2. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СПОСОБОВ ЗАКРЕПЛЕНИЯ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
2.1. При двухрастворной силикатизации в грунты в последовательном порядке нагнетают два водных раствора, раствор силиката натрия (крепитель) и раствор хлористого кальция (отвердитель).
2.2. Плотность раствора силиката натрия (г/см3) назначают в зависимости от коэффициента фильтрации грунтов, м/сут:
При коэффициенте 5 - 10 плотность раствора 1,35 - 1,38
» » 10 - 20 » » 1,38 - 1,41
» » 20 - 80 » » 1,41 - 1,41
Раствор хлористого кальция должен иметь плотность 1,26 - 1,28 г/см3 и величину рН не менее 5,5. Для безводного хлористого кальция указанным величинам плотности соответствуют 28 - 30 % значения концентрации.
2.3. При однорастворной двухкомпонентной силикатизации и смолизации в качестве основных исходных материалов, крепителем применяются водные растворы силиката натрия и карбамидных смол, а в качестве отвердителей или добавок - хлористый кальций, соляная, щавелевая и кремнефтористо-водородная кислоты, углекислый газ, алюминат натрия, азотнокислый аммоний, сульфитно-спиртовая барда, ортофосфорная кислота, формамид, этилацетат, контакт Петрова и другие реагенты.
2.4. Растворы-крепители, используемые при силикатизации и смолизации грунтов, должны удовлетворять следующим требованиям:
силикат натрия должен иметь модуль в пределах 2,7 - 3 и плотность 1,2 - 1,45 г/см3 при закреплении песчаных грунтов и 1,13 - 1,2 г/см3 - при закреплении просадочных грунтов;
карбамидная смола должна иметь плотность 1,08 - 1,18 г/см3.
2.5. Для приготовления цементных растворов должен использоваться портландцемент марки не ниже 300. Допускается использование сульфатостойкого цемента и шлакопортландцемента, а также тампонажного портландцемента. Использование смесей различных видов цемента допускается только после проведения лабораторных испытаний с определением сроков схватывания и твердения.
Физико-механические свойства цемента, предназначенного для приготовления цементационных растворов, должны быть проверены для каждой партии цемента, поступающей на строительство, независимо от паспортных данных завода-поставщика.
При наличии агрессивных грунтовых вод следует применять стойкие по отношению к ним цементы.
Для ускорения схватывания цементационных растворов применяются жидкое стекло и хлористый кальций. Для увеличения стабильности и цементационных растворов применяется бентонит.
2.6. При однорастворной двухкомпонентной силикатизации песчаных грунтов в настоящее время применяют способы согласно табл. 2, в которой приведены рецептуры для получения закрепляющих грунты гелеобразующих смесей.
2.7. Закрепление просадочных лессовых грунтов осуществляют однорастворным однокомпонентным способом силикатизации на основе одного раствора силиката натрия, имеющего характеристики согласно п. 2.4.
2.8. Для газовой силикатизации в настоящее время разработаны и применяются два отличающиеся рецептурой способа закрепления песчаных и просадочных лессовых грунтов согласно табл. 3.
2.9. Химические материалы, применяемые для закрепления грунтов способами силикатизации, должны удовлетворять требованиям и техническим условиям действующих стандартов на силикат натрия (жидкое стекло), хлористый кальций, ортофосфорную, кремнефтористо-водородную кислоты, алюминат натрия, формамид, этилацетат, контакт Петрова и другие реагенты.
ГОСТы и ТУ на некоторые технические материалы, применяемые при химическом закреплении грунтов способами силикатизации приведены в табл. 4.
