15. ШТУЧНІ ОСНОВИ, ЯКІ УТВОРЮЮТЬ ЗА ДОПОМОГОЮ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

15.1. ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ

Зараз в Україні чітко простежується тенденція збільшення питомого обсягу будівництва в складних інженерно-геологічних умовах. З одного боку це викликано вимогами до збереження сільськогосподарських земель, а з другого

– розвитком техногенних процесів (підтоплення територій, утворення насипних ґрунтів тощо). Перспективними з точки зору фундаментобудування у цих умовах слід вважати технології створення штучних основ за допомогою різних фі- зико-хімічних процесів.

До цих процесів належать прийоми, які полягають у нагнітанні в ґрунти розчину рідкого скла (силікату натрію), лужних розчинів, синтетичних смол, цементного розчину, бітумної емульсії тощо. Після тужавіння введеного матеріалу утворюються штучні основи, що мають значно кращі будівельні якості. Створене суцільне тіло за своїми властивостями нагадує скельний ґрунт, міцність котрого не тільки не зменшується з часом, а навіть зростає.

Закріплення ґрунтів хімічними засобами відоме з кінця ХІХ сторіччя. З тих пір було розроблено багато різних рецептур, кожна з яких має свою галузь використання, обмежену величиною коефіцієнта фільтрації, хімічним складом ґрунтів, особливостями реагентів, котрими закріпляють ґрунт, і багатьма іншими чинниками. З часом ці методи показують свою ефективність або непридатність у певних ґрунтових умовах.

Досить поширена термічна обробка лесових ґрунтів, що веде до створення міцної основи, властивості якої подібні до властивостей звичайної цегли.

Нарешті, закріплення слабкого водонасиченого ґрунту можливе за рахунок збезводнювання його за допомогою вертикальних дрен, водозниження, а також електрохімічного впливу. Останній також сприяє закріпленню грунту.

Перелічені прийоми не завжди можна застосовувати. Їх виконують згідно з ретельним обґрунтуванням та техніко-економічним аналізом. Необхідно також мати на увазі, що нагнітання деяких хімічних речовин у геологічне середовище може значно погіршити його екологічний стан.

15.2. ПОЛІПШЕННЯ ҐРУНТУ ОСНОВИ ЧЕРЕЗ НАГНІТАННЯ В’ЯЖУЧОЇ РЕЧОВИНИ

Найбільше поширення в практиці будівництва здобула однорозчинна або дворозчинна силікатизація, тобто нагнітання в ґрунт розчинів, котрі в своєму складі містять силікат натрію (рідке скло). Якоюсь мірою силікатизація нагадує процес, що виникає у природних умовах при створенні пісковиків.

В. Є. Соколович, А. А. Акімов. Вони поширили застосування прийому на закрі-

414

плення пливунів та влаштування протифільтраційних запон.

Однорозчинна силікатизація полягає в закачуванні в ґрунт через ін’єктори – металеві перфоровані труби, які змонтовані з ланок 1...1,5 м завдовжки та діаметром 38 мм, рідкого розчину силікату натрію з добавками коагуляторів. Залежно від технологічної схеми ін’єктори розташовують вертикально (рис. 15.1), похило або навіть горизонтально щодо поверхні ґрунту. Глибина закріплення залежить від ґрунтових умов й особливостей будівель.

При дворозчинній силікатизації, яка була запропонована професором Б. О. Ржаніциним у 1929 р., через ін’єктори під тиском 0,2-0,3 МПа по черзі нагнітають розчини рідкого скла (Na2O n SiO2 ) і хлориду кальцію (CaCl2 ). Та-

кий метод використовують для закріплення пісків. Закріплювач подають при зануренні ін’єкторів зверху вниз, а розчин для тужавіння маси під час зворотного руху ін’єкторів – знизу вверх.

Взаємодія силікату натрію з сіллю типу хлориду кальцію, яка міститься в природному ґрунті, приводить до створення гелю кремнієвої кислоти. Останній із часом тужавіє. Через 28 діб міцність штучно створеного матеріалу досягає

0,4...1,5 МПа.

Найбільший ефект використання такого прийому виникає при закріпленні лесового ґрунту з коефіцієнтом фільтрації більше ніж 0,2 м/добу. При цьому відбувається:

–зниження пористості на 7 %;

–зниження числа пластичності на 64 %;

–збільшення щільності на 6 %;

415

–збільшення зчеплення до 8,5 разів;

–збільшення кута внутрішнього тертя майже до 1,2 разу;

–збільшення модуля деформації до 6 разів;

–зменшення коефіцієнта відносної просадочності у 15 разів. Реакція закріплення має вигляд

Na2O n SiO2 + CaCl2 + mH2O = n SiO2 ( m −1)H2O + Ca( OH )2 + 2NaCl . (15.1)

Перший член правої частини формули – гель кремнієвої кислоти.

Досвід показав, що використання методу силікатизації за рівнянням (15.1) дозволяє надійно закріпляти лише незабруднені хімічними речовинами ґрунти. Коли використовувати цю рецептуру для закріплення ґрунтів, забруднених кислими промисловими стоками, виникає явище швидкого гелеутворення з кольматацією пор ґрунту навколо ін’єктора. Як наслідок – неможливість або ускладненість просочування розчину у ґрунт. Це може призвести до неоднорідного закріплення, так званої “острівної силікатизації”.

