Жидкий грунт: инновационная технология обратной засыпки и стабилизации оснований

Введение

При традиционном производстве обратных засыпок пазух фундаментов, а также при засыпке траншей инженерных сетей возникают сложности с качественным уплотнением грунта. В частности, практически невозможно должным образом уплотнить грунт под трубопроводами большого диаметра, что приводит к потере трубами проектного сечения или даже к их повреждению [1]. В качестве примера на рис. 1–3 показан случай деформации гофрированной трубы диаметром 4,5 м: после засыпки пазух и попыток уплотнения грунта ее вертикальный диаметр уменьшился более чем на 400 мм. Для восстановления надежности коммуникации внутри поврежденной трубы пришлось монтировать дополнительную трубу меньшего диаметра. Причиной инцидента послужила недостаточная жесткость окружающего грунтового массива (низкий модуль деформации грунта по боковым поверхностям трубы) из-за невозможности достигнуть требуемой степени уплотнения под трубой.

Описанную проблему позволяет решить технология жидкого грунта – текучей грунтовой смеси на основе местного грунта, вяжущего и специальных добавок (рис. 4). Жидкий грунт уникален тем, что может быть приготовлен с заданными свойствами: прочностью (от значений, сопоставимых с естественным грунтом, до уровней, характерных для низкопрочных цементных составов, порядка 0,5–2,0 МПа), модулем деформации и коэффициентом фильтрации. Обладая высокой подвижностью, такая смесь способна заполнить практически любые полости, которые сложно уплотнить стандартными методами [2]. На рис. 4 представлен пример завершающего этапа работ применения жидкого грунта для заполнения траншеи при укладке подземной трубы. Текучая смесь полностью обтекает коммуникации и плотно заполняет весь объем без образования пустот.

Основной раздел

Исторически концепция текучих грунтовых смесей с контролируемо низкой прочностью начала формироваться еще в середине XX века, когда стремительно развивалась цементная промышленность. Одно из первых задокументированных применений технологии CLSM в США относится к 1964 году, когда Бюро рекультивации США использовало так называемый «пластичный грунтоцемент» при устройстве подстилающего слоя под трубопроводы в рамках проекта Canadian River Aqueduct в Техасе. Объем работ включал укладку более 515 км трубопровода, а в качестве заполнителя применялись местные песчаные грунты [3]. Новый технологический подход позволил сократить затраты почти на 40 % по сравнению с традиционными методами обратной засыпки.

В 1998 году Американское общество по испытаниям и материалам (ASTM) опубликовало фундаментальный труд Development and Use of Controlled Low-Strength Materials (Flowable Fill), обобщивший современные методы применения CLSM в лабораторных и полевых условиях. Особое внимание было уделено вторичному использованию промышленных отходов (золы, шлама, песка и пр.) для удешевления состава и экологической утилизации. На сегодняшний день разработаны и действуют пять стандартов ASTM, регламентирующих методы испытаний CLSM, что стало основой для систематизации и стандартизации технологии в США. Таким образом, CLSM в США прошел путь от экспериментов с местными грунтами и отходами ТЭС до признанной технологии с нормативной базой и практикой широкого применения в строительной отрасли [4].

На сегодняшний день в ряде стран, в частности в Германии, выполнялся проект в рамках независимого сравнительного исследования IKT (Gelsenkirchen) с участием крупных производителей таких смесей, как RSS® Flüssigboden от FiFB GmbH, TerraFlow® и др., где проводились испытания в масштабных 1:1 тестовых траншеях с моделями труб и канализационных шахт. Смеси заливались без виброуплотнения и сравнивались по способности к равномерному обтеканию труб, однородному затвердению и возможности повторной выемки при необходимости. На рис. 5 изображен лабораторный стенд IKT с крупномасштабными моделями канальных траншей, где смесь заливается в имитированную траншею с трубами и люками, свободно обтекает конструкции и заполняет все полости. После заливки Flowable fill формирует однородную плотную структуру, позволяющую оценить поведение смеси в реальных условиях. В результате исследования состав получил оценку «очень хорошо» – смесь превосходно соответствовала требованиям по стабильности, обтеканию и обратимости и уже используется на практике в городах Германии.

Аналогичные эксперименты проводились и в Китае. В частности, исследование, выполненное группой инженеров под руководством Jingmin Xu [6], было направлено на создание текучей обратной засыпки, не уступающей по стабильности традиционным материалам. В рамках эксперимента в измельченный грунт добавляли цемент, золу-уноса, воду и пластификаторы в различных пропорциях. Подбор оптимального состава осуществлялся по ряду критериев: удобоукладываемость смеси, прочность на сжатие (как на ранних, так и на более поздних сроках твердения), стабильность в покое (отсутствие расслоения), а также способность к вскрытию массива при необходимости. Наиболее удачные образцы продемонстрировали высокую подвижность; их испытания показали, что наименее чувствительной к добавлению воды оказалась смесь с 6 % цемента. Текучесть этой смеси возрастала сравнительно плавно, требуя значительного увеличения водосодержания для кардинального изменения показателя текучести. Напротив, смеси с 9 % и особенно с 12 % цемента оказались гораздо более чувствительны к водоцементному отношению: даже небольшое увеличение доли воды вызывало у них резкое возрастание текучести. Иными словами, более «цементонасыщенные» рецептуры позволяют тонко управлять свойствами: добиться необходимой текучести без чрезмерного разбавления водой. При содержании цемента 12 % прирост подвижности на единицу повышения отношения вода/цемент был максимальным, аппроксимация экспериментальных точек линейной зависимостью показала практически идеальную корреляцию (рис. 6). Это свидетельствует о высокой надежности полученных результатов и дает возможность уверенно прогнозировать поведение подобных составов на практике. Авторы работы [7] отмечают, что на основе местных материалов им удалось получить полноценный аналог американских и немецких самоуплотняющихся грунтовых смесей. Данное исследование наглядно продемонстрировало, что извлеченный при земляных работах грунт может рассматриваться не как отход, подлежащий вывозу, а как ценный ресурс для последующего использования. Учитывая глобальный тренд на устойчивое развитие и повторное применение материалов, такие технологии заслуживают пристального внимания.

