CC BY
0
УДК 624.138
ао1: 10.55287/22275398_2023_1_124
ИНЪЕКЦИОННЫЕ СМЕСИ НА ГЕОПОЛИМЕРНОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ГРУНТОВ
И. Я. Харченко * К. А. Исрафилов * А. И. Харченко **
* Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва
** ООО «Научно-инженерный центр подземных сооружений»
Аннотация
Авторами обоснована эффективность применения геополимерных систем при приготовлении инъекционных смесей для уплотнения и упрочнения песчаных грунтов на основании выполненных экспериментальных исследований. На основании проведенных исследований установлено, что наибольшую активность имеет композиционное вяжущее на основе метакаолина. Установлено, что наиболее эффективным активатором, для ускорения твердения вяжущих на основе метака-олина, является активатор на основе гидроксида натрия. Выполненные исследования доказывают эффективность применения геополимерных систем в геотехническом строительстве, что позволит существенно повысить технико-экономическую эффективность работ по уплотнению и упрочнению грунтов при решении различных геотехнических задач.
Ключевые слова
инъекционные смеси, геополимерные вяжущие, метакаолин, грунтобетонные массивы
Дата поступления в редакцию
20.12.2022
Дата принятия к печати
25.12.2022
Введение
Эффективность геотехнических работ, связанных с уплотнением и упрочнением различного вида грунтов, в значительной степени определяется затратами по приготовлению и применению инъекционных смесей на цементной основе. В зависимости от типа грунта и проектных требований к его свойствам, после завершения буро-инъекционных работ, расход цемента составляет 300 ... 900 кг/куб.м закрепляемого грунта. При этом, определяющим показателем является не активность применяемого вяжущего, а его количество, приходящееся на объём закрепляемого грунта. В соответствии с результатами выполненного анализа, общая годовая потребность отечественного рынка геотехнического строительства превышает 10 млн.тн. В этой связи, актуальной является проблема разработки и внедрения в геотехническом строительстве сухих инъекционных смесей на основе бесклинкерных вяжущих.
Технология получения бесклинкерных вяжущих веществ, как на основе шлаков, так и горных пород алюмосиликатной природы, имеет многолетний опыт применения в строительном материаловедении [1, 2]. Так, в середине прошлого века проф. Глуховским В. Г были разработаны минеральные гидравлические вяжущие на основе природных низкокальциевых или бескальциевых алюмосиликатных минералов (глин) и растворов щелочных металлов, которые получили наименование «грунто-цементы» и бетон, полученный на его основе — грунтосиликатный бетон.
На основании анализа результатов исследования В. Д. Глуховского по созданию щёлочноактиви-рованных вяжущих веществ, ученый Davidovits разработал новую разновидность вяжущих для которых был применен термин «геополимер». Для получения геополимерных систем с высокой прочностью и долговечностью применяются молотые гранулированные металлургические шлаки, зола уноса, метакаолин и другие алюмо-силикат-содержащие промышленные отходы и природные материалы. В качестве активаторов твердения используются различные щелочные материалы. На этой основе были разработаны многочисленные геополимерные системы (ГПС) и бетоны на их основе. Несмотря на значительную технико-экономическую привлекательность «ГПС» и бетонов на их основе, их широкое внедрение в строительную практику сдерживается двумя основными факторами: неудовлетворительная воспроизводимость их свойств вследствие высокой чувствительности от свойств щелочного активатора, а также выделение на поверхности строительных конструкций свободной щелочи в виде потеков ухудшающих их внешний вид. Однако, при применении ГПС для приготовления инъекционных смесей, предназначенных для уплотнения и упрочнения грунтов, эти факторы не следует учитывать.
Материалы и методы
Для проведения исследований применялась инъекционная смесь с В/В = 0,35, приготовленная на основе метакаолина. В качестве регулятора схватывания применялась НТФ-кислота с концентрацией 50%, плотностью 1,24 и основностью рН = 1,80. В качестве щелочного активатора использовалась щелочной раствор №ОН при рН > 14,0. Расход замедлителя назначался в количестве от воды затвердения 1,0; 0,25; 0,05%. Расход активатора назначался в количестве 10% от массы вяжущего. Как показал анализ результатов исследований, максимальную прочность, сокращение сроков схватывания, максимальную степень гидратации и плотность структуры установлена при концентрации щелочного активатора 50%. Введение в состав вяжущего 1% замедлителя блокирует процесс гидратации в период до 28 сут. Введение в состав вяжущего, содержащего замедлитель, концентрированной 50% щелочи №ОН, позволяет существенно ускорить процесс гидратации и затвердевания структуры цементного камня. При этом установлено, что введение щелочного концентрированного активатора в состав смеси обеспечивает прирост прочности при сжатии с увеличением срока схватывания суспензии в период до момента введения активатора. Экспериментальные исследования выполнялись на основе метакао-лина, активированного сульфатом кальция, гидроксидом натрия или жидким стеклом в комбинации с замедлителем схватывания НТФ-кислотой. Образцы изготавливались из смеси композиционного вяжущего и кварцевого песка, в соотношении Ц:П = 1:2,0 при В/В = 0,5. Приготовленные образцы выдерживались в камере нормального твердения при Т = 20°С и относительной влажности около 90%. Прочностные характеристики определялись в возрасте: 1сут., 3сут., 7сут. и 28сут.