Таблица 2
№ способа по рецептуре
|
Компоненты гелеобразующей смеси
|
Объемное отношение отвердителя к крепителю
|
Время гелеобразования, мин
|
Порядок приготовления смеси
|
Крепитель
|
Отвердитель
|
наименование
|
плотность, г/см3
|
наименование
|
плотность, г/см3
|
I
|
Силикат натрия
|
1,25 - 1,3
|
Кремнефтористо-водородная кислота
|
1,1 - 1,08
|
0,12 - 0,2
|
При 20 °С - 10 - 20, при 5 °С - 60
|
Отвердитель добавляют к крепителю
|
II
|
То же
|
1,15
|
Алюминат натрия
|
1,05
|
0,225
|
60 - 180
|
То же
|
III
|
»
|
1,19
|
Ортофосфорная кислота
|
1,025
|
3,4 - 6
|
60 - 600
|
Крепитель добавляют к отвердителю
|
IV
|
Силикат натрия, модуль 3,3 - 3,4*
|
1,28 - 1,30
|
50 %-ный раствор формамида
|
1,073
|
0,25 - 0,5
|
15 - 180
|
Отвердитель добавляют к крепителю
|
V
|
Силикат натрия, модуль 3,3 - 3,4**
|
1,28 - 1,30
|
Этилацетат Контакт Петрова**
|
-
|
0,02 - 0,04
0,04 - 0,05
|
30 - 90
|
Крепитель смешивают с контактом Петрова и в полученную смесь добавляют этилацетат
|
* Раствор силиката повышенного модуля получают обработкой силиката обычного модуля 2,5 - 3 кремнефтористоводородной кислотой плотностью 1,1 - 1,08 в количестве 5 - 6 % по объему.
** Контакт Петрова предварительно разбавляют водой в соотношении 1:3.
|
Таблица 3
№ способа по рецептуре
|
Компоненты газовой силикатизации
|
Порядок закачки компонентов в грунты
|
Крепитель
|
Отвердитель
|
наименование
|
плотность, г/см3
|
норма закачки
|
наименование
|
норма закачки на 1 м3 грунта, кг
|
VI (для песков)
|
Силикат натрия
|
1,19 - 1,30
|
0,8 объема пор
|
Углекислый газ в баллонах
|
4 - 6,5
|
Углекислый газ 2 - 2,5 кг, силикат натрия, углекислый газ 2 - 4 кг
|
VII (для просадочных лессовых грунтов)
|
То же
|
1,10 - 1,17
|
0,8 объема пор
|
То же
|
5 - 7,5
|
Углекислый газ 2 - 3 кг, силикат натрия, углекислый газ 3 - 4,5 кг
|
Таблица 4
№ п.п.
|
Реагенты
|
ГОСТ, ТУ
|
Физическое состояние
|
1
|
Силикат натрия растворимый
|
ГОСТ 13079-81
|
Глыба
|
2
|
Стекло натриевое жидкое
|
ГОСТ 13078-81
|
Жидкость
|
3
|
Хлористый кальций
|
ГОСТ 450-77
|
Жидкость, порошок, комки
|
4
|
Ортофосфорная кислота
|
ГОСТ 10678-76 с изм.
|
Жидкость
|
5
|
Кремнефтористо-водородная кислота
|
ГОСТ 6552-80
|
»
|
6
|
Углекислый газ
|
ТУ 8050-76
|
Сжиженный газ
|
2.10. Применяемый при силикатизации грунтов силикат натрии Na2O×nSiO2 доставляется к месту работы либо в виде силикат-глыбы, либо в виде раствора плотностью 1,4 - 1,5 г/см3.
В зависимости от исходных материалов силикат натрия выпускается содовый и содово-сульфатный.
Раствор силиката натрия должен отвечать требованиям ГОСТ 13078-81.
Силикатный модуль является главной характеристикой силиката натрия, определяющей его состав. Под модулем подразумевается отношение числа грамм-молекул кремнезема SiO2 к числу грамм-молекул окиси натрия Na2O. В процессе производства работ модуль употребляемых растворов силиката натрия (каждая партия) подлежит контрольным определениям, руководствуясь прил. 6.
