Кінетика структуроутворення і методи її регулювання

Вже в початковий період розробки методу укріплення ґрунтів цементом дослідженнями Безрука було встановлено, що умови твердіння цементу в глинистих цементоґрунтових сумішах різко погіршуються у порівнянні з умовами твердіння в бетонах внаслідок адсорбційного поглинання ґрунтами іонів Са або молекул гідрату вапна. Особливо несприятливими для нормального тверднення цементу є кисле середовище підзолистих ґрунтів і наявність гумусових речовин, не насичених основами. З урахуванням цього було запропоновано вводити в ґрунти, не насичені основами, невеликі насичуючі добавки вапна (2-3% від маси ґрунту). Позитивний ефект добавок вапна при укріпленні деяких ґрунтів цементом був підтверджений лабораторними дослідженнями і дослідно-виробничими роботами.

Досліди показали, що в некарбонатних глинистих ґрунтах, а також підзолистих ґрунтах, що містять кислі гумусові речовини, відбувається інтенсивне поглинання молекул вапна або іонів кальцію тонкодисперсною частиною ґрунту. При цьому поглинання гідрату вапна з рідкої фази і надходження його в розчин з твердої фази (в результаті гідролізу цементу) відбуваються безперервно протягом досить тривалого часу. При значних змінах концентрації гідрату вапна або іонів кальцію в рідкій фазі, а отже, і змінах рН середовища, може істотно змінюватися склад гідросилікатів цементу в твердій фазі. Це в свою чергу може відображатися на міцності зв'язків утвореної кристалізаційної структури і міцності цементоґрунту в цілому.

При добавках гашеного або меленого негашеного вапна, з одного боку, відбувається обмінне насичення ґрунту іонами кальцію, а з іншого боку, різколужне середовище (рН до 13,5), що створюється при цьому. У зв'язку з чим сильно зростає роль фізико-хімічного і хемосорбційного поглинання.

Стійкою формою гідросилікатів кальцію є з'єднання із співвідношенням СаО:SiO₂ = 2. У контакті з менш концентрованими розчинами Са(ОН)₂ утворюються гідросилікати з меншим змістом СаО.

Найменш сприятливими слід вважати умови структуроутворення при укріпленні некарбонатних важких суглинків та глин і особливо гумусових горизонтів ґрунтів підзолистого типу, що мають рН менше 6.

Викладене свідчить про те, що в цілях підвищення міцності і стійкості кристалізаційних структур в цементоґрунти з високим вмістом глинистих мінералів необхідно вводити невеликі добавки вапна спільно з добавками цементу.

Введення добавок вапна прискорює процес твердіння і збільшує кінцеву міцність цементоґрунтових сумішей, але в різному ступені для різних ґрунтів. В результаті підвищується міцність і довговічність цементоґрунту і стабільність в часі його механічних властивостей і водостійкості.

Вплив властивостей грунту і хіміко-мінералогічного складу цементу на процеси твердіння

Генезис ґрунту вирішальним чином позначається на його мінералогічному, хімічному і гранулометричному складі, а отже, і на його колоїдно-хімічних властивостях, що викликає різний характер твердіння цементованих ґрунтів.

Як показали дослідження походження ґрунту вирішальним чином позначається на його хіміко-мінералогічному складі і колоїдно-хімічних властивостях. Цей вплив стає особливо великим у тому випадку, коли на процеси вивітрювання накладаються нові і складніші процеси ґрунтоутворення.

Ці процеси не тільки приносять з собою складний вплив на властивості ґрунту якісно нового фактору – життя і розпаду біологічних індивідуумів (рослин, тварин, мікроорганізмів), але також сприяють накопиченню в ґрунті або вимиванню з нього гумусових речовин, легкорозчинних і важкорозчинних з'єднань, утворенню нових мінералів, яких раніше не було в материнській породі.

Результати дослідів показують, що структурно-механічні властивості і водостійкість цементоґрунту при однакових дозуваннях цементу залежать від мінералогічного складу, властивостей цементу і особливо від генезису і пов'язаних з ним колоїдно-хімічних властивостей мінералогічного і гранулометричного складу укріплюваного ґрунту. Ця залежність виявляється як при звичайному дозуванні цементу наприклад 14% і при надмірному дозуванні 25%.

При одному і тому ж типі ґрунту головними факторами, що визначають міцність цементоґрунту, є мінералогічний склад і ступінь дисперсності (тонкість помелу) цементу. При цьому у разі однакового мінералогічного складу цементу міцність цементоґрунту підвищується із збільшенням дозування цементу.

Так, наприклад, для більшості досліджених зразків цементоґрунту найбільш високі показники міцності були одержані при використанні алітового портландцементу, а найнижчі - при алюмінатному портландцементі грубого помелу.

Для гумусового горизонту вилуженого чорнозему міцність при стиску складає при добавці 14% алітового портландцементу 2,3 МПа, а при добавці 14% алюмінатного цементу з питомою поверхнею – 1,3 МПа. В цьому випадку міцність цементоґрунту знижується за рахунок впливу властивостей цементу на 41%.

Якщо ж порівняти міцність при добавці однакових по мінералогічному складу цементів і для різних ґрунтів, то картина буде наступною.

При добавці до карбонатної глини алітового портландцементу міцність при стиску складає 11,7 МПа, а для гумусового горизонту чорнозему, міцність при стиску при тій же добавці алітового цементу рівна лише 2,3МПа. Таким чином, падіння міцності, що викликається зміною властивостей ґрунту, складає 81%.