Анализ влияния активации метакаолина на свойства композиционного вяжущего показал, что наибольшее влияние на повышение гидравлической активности оказывает гидроксид натрия, влияние которого усиливается при кратковременном домоле совместно с гидроксидом натрия в шаровой мельнице. При этом, как интенсивность затвердевания, так и конечная прочность композиционного вяжущего, содержащего в своем составе 50% метакаолина, соизмерима с прочностными характери-
03
г
м О
-I
м
Э СО
О :
= 5
ш 4 у «
А И
< £
х 5
■ о
< I
а
ш
О
с; ©
<
а
и
<и Ц
О С
о
<и
га
_ I
< 5 . и
ч/ <и К 2
0 °
^ <и
1 I
=Т $
■ <и К А . I
стиками исходного вяжущего. При сравнительном анализе влияние щелочной и механо-химической активации показал, щелочная активация в большой степени влияет на начальной стадии твердения, в период до 7 сут. Для выполнения исследований применялась высокоалюминатная каолинитовая глина, обожжённая при температуре 750 °С. В качестве заполнителя использовали кварцевый песок с модулем крупности 1,9, щелочной активатор — натриевое жидкое стекло плотностью 1,42 г/см3, силикатным модулем 2,8, рН = 12,8. Кроме того, на основе метакаолина подготавливались композиционные вяжущие в состав которых вводились гидратная известь, опока и сульфат натрия, обеспечивающие дополнительную активацию метакаолина. Кроме того, присутствие сульфатного компонента в составе композиционного вяжущего на основе метакаолина, обеспечивает образование эттрингита, который обеспечивает защиту инъекционных смесей от седиментации и расслоения при выполнении инъекционных работ. В таблице 1 представлены результаты физико-механических свойств композитов на вяжущих инъекционных системах «каолинитовая глина — щелочной активатор».
Таблица 1
Основные свойства инъекционных геополимерных систем
№ Наименование Вяжущие на основе метакаолина
п/п показателя ГПС-1 ГПС-2 ГПС-3 ГПС-4
1 Густота цементного теста, % 41 52 43 41
Срок схватывания, мин:
2 Начало 41 28 35 48
Конец 65 44 53 72
Прочность при сжатии, МПа:
3 3 сут. 5,3 8,4 9,2 10,5
7 сут. 13,5 14,2 18,5 21,3
28 сут. 18,9 26,5 31,7 34,2
Примечание: состав вяжущего: ГПС-1 — метакаолин 80% + жидкое стекло 20%; ГПС-2 — метакаолин 50% + гидратная известь 30% + сульфат натрия 20%; ГПС-3 — метакаолин 40% + опока 40% + сульфат натрия 20%; ГПС-4 — метакаолин 35% + опока 45% + сульфат натрия 20%
Результаты исследования
Анализ результатов исследований микроструктуры композиционных вяжущих, выполненных с применением электронного микроскопа показал, что композиция на основе метакаолина характеризуется кристаллической структурой (рис. 1 (а)) с устойчиво-дисперсным распределением частиц (рис. 1 (б)), местами переходящей в объемную кристаллическую массу (рис. 1 (в)).
а)
б)
в)
Рис. 1. Микроструктура геополимерной системы на основе ГПС
Результаты анализов электронной микроскопии образцов на основе ГПС показали, что основными структурообразующими фазами выступают гидраты натриевых алюмосиликатов кальция, типичными представителями которых являются анальцим, гарронит, фошагит, парагонит; подтверждено присутствие кальциевых силикатов, соединений кальцита, кварца, разновидностей полевого шпата—альбита, минералов группы слюды—мусковита и гидромусковита, гидроалюминатов и гидросульфоалюминатов кальция.
Результаты рентгенофазового качественного анализа (рис. 2) указывает на присутствие компонентов кварца.
Рис. 2. Дифрактограмма с приведением фазы сравнения: А — кварц, Б — кальцит, В — альбит, Д — мусковит, Н — анальцим, Р — гарронит, С — парагонит, Т — фошагит
03
г
м О
-I
м
Э СО
О :
= 5
ш 4 у «
А И
< £
х 5
■ о
< I
а
ш
О
с; ©
<
а
и
<и Ц
О С
о
<и
га
_ I
<1 5
. и
ч/ Ш
* 2
О °
^ <и
11 у $
и
■ <и К А . I
Процесс структурообразования можно охарактеризовать следующей цепочкой геопреобразований диспергация ^ коагуляция ^ конденсация ^ кристаллизация. Именно щелочная среда способствует самопроизвольной диспергации механо- и термоактивированных алюмосиликатных каолинитовых глин, с образованием в результате массообменных реакций коагуляционных алюмокремнегидрогелей натрия и калия, с последующим развитием на их основе конденсационно-кристаллизационных твердых фаз труднорастворимых и прочных соединений.