Таблица 5
Показатели
|
Нормы для видов силиката натрия
|
содового
|
содово-сульфатного
|
Внешний вид
|
Густая жидкость желтого или серого цвета без механических включений, видимых невооруженным глазом
|
Густая жидкость от желтого до коричневого цвета без механических включений, видимых невооруженным глазом
|
Содержание кремнезема, %
Содержание окиси железа и окиси алюминия, %, не более
|
31 - 33
0,25
|
28,5 - 29,5
0,4
|
Содержание окиси кальция, %, не более
|
0,2
|
0,25
|
Содержание серного ангидрида в пересчете на серу, %, не более
|
0,06
|
0,4
|
Содержание окиси натрия, %
|
10 - 12
|
10 - 11
|
Силикатный модуль
|
2,65 - 3,4
|
2,65 - 3,4
|
Плотность, г/см3
|
1,36 - 1,5
|
1,43 - 1,5
|
Таблица 6
Химическая технология однорастворных двухкомпонентных способов смолизации
№ способа по рецептуре
|
Компоненты гелеобразующей смеси
|
Объемное отношение отвердителя к крепителю
|
Время гелеобразования, мин
|
Порядок приготовления смеси
|
Крепитель
|
Отвердитель
|
наименование
|
плотность при 18 °С, г/см3
|
наименование
|
плотность, г/см3
|
VIII
|
Карбамидная смола марки М
|
1,08
|
5 %-ная соляная кислота
|
1,023
|
0,05 - 0,06
|
180 - 40
|
В смолу при тщательном перемешивании добавляют кислоту
|
IX
|
То же, марки М-2
|
1,09 - 1,1
|
5 %-ная щавелевая кислота
|
1,023
|
0,12 - 0,14
|
180 - 60
|
То же
|
X
|
То же
|
1,09 - 1,1
|
5 %-ная соляная кислота
|
1,023
|
0,07 - 0,08
|
150 - 50
|
»
|
XI
|
То же, МФ-17
|
1,08 - 1,09
|
То же
|
1,09 - 1,1
|
0,08 - 0,10
|
150 - 40
|
»
|
XII
|
» М-3
|
1,12 - 1,13
|
»
|
1,023
|
0,03 - 0,05
|
150 - 25
|
»
|
XIII
|
» М-3
|
1,178 - 1,18
|
Азотнокислый аммоний
|
1,1 - 1,2
|
1 - 2
|
150 - 30
|
Вначале смешивают крепитель с азотнокислым аммонием, а затем добавляют кислоту
|
5 %-ная соляная кислота
|
1,023
|
0,25 - 0,35
|
XIV
|
» М-3
|
1,178 - 1,18
|
Сульфитно-спиртовая барда
|
1,15 - 1,16
|
1 - 2
|
180 - 30
|
К сульфитно-спиртовой барде приливают кислоту, а затем кислый раствор сульфитной барды смешивают с крепителем
|
5 %-ная соляная кислота
|
1,023
|
0,25 - 0,35
|
XV
|
» М-3
|
1,178 - 1,18
|
Сульфитно-спиртовая барда
|
1,2 - 1,22
|
0,55 - 2,15
|
150 - 60
|
Сульфитно-спиртовую барду смешивают с азотно-кислым аммонием, в полученную смесь добавляют кислоту
|
Азотно-кислый аммоний
|
1,25 - 1,26
|
0,25 - 0,50
|
XVI
|
» М-2
|
1,15 - 1,16
|
Сульфитно-спиртовая барда
|
1,2 - 1,22
|
0,58 - 2
|
120 - 30
|
Приготовленную по рецептуре XIV смесь при перемешивании добавляют в крепитель
|
Азотно-кислый аммоний
|
1,25 - 1,26
|
0,24 - 0,67
|
5 %-ная соляная кислота
|
1,023
|
0,18 - 0,33
|
По физико-химическим показателям раствор силиката натрия должен отвечать нормам, указанным в табл. 5.
2.11. Применяемый при однорастворной двухкомпонентной силикатизации в качестве отвердителя (коагулянта) силиката натрия, алюминат натрия должен удовлетворять следующим требованиям:
каустический модуль 1,5 - 1,7 (отношение Na2O/Al2O3);
крупность дробления 5 - 6 мм;
наличие нерастворимых взвесей 1 - 2 %
Коагулянт - кремнефтористо-водородная кислота - является побочным продуктом производства суперфосфата и фосфорной кислоты и поставляется в виде раствора плотностью 1,1 - 1,2 г/см3.
2.12. При однорастворной двухкомпонентной смолизации песчаных грунтов в настоящее время разработаны и могут применяться девять отличающихся рецептурой способов согласно табл. 6, в которой приведены данные для получения соответствующих гелеобразующих смесей.
