Закрепление ослабленных грунтов Центрального Казахстана механохимически активированными органо - минеральными добавками

В связи с освоением новых территорий под строительство в современной практике строительства большое внимание уделяется закреплению слабых грунтов.. Имеется большое количество научноисследовательских и технологических изысканий посвященных этой важной тематике. Одним из направлений в укреплении слабых грунтов является поиск составов технологических добавок, обеспечивающих повышение прочности слабых грунтов, при высоких технологических характеристиках добавок и суспензий на их основе [1-3].

В настоящей работе приведены результаты исследований закрепления песчаных грунтов суспензией механохимически активированного тонкодисперсного каолина. Высокая поверхностная энергия тонкодисперсного каолина позволяет проводить в широком диапазоне механохимические процессы. В основу работы принята гипотеза о возможности создания химической связи между частицами каолина и макромолекулами полимер- олигомерных добавок в результате высоких сдвиговых деформаций в высокоскоростных смесителях [4].

В качестве тонкодисперсного материала нами выбран отходы производства асбеста АО «Кокшетау каолин», минеральный состав и физико- механические свойства которых представлены в (ГОСТ 12871- 93).Для получения необходимой суспензии использовали асбест 7 сорта марки АО «Костанайские минералы».

Механохимическую активацию тонкодисперсного каолина проводили на лабора-торном дезинтеграторе «Дези» производства НПО «Дезинтегатор» (г.Таллинн) при скорости вращения ротора активатора 2500-3000 об/мин. Первоначальная темпера-тура загрузка компонентов производилась при комнатной температуре~ 25^оС. а вла-жность тонкодисперсного каолина не превышала 1,1-1,3 %.

В качестве реагентов – активаторов использовали кремнийорганическую жид-кость КО «Силор», выпускаемый по КО «Силор (ТУ 38-10385-76) и хлор-парафин марки ХП-470 (ТУ 6-01-597-71).

На рисунке 1 показана принципиальная технологическая схема получения меха-нохимически активированную суспензию тонкодисперсного каолина. Для крупно-масштабных испытаний технологическая линия снабжалась вместо дезинтегратора 2-х стадийным смесителем с рубашкой охлаждения (поз.7 рисунок 1). Двухстадийный смеситель – стандартный смеситель, применяемый в производстве промазного линолеума. Скорость смесительного ротора первой стадии - 450 об/мин., а второй стадии – 1500 об/ мин. Камеры смесителей могут как подогреваться горячей водой до 80^оС, так и охлаждаться холодной водой, что позволяет регулировать технологические параметры механохимических процессов в ходе эксперимента.

Технология приготовления (рисунок) механохимически активированного ТДК заключается в следующем: Из емкостей 1 и 2 расчетное количество КО «Силор » через весовые дозаторы подается в 2-х стадийный смеситель 6 где находится расчетное количество ТДК. Одновременно с загрузкой КО «Силор » включается смесительный ротор 1 стадии смешения. Смешение протекает при скорости вращения ротора 750 об / мин. в течение 12-15 мин. Затем при скорости 50 об /мин. загружается ХП-470 и ско-рость ротора доводится до 750 об / мин. и смешение производится в течение 14-15 мин. при температуре рабочей камеры 55- 60^оС. Если температура рабочей камеры самопроизвольно повышается выше 70^оС- холодная вода подается в рубашку ох-лаждения и реакционная масса охлаждается до 60-65 ^оС. Температура рабочей камеры контролируется в автоматическом режиме. После смешения масса при Т= 60 - 65^оС подается во вторую камеру 2-х стадийного смесителя и при скорости вращения ротора 1500 об/мин. осуществляется механохимический синтез органоминерального комплекса. При высоких степенях скорости сдвига раскрываются двойные связи КО «Силор» и ХП- 470 и протекают конкурентные реакции радикальной полимеризации силиката магния с макромолекулами КО «Силор», а также макромолекул КО «Силор» с макромолекулами ХП- 470 , что хорошо согласуется с литературными данными [1-2]. Наряду с процессами радикальной полимеризации протекают процессы прививки макромолекул олигомера на поверхность ТДК, возможность таких процессов хорошо известно из литературных источников [3-5]. Суспензия, состоящая из ТДК и олигомерно - полимерной массой, активируется в течение 15-18 мин. при

скорости вращения ротора 1500 об/ мин., температура рабочей камеры при этом поддерживается в диапазоне 75-80^оС. После механоактивации готовая суспензия выгружается и после охлаждения до комнатной температуры отбирается проба на определение глубины протекания механохимического синтеза и механоактивации. При соответствии качества суспензия подается на смешение с карбамидной смолой для получения

что

в результате механохимического

закрепляющего грунт состава.

