Силикатизация грунтов своими руками

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 10.09.2024

Как надежный способ укрепления непрочных грунтов в строительстве успешно применяется метод силикатизации. Данный способ можно использовать как под уже возведенными фундаментами, так и под еще строящимися зданиями. Наиболее часто сфера применения этого способа распространяется на почву с высоким содержанием песка, где коэффициент фильтрации исчисляется 0,5 – 80 м/сут. Также силикатизация может применяться и на лессовых просадочных почвах, характеризующихся коэффициентом фильтрации в 0,2 – 2,0 м/сут.

Сама суть указанного метода заключается в достижении окаменения грунта при помощи специального химического вещества. После заливания гелеобразного раствора в обозначенном месте происходит его постепенное затвердевание, в результате чего получается плотная структура грунта. Укрепленная таким образом почва не поддается воздействию воды и способна выдержать большие нагрузки.

В чем заключается процесс силикатизации?

Для связки мелких компонентов грунта используют специальное вещество, обладающее способностью склеивать их. После приготовления вещества в нужном объеме его закачивают в грунт через подготовленные заранее отверстия либо через пробуренную скважину.

В зависимости от вида грунта и способа внедрения состава отличают два способа силикатизации.

Однорастворный

Этот способ используется в почве с содержанием мелко и среднезернистого песка, коэффициент фильтрации которого колеблется от 0,5 до 20 м/сут. При этом способе раствор вводится в виде единого вещества, в результате чего прочность грунта во много раз улучшается.

Двухрастворный

Данный способ заключается в последовательном введении в грунт сначала жидкого стекла, а затем хлористого кальция. В результате химической реакции, происходящей непосредственно в почве, образуется гель кремниевой кислоты. Вначале затвердевание происходит в течение первых 24 часов очень интенсивно, затем несколько снижается. Полностью почва затвердевает по истечении 3 месяцев, повторяя процесс естественного образования песчаников. Показатель прочности грунта на сжатие при этом достигает до 4-5 МПа.

Главные особенности метода

Как и любой другой вид строительной деятельности, способ силикатизации имеет определенные плюсы и минусы. К неоспоримым достоинствам этого метода относят:

- возможность использования несложного оборудования, которое предполагает отсутствие специальной техники;
- существенное улучшение качества грунта;
- достаточно большой радиус закрепления грунтов относительно скважины – до одного метра.

Если говорить о недостатках этого способа, то их значительно меньше, однако они имеют все-таки некоторое значение, а именно:

- дороговизна химических компонентов;
- достаточно длительный процесс затвердевания.

В каких случаях рекомендована силикатизация?

Как уже было сказано, укрепленные при помощи такого метода грунты обладают водонепроницаемыми свойствами, поэтому не поддаются вымыванию. В связи с этим наиболее оптимальной силикатизация является при возведении гидротехнических сооружений. Кроме этого, данный способ хорош и при укреплении выработанных грунтов, а также для уплотнения лессовых почв. Здания, построенные на грунтах с таким укреплением, не будут подвержены просадкам и кренам.

Для того чтобы все-таки несколько уменьшить затратную часть данной технологии, современные разработчики предложили несколько видоизмененный способ укрепления грунтов. Метод GeoResin deep Lifting предусматривает введение другого состава геополимерного типа. Закачивая его в пустоты и поры грунта, можно добиться отличного эффекта, в результате основание не будет проседать. Таким методом на данный момент уже пользуются строители в более чем 80 странах мира.

Закрепляемые грунты должны подходить по некоторым критериям, самым важным из которых является проницаемость. Дело в том, что малопроницаемые грунты (например, глинистые) не поддаются химическому закреплению, потому что нет возможности внедрения в них вяжущих материалов. Способы химического закрепления должны подбираться согласно результатам анализа грунта в определённой местности.

В 1931 году, когда только начали появляться первые способы химического закрепления, все разработки были основаны на применении силиката натрия, который является неорганическим полимером. Данный метод не имел перспектив, поэтому специалисты стали проводить исследования с целью внедрения гелеобразующих растворов в данную сферу. А с развитием технологий появлялись всё новые и новые способы.

Химическое закрепление грунтов

Методы химического закрепления грунтов

В настоящее время существует очень много методов, позволяющих грамотно провести химическое закрепление грунта. Давайте выделим наиболее эффективные из них.