2.13. Преимуществом смолизации перед однорастворной силикатизацией является возможность значительно более прочного закрепления грунтов. Так, временное сопротивление при сжатии закрепленных смолизацией некоторых видов песчаных грунтов может достигать 7 - 10 МПа. Недостатком смолизации является выделение карбамидными смолами токсичного формальдегида. При закреплении грунтов под существующими сооружениями, когда работы ведутся в закрытых помещениях, это обстоятельство требует применения усиленной приточно-отточной вентиляции.
2.14. Для глубинного закрепления грунтов смолизацией, не связанного с последующим вскрытием закрепленных массивов (например, при усилении оснований, устройстве фундаментов или других подземных конструкций), следует применять способы смолизации на основе карбамидных смол марок М, М-2, МФ-17 и УКС.
При смолизации грунтов с целью проходки подземных выработок допускается применять способы на основе смолы марки М-3, содержащей наименьшее количество свободного формальдегида (0,3 - 0,5 %).
2.15. В связи с изменением во времени физико-химических свойств смолы для каждой партии смолы в процессе инъекционных работ требуется уточнять соотношения компонентов в гелеобразующей смеси, обеспечивающие заданный период времени гелеобразования, руководствуясь прил. 8.
2.16. Разведение смолы водой до рабочих концентраций производится в следующих приближенных соотношениях:
крепитель М-2 разбавляется водой в соотношении 1:0,8 до плотности раствора 1,09 г/см3, являющейся нижним пределом разбавления;
крепитель М-3 разбавляется водой в соотношении 1:0,5 до плотности раствора 1,12 г/см3;
крепитель МФ-17 разбавляется водой в соотношении 1:2 до плотности раствора 1,08 г/см3.
При разбавлении смолы растворами азотно-кислого аммония или сульфитно-спиртовой барды раствор получается более стабильным.
2.17. Применяемые при смолизации в качестве крепителей растворы карбамидных смол по своим физическим и химическим характеристикам должны удовлетворять нормам табл. 7, а щавелевая (кристаллогидрат) и техническая соляная (жидкость) кислоты должны удовлетворять нормам соответственно ТУ 221180-76 и ТУ 857-78.
2.18. При приготовлении и применении гелеобразующих смесей необходимо соблюдать следующие правила:
измерение заданных объемов крепителя и отвердителя рабочих концентраций перед их смешиванием должно выполняться с необходимой точностью, которая устанавливается на основе экспериментальной зависимости времени гелеобразования от объемного соотношения компонентов (прил. 8) и указывается в проекте. При этом точность измерения находится по условию, что погрешность в получении заданного периода гелеобразования не должна превосходить 10 %;
при смешивании компонентов смеси отвердитель следует постепенно добавлять к крепителю (а не наоборот) при непрерывном и тщательном перемешивании;
заданное время гелеобразования в процессе инъекции должно контролироваться путем отбора проб смеси и фиксации момента ее загустевания.
2.19. При однорастворной двухкомпонентной силикатизации и смолизации грунтов в последнее время получила широкое применение предварительная обработка (активизация) грунтов отвердителями, повышающая радиус закрепления и прочность закрепленных грунтов. Необходимость предварительной обработки грунтов и нормы нагнетания отвердителей устанавливаются проектом по результатам специальных лабораторных исследований и опытных работ по закреплению грунтов в натурных условиях.
2.20. Для цементации применяются следующие составы растворов:
цементные с В/Ц = 20 - 0,4;
цементно-песчаные с В/Ц = 0,5 - 4;
цементно-глино-песчаные с (Г + П)/Ц = 0,5 - 15;
цементно-глинистые с Г/Ц = 0,5 - 10.