Согласно исследованиям, проведенным в Техническом университете Мюнхена, ключевым параметром для текучих грунтовых смесей является плотность сухого вещества. Установлено, что для обеспечения стабильности смеси этот показатель должен находиться в диапазоне около 1,54–1,84 г/см³. Подобная плотность достигается использованием тщательно подобранного гранулометрического состава компонентов: от мелких частиц (песка, шлама, золы) до крупных зерен (например, дробленого щебня). Зерновой состав оказывает критическое влияние на свойства: чем более равномерно распределены фракции, тем выше подвижность смеси при заданном водоцементном отношении. Однако избыток крупных частиц без стабилизаторов повышает риск сегрегации. Таким образом, от формы и размеров зерен зависят текучесть и прочность материала. Комитет ACI 229 в отчете опубликовал рецептуры смесей, применяемые в разных штатах США (табл. 1), из которых следует, что к настоящему времени единые стандарты по CLSM (Controlled Low-Strength Material) в США еще не выработаны.

В качестве основного вяжущего в жидких грунтах обычно используется портландцемент (в некоторых случаях – известь). Зарубежная практика указывает на целесообразность применения цементов с высокой ранней прочностью для ускорения набора прочности смеси в первые сутки. По данным комитета ACI 229 (2013), обычно достаточно дозировки цемента порядка 30–60 кг/м³, чтобы обеспечить стабильное протекание гидратации и формирование долговременной прочности. При твердении жидкого грунта образуется цементный камень и дополнительный связующий каркас за счет пуццолановых реакций: диоксид кремния (SiO₂) и окись алюминия (Al₂O₃) из состава золы или других минеральных добавок реагируют со свободной известью (Ca (OH)₂), что приводит к образованию новых плотных соединений. Благодаря этому смесь набирает необходимую прочность при минимальном расходе цемента, а высокие ранние показатели достигаются уже в первые сутки, что позволяет быстро переходить к следующему этапу работ.

Для повышения текучести и предотвращения расслоения в состав жидких грунтов часто вводят бентонит. Эта глинистая добавка стабилизирует смесь и придает необходимую подвижность. Аналогичную функцию выполняет и тонкодисперсная летучая зола, образующаяся при сжигании угля: она улучшает реологические свойства. В зависимости от требуемой прочности и сферы применения водоцементное отношение смеси может варьироваться в достаточно широких пределах – от ~0,7 до 1,7. При этом исследования ACI показывают, что даже при весьма высоком содержании воды в составе можно добиться прочности на сжатие порядка 0,5–2,0 МПа.

Одно из ключевых преимуществ технологии жидкого грунта – это возможность последующей разработки (вскрытия) массива при необходимости. В дорожном строительстве Германии на основе опытов по стабилизации грунтов вяжущими веществами [3] было определено оптимальное содержание цемента, при котором материал остается поддающимся извлечению: оценка проводилась по достигнутой прочности на сжатие спустя 28 суток твердения (рис. 7). Полученная модель зависимости прочности от времени для различных рецептур иллюстрирует, как выбор дозировки вяжущего влияет на возможность повторной выемки материала и его длительное поведение.

Значительное содержание цемента делает материал практически не подлежащим повторной экскавации.

Заключение

Подводя итог, можно заключить, что, несмотря на явные преимущества, широкому внедрению жидкого грунта в России пока препятствует отсутствие прямых отраслевых стандартов. Проектировщики и строители вынуждены опираться на существующие документы (например, СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» [8], СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» [9], ГОСТ 25100-2020 «Грунты. Классификация» [10]) и разрабатывать временные технические условия (ТУ) под конкретные проекты. Однако уже есть похожие подходы в этом направлении, в частности российскими авторами Е. В. Круглей и Д. И. Волченко разработан способ изготовления искусственного грунта «Литогрунт» (патент № RU 2 682 920 C1 [1]), который заключается в перемешивании сырья, в качестве которого используют отходы бурения и (или) выбуренную породу, загрязненный углеводородами грунт и (или) нефтесодержащие отходы, с песком и цементом, характеризующийся тем, что после повышения вязкости перемешиваемой массы в нее вносят водную дисперсию поливинилацетата (ПВАД) с концентрацией поливинилацетата 10–15 мас. % [5].

Внедрение технологии «жидкий грунт» вполне оправданно с точки зрения экологичности (повторное использование грунтов и техногенных отходов), сокращения трудоемкости и повышения скорости строительных работ. Потенциал данной технологии, ярко продемонстрированный на примере ряда проектов в Европе, США и Китае, позволяет прогнозировать дальнейший рост интереса к жидкому грунту в самых разных областях – от строительства подземных коммуникаций и дорожной инфраструктуры до горнодобывающей отрасли. Подобно тому, как железобетон когда-то рассматривался в качестве смелой инновации, а со временем стал неотъемлемой основой строительной индустрии, жидкий грунт сегодня дает шанс переосмыслить подходы к обратной засыпке траншей и пазух фундаментов.