Применение коллоидных цементных растворов для закрепления грунтов с помощью струйной геотехнологии
Использование цементных растворов для струйной геотехнологии связано с определенными проблемами:
- расслаивание раствора в грунтоцементной смеси до завершения ее дения;
- наличие в растворе большого количества слипшихся комков цемс что снижает эффективность использования цемента и создает реальную опасность забивки растворных насадок монитора при закреплении rpyнтов.
В США и других странах некоторые строительные компании успешно используют для струйной геотехнологии коллоидные растворы.
Понятие «коллоидный раствор», строго говоря, относится к суспензиям очень мелких, микроскопических частиц в жидкой или газовой среде. Применительно к цементным растворам с определенными качествами иногда используют термины: «полуколлоидный», «околоколлоидный», «псевдоколлоидный». Будем, однако, условно называть эти растворы "коллоидными".
Наиболее важным свойством коллоидных растворов является то, что они долго сохраняют свою структуру и очень слабо расслаиваются. Свойства коллоидного цементного раствора определяются следующими причинами:
- каждая частица цемента смочена водой по всей поверхности, отдельные частицы отделены одна от другой, комки слипшихся частиц отсутствуют;
- каждая цементная частица окружена тонкой водяной пленкой, которая равномерно химически активизирует цемент, обеспечивая одновременную гидратацию и тем самым - повышенную прочность и долговечность сооружаемой конструкции;
- имеет место гомогенная однородность раствора;
- раствор приобретает коллоидные характеристики благодаря максимальному одновременному превращению твердого дискретного материала в гель.
По-видимому, коллоидными можно считать качественные бентонитовые растворы - после их достаточно долгого перемешивания.
Для получения коллоидных цементных растворов используются смесители особой конструкции, принципиальная схема которой показана на рис. 6.3.
Рис. 6.3. Принципиальная схема коллоидного смесителя
1 -
смесительный резервуар; 2 - трап; 3 - камера; 4 - ротор; 5 - подача воды; 6 -
подача цемента; 7 - тангенциальная подача смеси; 8 - к измерительному
прибору
Главным элементом коллоидного смесителя является коллоидная мельница, которая включает ротор, выполненный в форме фрезы, вращаемый с частотой 2000 мин-1, и цилиндрическую камеру. Ротор вращается на горизонтальной оси. Зазор между ротором и стенками камеры составляет около 1 мм. Ротор, работая также как насос, создает в напорном патрубке давление порядка 0,2 МПа. Напорный патрубок тангециально вводится в резервyap, связанный с камерой ротора, и в результате внутри резервуара возникает вихревый поток. Под действием сил поперечной циркуляции, частицы цемента, подаваемого в бак, концентрируются в центре его и увлекаются в камеру ротора.. Таким образом, происходит циркуляция цементных частиц до образования высококачественного цементного раствора.
В нижней, конической части бака имеется патрубок, соединяющий его c камерой ротора. Вода и цемент, дозированно загружаемые в бак, многократно проходя через ротор, образуют смесь, имеющую свойства коллоидного раствора.
По-видимому, вихревое движение жидкости в баке, имеющее небольшие окружные скорости (вследствие малого напора), мало способствует перемешиванию раствора. Его роль - в концентрации твердых частиц в центре баки перед входом в патрубок, связывающий его с камерой ротора. Bысокоградиентный поток создается именно быстро вращаемым ротором. При попадании цемента в такой поток происходит разрушение агрегатов частиц. Благодаря высокому градиенту скоростей в потоке, твердая частица в разных частик сан ей поверхности испытывает отличные по значению гидродинамические нагрузки. В результате, в частице возникают срезающие напряжения.
Под действием этих напряжений с поверхности частицы удаляются прилипшие к ней микроскопические пузырьки воздуха, улучшается смачивание водой поверхности, скалываются микрообъемы вступившего в реакцию гидратации цемента, происходит диспергация частиц, увеличивается площадь их суммарной поверхности, повышается равномерность по времени начала гидратации во всём объеме раствора. Указанные обстоятельства в совокупности и определяют появление свойств коллоидности раствора. При перемешивании цементных растворов в обычных лопастных смесителях такие свойства не приобретаются.
На рис. 6.4 экспериментальный график зависимости
расслаивания раствора от моментного отношения — для обычного и для коллоидного
цементных paстворов.
Как видим, при максимальном значении водоцементного
отношения 1,4 расслаивание обычного ментного раствора составляет 40%, а
коллоидного раствора-5%.
Рис. 6.4 Графики зависимости расслоения цементного раствора от водоцементного отношения для обычного и коллоидного раствора
На рис. 6.5 показан экспериментальный график зависимостей 28-дневной прочности на сжатие цементного камня от плотности цементного раствора (тоесть от содержания цемента) для обычного и коллоидного цементных растворов.
Рис. 6.5. График зависимости 28-дневной прочности затвердевшего раствора от плотности раствора для обычного и коллоидного цементных растворов
Как видим, при равной плотности прочность для коллоидного раствора может быть
выше, чем для обычного цементного раствора, примерно, на 10 МПа.
Таким
образом, применение коллоидных цементных растворов
позволяет существенно уменьшить расходы цемента при использовании струйной
геотехнологии.
Коллоидные растворы имеют следующие преимущества:
- коллоидный раствор не разжижается в водной среде; это позволяет использовать его при высоких скоростях подземных вод;
- коллоидный раствор, благодаря его высокой стабильности, можно перекачивать без опасности расслоения на большие расстояния;
- коллоидный раствор равномерно заполняет поры грунта; предположительно, вода, содержащаяся в порах закрепляемого грунта, не перемешивается или не полностью перемешивается с раствором, вытесняется из размываемой полости, и тем самым обеспечивается большая плотность и, соответственно, большая прочность образуемого грунтобетонного материала;
- грунтобетонная смесь при закреплении грунта не оседает, расслаивания раствора не происходит.
Таким образом, применение коллоидных цементных растворов для закрепления грунтов с помощью струйной геотехнологии позволяет устранить расслоение раствора после формирования грунтобетонной конструкции, обесценивать повышенную прочность грунтобетона или экономию цемента. Эти качества особенно важны при усилении фундаментов грунтобетонными колоннами, так как они способствуют уменьшению осадки здания или сооружении и позволяют повысить производительность работ (за счет исключения операции подачи добавочного объема раствора для компенсации осадки колонны).