Способ 1. Битумизация

Метод горячей битумизации используют, когда необходимо произвести закрепление полускальных или даже скальных пород, он применяется не так часто, но упомянуть его стоит. Этот способ основан на нагнетании расплавленного битума через специальные скважины, проделанные заранее. Когда он полностью остывает порода приобретает такое важное качество, как водонепроницаемость. К сожалению, остывает битум относительно медленно, так как он обладает очень низким показателем теплопроводности.

Недостатком метода является то, что до застывания процесс может сорваться из-за грунтовых вод, которые способны вытолкнуть битум, не достигший низкой температуры и высокого уровня прочности.

Существует также и метод, основанный на холодной битумизации, он отличается тем, что используется для химического закрепления песчаного грунта. Также холодная битумизация предполагает введение эмульсии вместо расплавленного битума. Этот способ применяется, когда необходимо придать грунту хорошую водонепроницаемость. Эмульсии должны быть однородные! Только так можно достигнуть хорошего результата.

Способ 2. Цементация

Под понятием цементации грунтов нужно понимать заполнение всех пустот и прочих пор, образующихся в крупнообломочных грунтах. Со временем должен образоваться цементный камень. Очень внимательно отнеситесь к выбору раствора, для этого подойдут следующие смеси:

Цементные.
Цементно-глинистые.
Цементно-песчаные.

Обращайте внимание и на эти показатели при покупке, ни один из них не должен отклоняться от нормы:

Водоотделение за 2 часа – до 2%.
Подвижность по конусу (АзНИИ) – от 10 до 14 см.
Прочность после затвердевания (через 4 недели) при сжатии – 1-2 Мпа.

К сожалению, фильтрация полностью не прекращается, потому что частицы цемента, которые используются для химического закрепления относительно велики (50 мкм) для борьбы с микротрещинами!

Способ 3. Смолизация

Для закрепления грунтов можно использовать и смолы, температура которых во время полимеризации не должна превышать 10 градусов. Вот самые распространённые смолы, которые применяются для этого:

Фенольные. Они образуются из-за поликонденсации фенолов.
Мочевино-формальдегидные. Их также называют карбамидными, а образуются они вследствие поликонденсации формальдегида и мочевины.
Фурановые. Такие смолы образуются во время конденсации фурилового спирта.
Акриловые, являющиеся производными акриловой кислоты.

Специалисты рекомендуют использовать для химического закрепления грунтов именно мочевино-формальдегидные смолы, потому что они легко растворяются в обыкновенной воде, содержат уникальные отвердители, имеют небольшую вязкость, твердеют даже при низких температурах. Цена на такие смолы вполне приемлемая, что и делает их популярными.
Суть данного способа заключается в нагнетании специальных смол в грунт, они должны быть смешаны со специальным отвердителем (чаще всего применяется соляная кислота). Таким образом, достигается водонепроницаемость и прочность.

Инъектор, погружённый в грунт

Способ 4. Силикатизация

Метод, носящий название силикатизации, принято разделять на два варианта применения:

Двухрастворный. Такой способ силикатизации был придуман ещё в 1931 году, когда только появилось такое понятие, как химическое закрепление грунтов. Он заключается в введении специальной трубы в песчаный грунт. Через эту трубу происходит нагнетание силиката натрия (химическая формула – Na2OnSiO2) и специального раствора, основанного на хлористом калии (химическая формула – CaCl2). Данные компоненты образуют вещество, необходимое для закрепления грунта – гидрогель кремниевой кислоты. Таким образом, грунт обретает достаточно большую прочность. Единственный недостаток такого способа – это высокая стоимость.
Однорастворный. Такой способ подойдёт для закрепления песков, коэффициент фильтрации которых – 0,0006-0,006 см/сек. В грунт нагнетают фосфорную кислоту, смешанную со стеклом (в жидком состоянии). Прочность такого грунта, к сожалению, будет не такой прочной и водостойкой, как при двухрастворном методе. Но для устройства противофильтрационных завес он подойдёт хорошо.

Силикатизацию использовать не стоит, если грунт, который необходимо закрепить, пропитан различными маслами, смолами или даже нефтяными продуктами. А также важным критерием является скорость движения грунтовых вод, она не должна превышать 0,006 см/сек, иначе данный способ будет неэффективен!

Способ 5. Электрохимическое закрепление

Данный метод принято разделять на три части:

Электроосмос (для уплотнения и обезвоживания грунта).
Обмен натрия и кальция на алюминий и водород (специальные химические процессы для закрепления грунта).
Образование алюмогеля (структурообразование).

