Лабораторные исследования закрепления грунтов с органическими включениями растворами на основе акрилатов

Введение

Идет активное освоение новых территорий под строительство. Остро стоит вопрос строительства на основаниях из специфических грунтов со включениями органических веществ. Эти грунты из-за таких свойств, как разложение частиц, могут привести к критическим деформациям зданий и сооружений, предшествующим полному разрушению объекта. При этом специфические грунты распространены по всему миру и зачастую невозможно выбрать альтернативную площадку для строительства или произвести замену грунта.

В целях улучшения физико-механических свойств таких грунтов следует рассмотреть возможность их закрепления. В том числе крепителями, свойства которых не регламентированы действующей нормативной документацией.

Для закрепления грунтов в практике современного строительства и в действующих нормативных документах по проектированию и производству работ применяют следующие основные способы закрепления:

– инъекционный;

– виброинъекционный;

– буросмесительный (глубинное перемешивание);

– струйный;

– термический;

– электрохимический.

Кроме этого, закрепление грунтов подразделяют на основании исходных растворов:

– закрепление грунтов химическими растворами;

– закрепление грунтов цементными растворами.

В НИИОСП им. Н. М. Герсеванова проведена поисковая работа по исследованию закрепляемости специфических грунтов с органическими включениями крепителями на цементной основе, акрилатной и раствором силоксана. Работа выполнена при финансировании из научного фонда АО «НИЦ «Строительство».

Цели и задачи

При планировании работ были поставлены следующие задачи:

– определить возможность применения новых материалов для закрепления специфических грунтов;

– оценить влияние исследуемых крепителей на рассматриваемые грунты для определения области применения этих материалов;

– определить возможность и направление последующих исследований изучения рассмотренных материалов;

– актуализировать действующую техническую и нормативную документацию в части закрепления грунтов и исследования закрепленных грунтов.

В целом в ходе работ необходимо было получить систематизированные экспериментальные данные о возможности применения исследуемых растворов для закрепления грунтов различного типа и состава; получить данные о составах, концентрациях и свойствах исследуемых растворов; получить данные о свойствах исследуемых грунтов, закрепленных рассматриваемыми растворами, в том числе значения прочности.

Опыт закрепления грунтов с содержанием органического вещества

В отечественной практике имеется опыт закрепления заторфованных грунтов способом однорастворной силикатизации лессовых супесей-суглинков и двухрастворной электросиликатизацией заторфованных грунтов.

В зарубежной практике специфические грунты с органикой тоже закрепляются. Одним из примеров является закрепление илистого грунта в Португалии под зданием кинотеатра. Здание представляет собой гибкую конструкцию, основанием которой служит илистый песок толщиной слоя 10 м. В процессе эксплуатации появилась необходимость усилить существующий свайный фундамент из микросвай. В качестве решения в данном варианте использовалась технология создания элементов закрепленного грунта в грунте методом струйной цементации. Одинарные колонны диаметром 500 мм работали как глубокое основание для передачи вертикальных нагрузок на глины. Каждая колонна несет осевую рабочую нагрузку, равную 400 кН.

Технологии цементации грунтов уже хорошо изучены. А в части закрепления грунтов с органикой требуется уточнить значения прочности, которые можно достичь при закреплении цементными растворами.

В настоящее время с развитием технологий и химической отрасли появились и малоизученные полимерные материалы, которые активно применяются в строительной отрасли. В частности, как замена бурового бентонитового раствора при разработке траншей или для гидроизоляции конструкций, в том числе отсечной.

Также на рынке имеется много примеров составов, которые обеспечивают гелеобразование и способны связывать между собой частицы грунта.

Применение таких материалов пока не регламентировано действующей нормативной документацией РФ и требует дополнительных исследований и разработки методик испытания.

Нормативная документация

Определение свойств закрепленных грунтов регламентировано ГОСТ Р 59706-2022 [1]. Этот стандарт устанавливает базовые показатели закрепленных грунтов растворами на основе цементов и силиката натрия.

Требования к закреплению грунтов растворами на основе акрилатов и силоксанов в действующей базе стандартов отсутствуют. В СП 22.13330.2016 [2] указывается на обязательные предварительные исследования новых крепителей для оценки возможности их применения в практике строительства.

Действующие стандарты дополняют нормы проектирования и устанавливают общие требования как к исходным компонентам, так и к характеристикам закрепленных грунтов и методам их закрепления. Нормативная документация, регламентирующая требования к закрепленным грунтам, приведена на рис. 1.

