінцеву міцність цементоґрунту.

Із збільшенням добавки цементу (18-26%), коли поровий розчин пересичується гідратом оксиду кальцію і, отже, процес твердіння починає протікати при інтенсивній кристалізації гідросилікатів з підвищеною основністю, міцність цементоґрунту різко зростає.

При обробці гумусового горизонту чорнозему, що характеризується наявністю гумусових речовин, процеси гальмування твердіння гідратованих зерен цементу проявляється в більшій мірі.

Лише при дуже великому дозуванні цементу (30%) відбувається різкий перелом в підвищенні міцності чорноземного цементоґрунту. При цьому міцність його після 90-добового терміну тверднення стає рівній міцності зразка з покривної глини з добавкою 14% цементу.

З приведених даних можна зробити наступні висновки:

1. Гідратуючий цемент є частково кристалічною, багатофазною лужною системою, що містить гідрооксид кальцію, гідрати силікату кальцію і гідратовані алюмінати. Ця система здатна вивільняти вапно. Важливою обставиною є той факт, що гідроксид кальцію (гідрат вапна), що утворюється у момент виділення, в початковий період більш реактивно здатний, чим звичайне вапно.

2. При змішуванні вапна з вологими глинистими мінералами швидко відбувається коагуляція тонкодисперсних часток і іонообмін. Надмірне вапно, що не бере участь в іонообміні, може хімічно реагувати з мінералами глини. Ця реакція пуцоланового типу протікає дуже поволі. Первинні продукти реакції аморфні і далі можуть придбати кристалічну форму.