Выводы
На основании анализа результатов выполненных исследований установлены зависимости влияния отношения щелочного раствора к вяжущей порошкообразной части (ЩР/В) инъекционных смесей на основе метакаолина на прочность формируемых грунтобетонных массивов (рис. 3).
Рис. 3. Прочность при сжатии грунтобетона на основе ГПС в зависимости от В/В на основе ГПС при струйной цементации
При этом, прочность формируемых грунтобетонных массивов может изменяться в достаточно широком диапазоне от 0,5 МПа до 9,0 МПа в зависимости поставленных задач в соответствии с расчётным обоснованием. Таким образом, выполненные исследования доказывают эффективность применения ГПС в геотехническом строительстве, что позволит существенно повысить технико-экономическую эффективность работ по уплотнению и упрочнению грунтов при решении различных геотехнических задач.
Библиографический список
1. Глуховский, В. Д. Комплексное использование доменных и электротермофосфорных шлаков в производстве высокопрочных цементов и бетонов / В. Д. Глуховский, И. А. Пашков, B. C. Григорьев // Известия Вузов: Строительство и архитектура, 1980. — № 5. — С. 62 - 66.
2. Кривенко, П. В. Эксплуатационные свойства бетона на шлакощелочном цементе / П. В. Кри-венко // Строительные материалы и конструкции; — Киев: 1980. — № 4. — С. 23.
3. Davidovits, J. Geopolymeric cement based on fly ash and harmless to use / J. Davidovits, R. Davidovits, M. Davidovits // United States Patent: US 8,202,362 B2. USA, 2012.
4. Князева С. А. Геополимерное вяжущее на основе керамзитовой пыли для инъекционных смесей в геотехническом строительстве / С. А. Князева, Г. И. Яковлев, И. Я. Харченко, З. С. Саидова // Строительные материалы. — 2021. — № 5. — С. 63 - 68.
5. Муртазаев С-А. Ю. Возможные пути альтернативного решения проблем в цементной индустрии / С-А. Ю. Муртазаев, М. Ш. Саламанова, М. Р. Нахаев // Строительные материалы. 2020. № 1 - 2. С. 73 - 77.
6. Муртазаев, С. А. Ю. Перспективы использования термоактивированного сырья алюмоси-ликатной природы / С. А. Ю. Муртазаев, М. Ш. Саламанова // Приволжский научный журнал. — 2018. — № 2(46). — С. 65 - 70. — EDN XRVGTJ.
7. Панченко А. И., Харченко И. Я., Алексеев С. В. Микроцементы. Издательство АСВ, Москва 2014. Z
8. Долее А. А., Харченко И. Я. О применении микроцементов в геотехническом строительстве // О Геотехника. 2013. — № 4. — С. 32 - 36. Н
9. Панченко А. И., Харченко И. Я. Особо тонкодисперсное минеральное вяжущее «Микродур»: ¡д свойства, технология и перспективы использования. Строительные материалы, 2005. — № 10.
10. Харченко И. Я., Алексеев В. А., Исрафилов К. А., Бетербиев А. С. Э. Современные технологии цементационного закрепления грунтов // Вестник МГСУ 2017. — № 5 (104). — С. 552 - 558.
и
GEOPOLYMER-BASED INJECTION MIXTURES FOR COMPACTION AND STRENGTHENING OF SOILS
I. Ya. Kharchenko * K. A. Israfilov * A. I. Kharchenko **
* Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow ** Scientific and Engineering Center for Underground Structures
Abstract
The authors carried out experimental studies of injection mixtures based on geopolymer systems. The effectiveness of the use of geopolymer systems in the preparation of injection mixtures for compaction and strengthening of sandy soils is substantiated. On the basis of the conducted studies, it was found that the composite binder based on metakaolin has the highest activity. It has been established that the most effective activator for accelerating the hardening of binders
The Keywords
injection mixtures, geopolymer binders, metakaolin, soil-concrete arrays
Date of receipt in edition
20.12.2022
О :
= I
ш 4
У <u
CL u
< £
X и
■ О
S *
^ о
< I
a
cû
О ç
S
e <
a
и
<U
z
s ç
о с о
<U
га _ i
< s
. и
ч/ <U
* 2
C5 °
^ <u
1 I
=T *
H
■ <U
к fi
. I
based on metakaolin is an activator based on sodium hydroxide. The performed studies prove the effectiveness of the use of geopolymer systems in geotechni-
Date of acceptance for printing
25.12.2022
cal construction, which will significantly increase the technical and economic efficiency of work on compaction and strengthening of soils in solving various geotechnical problems.
Ссылка для цитирования:
И. Я. Харченко, К. А. Исрафилов, А. И. Харченко. Инъекционные смеси на геополимерной основе для уплотнения и упрочнения грунтов. — Системные технологии. — 2023. — № 1 (46). — С. 124 - 130.
