Введение к работе
Актуальность.
В настоящее время для инъекционного закрепления грунтов и восстановления качества каменных, бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений, в том числе представляющих историческую ценность, применяются, главным образом, составы на основе силикатных гелей и полимерных смол. Однако они имеют ряд существенных недостатков: неоднородность грунтобетонных массивов и низкая прочность грунта после пропитки, ограниченная долговечность и надёжность в процессе эксплуатации, негативное влияние на окружающую среду при производстве работ и эксплуатации.
Решение задачи повышения прочности грунтобетонных массивов и надёжности противофильтрационных завес при освоении подземного пространства городских территорий, их устойчивости при различных агрессивных воздействиях, возможности управления процессом твердения в условиях низких положительных и отрицательных температур, достигается путем использования пропиточных композиций на основе тонкодисперсных минеральных вяжущих. Анализ мирового рынка строительных материалов показал, что наиболее эффективным решением поставленных задач может быть получение тонкодисперсных минеральных композиций путём воздушной сепарации предварительно размолотых минеральных компонентов по технологии «Микродур».
Работа выполнена в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.»
Цель и задачи исследований.
Основной целью диссертации является разработка пропиточных композиций на основе тонкодисперсных вяжущих и технологии их применения.
Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- обосновать возможность создания пропиточных композиций на основе тонкодисперсных минеральных вяжущих для эффективного инъекционного закрепления грунтов и подземных частей зданий;
- разработать пропиточные композиции для различных типов подземных частей зданий;
- установить основные зависимости свойств пропиточных композиций от их составов;
- разработать способы пропитки элементов зданий и грунтов;
- установить зависимости основных свойств пропитанных капиллярно-пористых материалов от главных технологических факторов;
- разработать рекомендаций по производству и применению пропиточных композиций на основе тонкодисперсных вяжущих.
Научная новизна.
Теоретически и экспериментально обоснована возможность повышения физико-механических свойств грунтов и дефектных подземных частей зданий пропиткой наномодифицированными суспензиями на основе тонкодисперсных вяжущих с размером зерен от 0,2 до 6 мкм. Образующиеся при этом в результате гидратации коллоидные растворы с размером частиц 1-100 нм, имеют высокий уровень поверхностной энергии и служат центрами кристаллизации как по поверхности порового пространства инъектируемого материала, так и в поровом пространстве способствуя образованию кристаллического сростка, состоящего из гидросиликатов различной основности, гидроалюмината кальция, Са(ОН)2, гидросульфоалюмината и гидросульфоферрита кальция. При этом, основной объём продуктов гидратации представлен гелевой структурой, в которой дисперсионной фазой являются субмикрокристаллы гидросиликатов кальция.
Установлены зависимости основных технологических параметров наномодифицированных суспензий (вязкости, седиментации, времени загустевания) и изменение их во времени от В/В, расхода пластификатора, времени и интенсивности перемешивания.
Установлена кинетика изменения вязкости наномодифицированных суспензий при различных В/В . Показано, что для значений В/В = 2 – 4 и выше вязкость суспензии изменяется в незначительных пределах и практически соизмерима с вязкостью воды.
Установлена зависимость седиментационной устойчивости наномодифицированных суспензий от количества суперпластифицирующих добавок. Показано, что, например, применение суперпластификатора С-3 наиболее эффективно в суспензиях с В/В менее 4,0 .
Установлена зависимость стабильности инъекционной суспензии от продолжительности и интенсивности перемешивания, характеризуемой скоростью вращения смесительного вала активатора.
Установлена зависимость технологических параметров пропиточной инъекции от коэффициента фильтрации грунтов, вида и свойств тонкодисперсного вяжущего, водовяжущего отношения суспензии и давления инъектирования.
С применением методов РФА и ДТА показано, что тонкодисперсное вяжущее в виде наномодифицированной коллоидной системы обладает повышенной степенью гидратации уже на стадии приготовления суспензии и производства инъекционных работ.
Посредством РФА, ДТА и электронной микроскопии установлено, что в поровом пространстве инъектируемого материала образуется кристаллический сросток, состоящий из кристаллов гидроалюмината кальция, гидроксида кальция, гидросульфоалюмината и гидросульфоферрита кальция а также гелевая структура, в которой дисперсионной фазой являются субмикрокристаллы гидросиликатов кальция.
Практическая значимость.
Разработаны рецептуры пропиточных композиций на основе тонкодисперсных вяжущих и методы их приготовления, обеспечивающие прочность при сжатии пропитанного грунта от 1,0 до 25,0 МПа и статический модуль упругости от 3 000 МПа до 10 000 МПа,
Установлено, что для получения стабильной пропиточной композиции, оптимальное время перемешивания суспензии на основе ТВ составляет 3-4 мин при скорости вращения вала смесителя около 2800 об/мин.
Для упрочнения грунтов в зависимости от коэффициента их фильтрации выбраны соответствующие марки тонкодисперсного вяжущего и параметры пропитки: В/В отношения суспензии должно находиться в пределах 3-5, давление нагнетания пропиточной композиции в пределах 0,3-0,5 МПа, радиус закрепления не менее 0,4-0,7 м,
Разработана технология закрепления кирпичных, каменных кладок и бетонных подземных частей зданий, с учётом типа тонкодисперсного вяжущего, состава пропиточной композиции и давления ее нагнетания.
Внедрение результатов исследования.
Опытно-промышленная апробация разработанных рекомендаций по инъекционному закреплению грунтов на основе тонкодисперсных вяжущих «Микродур» выполнялась на объектах ООО «Горгестрой» в период 2011-2012 гг. при реконструкции большого зала Московской консерватории (общий объём закреплённого грунта 1 400 м3) и реконструкции зданий 14 корпуса Московского Кремля (общий объём закреплённого грунта 1 720 м3).
Апробация работы.
Основные положения результатов работы докладывались на научно-практических конференциях по итогам научно-исследовательских работ молодых ученых МГСУ в течение 2009 – 2011 гг. на Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство- формирование среды жизнедеятельности», проводимых в рамках реализации федеральной программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса У.М.Н.И.К.» в течение 2009 – 2011 гг.
На защиту выносятся:
- обоснование возможности повышения физико-механических свойств подземных частей зданий пропиткой наномодифицированными суспензиями на основе тонкодисперсных минеральных вяжущих;
- выбор пропиточных составов для эффективного укрепления грунтов и дефектных подземных частей зданий;
- основные зависимости свойств пропиточных суспензий от их составов;
- способы пропитки элементов фундаментов зданий и грунтов;
- зависимости основных свойств пропитанных капиллярно-пористых материалов от главных факторов;
- рекомендаци по технологии пропитки элементов подземных частей зданий и производственное опробование принятых решений.
Объем работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы. Общий объем работы 137 страниц машинописного текста, 63 рисунка, 23 таблиц.