Общие требования к лабораторным испытаниям грунтов и растворов, оборудованию и приборам, лабораторным помещениям, способам изготовления образцов для испытаний приведены в ГОСТ 30416-2020 [3], ГОСТ Р 59538-2021 [4], ГОСТ Р 70696-2023 [5], ГОСТ Р 70695-2023 [6], ГОСТ Р 59705-2021 [7], ГОСТ Р 70308-2022 [8], ГОСТ Р 59706-2022 [1].

Исходные компоненты растворов на основе цемента должны соответствовать [4][8].

В процессе экспериментальных работ было выполнено:

– для моделей исследуемых грунтов: определение плотности (ρ) и коэффициента фильтрации (Кф) согласно ГОСТ 25584-2016 [9], ГОСТ 5180-2015 [10];

– для растворов крепителей: плотность, прочность согласно [5];

– для образцов закрепленного грунта цементными растворами: определение плотности и прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии согласно [1][6].

– для образцов закрепленного грунта химическим (акрилатным) раствором: определение плотности и прочности на одноосное сжатие согласно [1][6].

Методика работы

Исследуемые грунты. Методика изготовления моделей грунтов

В качестве специфических грунтов с органическими включениями были исследованы специфические грунты с содержанием органического вещества в количестве 1,5; 4,5 и 8,5 %. Грунт, используемый для закрепления, нарушенной структуры. Для проведения экспериментальной части требуемые грунты были изготовлены в лабораторных условиях путем механического смешивания песков с торфом. Вследствие неоднородности получаемой смешиваемой массы были определены интервалы содержания органики в моделях: 1–3 %, 4–7 %, 7–10 %.

В работе рассмотрены модели грунтов, представленные в табл. 1.

Следует отметить, что торфы относятся к наиболее сжимаемым грунтам. Из-за большого содержания в торфах связанной воды осадки оснований, сложенных торфом или содержащих включения заторфованных грунтов, бывают значительны и затухают очень медленно. Несущая способность торфа и заторфованных грунтов очень мала.

Перед смешиванием производилась предварительная подготовка исходного торфа в виде просеивания через сита с отверстиями диаметром 2,5 мм с целью получить относительно однородный материал для смешивания.

Требуемая масса торфа для получения заданного процентного соотношения определялась расчетным методом с учетом фактической влажности и зольности исходного торфа. Фактическое содержание органического вещества в моделях грунта было проверено и подтверждено в лабораторных условиях.

Исследуемые растворы. Характеристики и пропорции компонентов

В качестве крепителей рассматривались следующие растворы: цементные и микро­цементные (табл. 2), акрилатный раствор (табл. 3), силоксан (табл. 4).

Маркировка И, ИТДВ, ИОТДВ указывает на градацию цементов по площади удельной поверхности частиц. Растворы типа И изготавливаются на основе цементов общестроительного назначения. ИТДВ и ИОТДВ относятся к растворам «микроцементов» в зависимости от крупности помола. Такое разделение растворов регламентировано [4].

Проведение работ

При изготовлении образцов закрепленного грунта смешивание производится вручную в механических смесителях с частотой вращения 30–200 об/мин. Далее выполняется заполнение форм размерами 70 × 70 × 70 мм.

После приготовления смеси грунта и раствора образцы укладываются в формы не позднее 5 мин после окончания перемешивания.

Испытания выполнялись в лабораторных условиях. Испытания на затвердевших образцах выполнены в возрасте 14 сут для фиксации нормативных показателей прочности и плотности. На рис. 2 показан образец закрепленного грунта перед испытанием.

Определение плотности закрепленного грунта проводилось на образцах, изготавливаемых для определения прочности.

Все работы по изготовлению образцов и проб растворов выполнялись при температуре в помещении и температуре исходных компонентов 21–25 °C.

Испытания образцов закрепленного грунта цементными растворами в серии проводили в состоянии полного водонасыщения, при котором образцы насыщают водой и хранят в воде все время перед испытанием.

Испытание образцов на одноосное сжатие

Образец устанавливается на нижнюю плиту пресса центрально относительно его оси так, чтобы основанием служили грани, соприкасавшиеся со стенками формы при его изготовлении. Испытания на сжатие выполнялись на двух видах прессов: ПРГ-1-50 и MATEST S.p.A (модель YIM1500kN, серийный номер YIM1500KN/BA/0057). Процесс испытания на сжатие образцов, закрепленных цементным и акрилатным растворами, показан на рис. 3 и 4 соответственно.

