Тема: Моделирование взаимодействия в системе «грунт-цемент» в процессе цементации песчаных грунтов

В последнее время очень часто строительные работы ведутся в сложных условиях, обусловленных слабонесущей способностью грунтов и их обводненностью. Для повышения несущей способности грунтовых оснований широко применяются методы закрепления грунтов. Искусственное изменение строительных свойств грунтов различными физико-химическими способами обеспечивает увеличение их прочности, устойчивости, уменьшение сжимаемости и водонепроницаемости [1].
Одним из способов улучшения механических характеристик пород является цементация. Учитывая это, было проведено изучение процессов взаимодействия цементной суспензии с песчаными грунтами.
Целью магистерской работы является моделирование взаимодействия цементной суспензии с песчаным грунтом.
Для достижения цели были поставлены следующие основные задачи:
а) анализ опубликованного материала;
б) проведение лабораторных исследований грунта;
в) изготовление экспериментального прозрачного лотка;
г) подготовка оптимального состава водоцементной смеси;
д) визуальное контролирование и изучение взаимодействия водоцементной смеси с песчаным грунтом.
Цементация заключается в нагнетание в грунт через пробуренные скважины цементного или цементно-песчаного раствора. В процессе взаимодействия вяжущего вещества с грунтом формируются грунтоцементные колонны, увеличивающие устойчивость грунтового массива к деформациям и снижающие его фильтрационные свойства [2]. Несмотря на длительный опыт применения цементных суспензионных растворов в строительстве, до сих пор слабо изучены процессы их взаимодействия с минеральными компонентами закрепляемых грунтов. Это обусловлено как широкими вариациями состава цементных суспензий, так и полиминеральным составом грунтовых массивов. В данной работе было проведено изучение особенностей взаимодействия данного вида вяжущего вещества с однородным песчаным грунтом различной степени обводненности.

Купить

В результате выполнения поставленных в рамках магистерской работы задач, было изучено взаимодействие цементной суспензии с песчаным грунтом. Для выполнения данной работы был выбран следующий способ закрепления грунтов: цементация в движении естественной фильтрации.
Конфигурация грунтоцементных камней-колон определяется вариациями грунтовых условий, а их внутренняя структура - боковым гидравлическим давлением цементной суспензии на грунт.
В сухих песчаных грунтах при закачке цементной суспензии глубина проникновения раствора в боковые стороны относительно небольшая. Причинами этого являются: обезвоживание суспензии, однородная структура песчаного грунта. За счет этого формируется цилиндрическая грунтоцементная колона небольшого диаметра.
В обводненных грунтах фильтрация закрепляющего раствора в боковые стороны идет на более дальнее расстояние, так как обезвоживание суспензии не происходит. При этом дальность переноса коллоидных частиц цементной суспензии будет определяться размерами пор грунта, скоростью коагуляции цементных агрегатов и боковым гидравлическим давлением закачиваемой жидкости в имитатор ствола скважины.
В песчаных грунтах, где нижняя часть водонасыщенная, а верхняя - слабовлажная, за счет различной скоростью инфильтрации закрепляющих растворов формируются грунтоцементные колоны грушевидной конфигурации.
Разуплотнение песчаного грунта вблизи ствола имитатора скважины, где происходит нагнетание цементирующего раствора, обусловлено созданием здесь бокового гидравлического давления жидкости. По мере удаления суспензии от ствола нагнетания давление жидкости падает. Поэтому по периферии песчаные зерна сохраняют свое структурное положение в грунте, фильтрующийся цементный раствор лишь заполняет поровое пространство между минеральными частичками.
По результатам рентгенографического анализа установлено, что грунтоцементные камни характеризуются неоднородным строением по соотношению в объеме цементной и песчаной компоненты. В центральной части колон преобладает затвердевший цементный камень, по мере приближения к периферии увеличивается доля кварцевых зерен.
В области фильтрации цементного раствора создается высоко щелочная среда (доходя до рН 12,4-12,6), способствующая растворению кварцевых зерен песчаника.
Согласно исследованиям, установили, чем больше в составе цементного раствора NaCl, тем выше сила тока раствора электролита. Поскольку сопротивление раствора определяется количеством в нем свободных ионов, можно сказать, что соль ускоряет процесс гидратации цемента. Добавка NaCl способствует более интенсивному растворению минеральных компонентов в цементе, а, следовательно, более быстрому достижению степени пересыщения растворов -электролитов и ускоренной кристаллизации новообразованных гидратных соединений в цементном камне. Согласно нашим экспериментам было установлено, что максимально допустимое содержание NaCl в цементе составляет 5%. Дальнейшее увеличение соли ведет к явлениям высаливания. За счет кристаллизации NaCl в цементном камне будут проявляться напряжения, релаксация которых приведет к растрескиванию грунто- цементных камней.
В процессе твердения цементной суспензии протекают многофазные реакции гидратации с образование в начальный период алита, белита, портландита и гипса, а в более поздний кальцита. Одновременно с этим со временем улучшаются физико - механические свойства грунтоцементных камней: уменьшается пористость, возрастает плотность и прочность на сжатие.

Купить