Исследования показали, синтеза образуется органо- минеральный комплекс Mg[R] где R- олигомерно- полимерный радикал КО»Силор» с полосой поглощения 724 см^-1. Об образовании комплекса ТДК с ХП-470 судили по полосам поглощения 620, 470 и 430 см^-1. Следует отметить, ЧТО наряду с механохимическими превращениями относительная вязкость суспензии повысилась с 1,8· до 3,3-10⁴ Па·с, а температура кипения суспензии, составляла 11^оС против 58^оС исходной. Все эти данные позволили считать, что при выбранных технологических параметрах протекают процессы механохимической активации ТДК.

Пластифицирующее и упрочняющее действие механохимически активи-рованной суспензии ТДА определялось на грунтах опытной площадки, сложен-ных песком средней крупности (содержание фракций с диаметром частиц d 1-0,5 мм; d 0,5-0,25 мм; d 0,25-0,01 мм; d 0,1-0,05 мм, соответственно - 3; 60; 32; 5%) и плотностью 961 кг/м³ и 1600 кг/м³. Раздельное введение в состав механоактивированной суспензии ТДА и стандартного цементного раствора в песчаный грунт осуществляли известным способом инъектирования. Опыты проведены по следующим вариантам:

В пробуренную скважину на глубину один метр вводился инъектор и через не-го закачивался цементный раствор, полученный путем смешивания цемента М-400 с водой при водоцементном отношением 0,4с объемом 10 дм³ при посто-янном давлении компрессора 0,2 МПа.

Цементацию песчаных грунтов проводили по следующей схеме: в пробуренную скважину на глубину один метр вводился инъектор, через который в грунт сначала закачивалась при давлении компрессора 0,2 МПа десятипроцентная механохимически активированная суспензия ТДА, объем которой составлял 10% от объема цементного раствора, а затем при том же давлении компрессора зака-чивалось 10 дм³ цементного раствора с водоцементным отношением 0,4. Пластифицирующее действие оценивалось по расходу цементного раствора, нагнетаемого в грунт пневмоустановкой. Состав цементирующей добавки представлен в таблице 1.

Прочность на сжатие цементно-песчаного камня, образовавшегося в песча-ном грунте, определялась методом одноосного сжатия на образцах кернов диа-метром 45см и высотой 6 см, извлеченных через 28 дней и 90 дней из зацемен-тированного слоя песчаного грунта. Результаты испытаний представлены в таблице 2 и 3.

Из данных таблицы 1 следует, что предварительно пластифицированный слой каркаса грунта способствует повышению скорости течения стандартного цементного раствора, а в процессе твердения приводит к повышению прочности цементного грунта.

Предлагаемый способ может найти широкое применение при цементации песчаных грунтов в строительных работах, на буровых скважинах и т.д. Он не требует сложного оборудования, прост в осуществлении и имеет по сравнению с традиционной пониженную материалоемкость при достаточно высоких технологических характеристиках. Кроме того, данный способ может быть осуществлен на существующем оборудовании.

Таблицаì- Состав композиций для закрепления песчаного грунта

Таблица. 2- Прочностные свойства песчаного грунта

Таким образом, разработанная механохимически активированный ТДК может быть использован для укрепления слабых грунтов, в том числе песчаных, при себестоимости, не превышающей себестоимость традиционных добавок. Следует отметить, что прочность песчаных грунтов, цементированных механохимически активированным каолином 2 раза выше, чем песчаных грунтов ,закрепленных карбамидной смолой и озерным илом. Кроме того, отходы каолина по объему возобновляемости значительно выше и отличаются постоянством минерального и химического состава, что намного целесообразней, чем использование озерного ила с постоянно изменяющимися составом и свойствами.

Литература

1. Барамбойм Н.К. Механохимия высокомолекулярных соединений. М.: Химия, 1978,-С.38-51.
2. Казале А., Портер Р. Реакции полимеров под действием напряжений: Пер.с англ.- Л.: Химия, 1983,-С.17-63.
3. Микульский В.Г., Козлов В.В. Модификация строительных материалов полимерами: Учебное пособие.- М.: МИСИ,1986.-11-18.
4. Авт. св. РФ № 1557122, C04B20/10, 1990;
5. Патент РФ № 2073775. C04B20/10, 2002.