Таблица 7
Показатель
|
Нормы для марок
|
М
|
М-2
|
М-3
|
МФ-17
|
Внешний вид
|
Сиропообразная жидкость, однотонная по цвету. Допускается появление мути в виде устойчивых кристаллов
|
Однородная, вязкая жидкость белого или светло-коричневого цвета. Допускается появление мути
|
Плотность при 20 °С, г/см3
|
1,15 - 1,2
|
1,15 - 1,2
|
1,15 - 1,2
|
1,25 - 1,27
|
Вязкость при 20 °С по вискозиметру ВЗ-1, с
|
4 - 10
|
4 - 10
|
4 - 35
|
40 - 100
|
Концентрация водородных ионов (pH)
|
7,2 - 9
|
7,2 - 9
|
7 - 9
|
7,5 - 8,5
|
Содержание свободного формальдегида, %, не более
|
Не определяется
|
2
|
0,5
|
3
|
Растворимость в воде
|
Растворяется, допускается легкий осадок на дне
|
Не определяется
|
В соотношении 1:1
|
При смешивании воды и смолы раствор не должен коагулировать
|
Примечание. Сроки хранения смол М, М-2, М-3 не более трех месяцев, МФ-17 - не более двух месяцев.
|
2.21. Сорт и марка цемента, характеристики глинистых материалов и песка, необходимость и количество химических и других добавок устанавливаются проектом производства работ.
Для улучшения проницаемости частиц цемента рекомендуется применять сухой и мокрый домол цемента, а также воздушное сепарирование (для отсеивания крупных частиц). Возможность и необходимость применения диспергированных цементов должны быть проверены лабораторными работами и на опытных участках.
2.22. Для цементационных работ применяется стандартный портландцемент, удовлетворяющий требованиям соответствующих ГОСТов. Также применяются сульфатостойкий портландцемент и шлакопортландцемент.
Выбор цемента в каждом конкретном случае определяется технико-экономическим расчетом с учетом условий среды.
2.23. При отсутствии специальных указаний в проекте в основании постоянных сооружений марка цемента должна быть не ниже 300, в основании временных сооружений - не ниже 200.
При наличии агрессивных вод следует применять цементы, стойкие по отношению к составу грунтовых вод.
2.24. Сухой домол цемента осуществляется в стандартных шаровых мельницах, применяемых при изготовлении цемента; мокрый домол - в специальных скоростных растворосмесителях.
Домол цемента применяется в целях уменьшения содержания относительно крупных частиц, а также для ликвидации в цементе агрегированных слежавшихся частиц.
Диспергированные цементы позволяют приготовлять инъекционные растворы, обладающие лучшей проникаемостью в трещиноватых скальных породах. Чрезмерная диспергация цемента может вызвать вторичную агрегацию частиц, а в условиях свободного осаждения цемента из раствора может привести к замедлению сроков схватывания осевшего цементного теста, к уменьшению прочности цементного камня. В связи с этим диспергированные цементы должны быть проверены на водоотделение, сроки схватывания, прочность на сжатие и стабильность при хранении.
2.25. Расплыв цементного раствора характеризует его подвижность и соответственно перекачиваемость насосами. Указанная характеристика определяется на специальном приборе.
2.26. Глина (если нет специальных указаний в проекте) должна удовлетворять следующим требованиям:
преобладающей фракцией должны быть частицы размером 0,05 - 0,005 мм;
содержание частиц размером менее 0,005 не более 30 %;
песчаные частицы крупнее 2 мм отсутствуют.
2.27. Если нет специальных указаний в проекте, то песок должен иметь крупность частиц не более 2 мм.
2.28. Свойства и состав суглинка регламентируется проектом.
2.29. Рекомендуются следующие добавки к цементу (по отношению к его массе):
для повышения подвижности густых цементных и цементно-песчаных растворов - сульфитно-спиртовая барда (ССБ) в количестве 0,1 - 0,25 %;
для ускорения схватывания растворов и ускорения нарастания прочности цементного камня - хлористый кальций в количестве 0,5 - 3 %,
для повышения стабильности цементных и цементно-песчаных растворов - бентонит 1 - 5 %.
2.30. Для обогащения суглинков и других глинистых материалов рекомендуется применять добавки бентонита и глины.
2.31. Бентонит (монтмориллонитовая глина) обладает очень высокой водоудерживающей способностью и при растворении в воде или в цементном растворе образует коллоидную систему, в условиях которой предотвращается (или сильно замедляется) выпадение из раствора взвешенных частиц песка.
Обогащение суглинка глинистыми фракциями (или бентонитом) применяется для улучшения коллоидных свойств инъекционного раствора.
|