Достигнутое в процессе испытания образца максимальное усилие принималось за величину разрушающей нагрузки.

Рабочая площадь сечения образцов определялась по результатам измерения как среднеарифметическое значение площадей двух противоположных граней.

Предел прочности раствора на сжатие вычисляют как среднее арифметическое значение результатов испытаний всех образцов.

Результаты работ

Определение свойств закрепленных грунтов регламентировано в [1]. В нем прописаны нормируемые показатели закрепленных грунтов: плотность, прочность, условный радиус закрепления, нормируемые минимальные значения модуля деформации.

В этом же ГОСТ приведены методики определения плотности и прочности образцов, отобранных из закрепленного грунта, деформационных характеристик.

Анализ результатов проводился путем сравнения полученных значений прочности образцов с базовыми нормируемыми показателями по [1].

Для грунтов, закрепленных цементными растворами, анализ проводился в соответствии с базовыми показателями, нормируемыми [1, табл. 2, 3 и 5], которые приведены в табл. 5.

Для грунтов, закрепленных акрилатными и силоксановыми растворами, анализ проводился в соответствии с базовыми показателями, нормируемыми [1, табл. 4], которые приведены в табл. 6.

Далее представлены графики зависимости прочности образцов от количества органических веществ в грунте (рис. 5–8).

По итогам работ для цементных растворов можем увидеть, как падает прочность образцов с увеличением количества органического вещества в моделях. При включении органических веществ от 4,5 % и более не все образцы достигают нормируемой прочности. Для растворов типа И минимальная прочность – 3 МПа, для растворов микроцементов типов ИТДВ и ИОТДВ минимальная прочность – 0,5 МПа. Плотности всех образцов находятся в пределах допустимых значений.

Для растворов типа ИТДВ был применен микроцемент марки СокСоил. Образцы с добавлением органического вещества свыше 4,5 % и закрепленные этим цементом не перешли в твердое агрегатное состояние, а получили консистенцию глины. Таким образом, следует проверять влияние органосодержащих грунтов на выбранный цемент и возможность закрепления путем физического моделирования закрепления в лабораторных условиях.

При закреплении грунта без добавления органики акрилатным раствором видно, что образцы не достигают минимальной прочности 0,3 МПа. При этом происходит процесс гелеобразования, образцы сохраняют форму и объем.

При добавлении органики более 4,5 % образцы не меняют своего агрегатного состояния и не сохраняют форму и объем.

Поскольку образцы не обладают необходимой прочностью, были выполнены испытания в установке трехосного сжатия крупного песка, закрепленного и незакрепленного акрилатом.

По результатам выявлено, что в образцах с закреплением при заданном соотношении «грунт – раствор» уменьшается модуль деформации и угол внутреннего трения, а сцепление увеличивается почти в 8 раз. Результаты испытаний приведены в табл. 7 и 8.

При изучении исходного силоксана выявлено, что процесс гелеобразования не происходит и в качестве крепителя его использовать нельзя.

Были проведены исследования по влиянию этого состава на коэффициент фильтрации (Кф) нескольких моделей грунта. Были испытаны образцы без добавки силоксана и с добавкой. В отдельных образцах отмечено частичное снижение коэффициента фильтрации, в образцах с органикой фильтрация не началась. Результаты определения коэффициента фильтрации приведены в табл. 9.

Заключение

По итогам выполненных работ исследовано влияние крепителей на модели специфических грунтов с различным содержанием органических веществ, их прочность, деформационные свойства.

На основании анализа результатов работ предполагается выполнить актуализацию нормативной базы и действующих национальных стандартов. Следует дополнить действующий СП 22.13330.2016 [2] требованиями к закрепленным грунтам с органическими включениями, закрепляемыми цементными растворами; требованиями к грунтам, закрепляемым акрилатными растворами, определить область их применения. В СП 45.13330.2017 [11] необходимо указать требования к растворам, применяемым для закрепления грунтов с органическими включениями до 10 %; требования к растворам на основе акрилатов при закреплении грунтов; необходимо дополнить и определить контролируемые показатели для закрепленных грунтов с органическими включениями до 10 % и для грунтов, закрепляемых акрилатными растворами. Следует дополнить имеющиеся ГОСТы методиками испытания грунтов, закрепленных акрилатными растворами, а также базовыми нормируемыми показателями.

Для формирования контролируемых показателей и включения этих показателей в нормативную базу следует выполнить дополнительную верификацию полученных результатов на грунтах со включением органического вещества в естественном сложении в полевых условиях.