Сучасні дослідження, які проведені у Харкові (Бронжаєв М. Ф., 1997; Мішурова Т. В., 2001) показали, що найбільш ефективними рецептурами силікатизації, які дають стабільні результати закріплення навіть у забруднених ґрунтах при високих показниках екологічних вимог, є:

- силікатно-натрієво-фосфорнокисла рецептура

+ p( rK2O P5O5 tH2O ) + s( lK2O PO4 iH2O ) + v( yK2O PO3 zH2O ).

Доведено, що калієві гелі більшою мірою забезпечують стабільність одержання проектних параметрів часу гелеутворення порівняно з натрієвими. Міцність калієвих гелів у 1,4 разу більша, ніж натрієвих.

Теоретичні критерії основних розрахункових параметрів закріплення – час початку гелеутворення й об’ємні співвідношення вихідних компонентів з урахуванням температури навколишнього середовища – базуються на піонерній теорії “буферного інтервалу”, розробленої для аналізу хімічного закріплення ґрунтів М. Ф. Бронжаєвим (2000).

Спростити роботи з підбирання рецептури розчинів для закріплення ґрунтів можливо за рахунок упровадження нових ефективних технологій подаван-

ня їх у ґрунт: бурозмішувальної, струминної тощо.

Для закріплення лесового ґрунту використовують також газову силікатизацію, при якій, крім закачування розчину рідкого скла, через ін’єктори в ґрунт нагнітають вуглекислий газ. Останній сприяє швидкому та повному тужавінню закріпленої маси ґрунту.

Таким чином, щоб мати надійні результати силікатизації ґрунтів, необхідно на кожному будівельному майданчикові проводити детальні дослідження, у тому числі хімічні аналізи ґрунтів і дослідні роботи, для того, щоб на основі

416

цих даних підібрати відповідну рецептуру закріплення і спосіб подавання розчину в ґрунт. Основна задача при підбиранні рецептури – визначення оптимального терміну гелеутворення для конкретних умов закріплення.

Закріплення ґрунту за допомогою силікатизації використовують для створення суцільного масиву закріпленого ґрунту під стрічкові фундаменти або плити та у вигляді поодиноких масивів, між якими є ділянки незакріпленого ґрунту, під окремі фундаменти.

Розміри підошви фундаментів визначають за формулою (12.1), за допомогою якої розрахунковий опір визначають із використанням показників міцності φІІ і сІІ для силікатизованого ґрунту. Ці показники розраховують після статистичної обробки результатів лабораторних випробувань зразків на зрушення або за таблицею залежно від міцності кубиків силікатизованого ґрунту у віці 28 діб.

Довговічність піщаних і глинястих ґрунтів, закріплених силікатизацією, визначається стійкістю гелю кременевої кислоти й інших кристалічних сольових утворень, які знаходяться у поровому просторі, до впливу різних агресивних хімічних розчинів (кислотних, лужних, сольових, водних). Основні висновки з цього питання мають загальний характер для піщаних та глинистих ґрунтів:

-у нейтральних і кислих середовищах гель кременевої кислоти не руйнується, тобто закріплений ґрунт стійкий невизначено довгий період;

-лесові ґрунти у кислому середовищі невеликої концентрації навіть додатково зміцнюються;

-стійкість силікатизованих ґрунтів різко зменшується у лужному середо-

вищу при рН≥10,5; але в натурних умовах завдяки водопроникності силікатизованих масивів, при контакті агресивного середовища з поверхнею закріпленого ґрунту (особливо лесового) вірогідна лише дифузна взаємодія і явної десилікатизації не виникає.

Закріплення ґрунтів лужними розчинами було запропоновано у 80-их ро-

ках ХХ сторіччя. Його можна вважати альтернативою методу силікатизації при закріпленні водонасичених лесових ґрунтів. Закріплення полягає у тому, що в ґрунт за технологією силікатизації подається лужний розчин високої концентрації (більше ніж 2,5н). Для цього використовується розчин гідрооксиду натрію (в промисловості відомий під назвою каустика). У часі, внаслідок взаємодії глинистих мінералів із лугом, ґрунт набуває високої міцності і водостійкості при порівняно невеликих загальних витратах. Відомий позитивний досвід використання методу для закріплення лесових ґрунтів у Росії (Волков В. Е., 1990).

Деякі фахівці, не піддаючи сумніву якість та надійність закріплення, звертають увагу на те, що при введенні в ґрунт великої кількості лугу він не повністю нейтралізується й чинить на навколишнє середовище шкідливий вплив. Забруднена основа за рахунок вільного лугу агресивно впливає на будівельні матеріали і конструкції (Соколович В. Е., 1994).

На основі наведених даних можна твердити про необхідність детальної, науково обґрунтованої перевірки методу в умовах України. Необхідно розробити методику підбирання рецептури закріплення залежно від особливості хіміч-

417