Электрохимический способ закрепления грунтов подразумевает комбинированное применение электрического тока и химических веществ. Он подойдёт только для грунтов, обладающих низкой проницаемостью! Все вещества должны вводиться только под действием электрического тока. Таким образом, происходит химическая реакция, делающая грунт более прочным!

Какое оборудование требуется для химического закрепления грунтов?

К проведению работ необходимо основательно подготовиться, вам потребуется следующее оборудование:

Инъекторы.
Установки, которые предназначены для бурения.
Пневматические молотки (предназначение – забивка инъекторов).
Насос для нагнетания химического раствора.
Компрессор (минимальное давление – 5 атмосфер).
Гидравлические домкраты для подъёма инъекторов (минимальная грузоподъёмность – 7-10 тонн).

Особого внимания заслуживают инъекторы, которые предназначаются для доставки химических веществ на определённую глубину, они забиваются в землю при помощи пневматических молотков. Выбирайте инъекторы, опираясь на необходимую глубину погружения, потому что данное оборудование отличается длинной и прочностью. От этого зависит и масса инъекторов, зная которую можно выбрать гидравлический домкрат, предназначенный для подъёма всего оборудования на поверхность после завершения работ. Если инъектор имеет массу 5 тонн, то грузоподъёмность домкрата должна составлять не менее 7-8 тонн!

Обратите внимание! В списке указано только универсальное оборудование, заранее узнавайте о необходимости приобретения дополнительного для какого-либо конкретного способа!

Схемы погружения инъекторов

Подведём итоги

Химическое закрепление грунтов – это сложный процесс, к которому необходимо отнеситесь максимально серьёзно. Выберите способ, который подойдёт для вашей почвы и найдите необходимое оборудование!

Долговечность любого строительства находится в прямой зависимости от качественных характеристик и несущей способности грунта. Если здание предстоит строить на насыпных, водонасыщенных, просадочных грунтах, их подвергают стабилизации (упрочнению).

Направления применения

На практике силикатизация грунтов целесообразна при необходимости:

прокладки железнодорожных путей, автомобильных трасс, инженерных коммуникаций в грунтах, требующих уплотнения;
строительства или ремонта фундаментов зданий и сооружений на разуплотненных почвах;
рытья котлованов и укрепления откосов;
устройства противофильтрационных сооружений;
производства работ по устранению и предупреждению аварийных ситуаций при появлении трещин в стенах и крена эксплуатируемых зданий.

Особенности технологии

Укрепление структуры грунта обеспечивается путем закачивания раствора жидкого стекла (силиката натрия) с необходимыми химическими добавками в предварительно подготовленные каналы и скважины. Для этого используются инъекторы (стальные трубы с перфорацией) D 25-50 мм, через которые под давлением 0,6-1 МПа рабочий раствор закачивается в грунт (под фундамент). Гель, образующийся при химической реакции, полностью затвердевает в течение определенного периода времени (до 80-90 суток), скрепляя мелкие частицы грунта вокруг инъектора (диапазоне 0,3-1 м) в прочную, плотную структуру.

Способы силикатизации

однорастворный – для грунтов с коэффициентом фильтрации (К_ф) 0,5-2 м/сутки;
двухрастворный – для грунтов с К_ф 2-80 м/сутки.

Однорастворный способ инъекции предусматривает применение однокомпонентного раствора силиката натрия, в некоторых случаях – с добавлением серной, кремнефтористой или фосфорной кислоты. Процесс оказывает стабилизирующее воздействие на грунт, достаточное для строительства небольших сооружений.

При двухрастворном способе используется последовательное введение в почву растворов жидкого стекла и хлористого кальция, обеспечивая прочность полученного грунта в пределах 0,5-5,5 МПа.

В последние годы распространение получила технология Uretek deep injection, в основе которого лежит применение геополимерных составов, препятствующих проседанию грунта, что особенно важно при строительстве многоэтажных зданий и гидротехнических объектов.

Преимущества технологии

Метод силикатизации существенно расширяет возможности строительства на территориях с песчаными и водонасыщенными грунтами, обеспечивая многократное увеличение их несущей способности. К плюсам технологии можно также отнести:

отсутствие сложных механизмов в технологическом процессе уплотнения грунта силикатными смесями;
быстроту внесения укрепляющих компонентов;
повышенную прочность обработанных грунтов в сравнении с результатами, полученными при использовании других технологий.

Несмотря на относительно высокую стоимость реагентов, используемых при силикатизации, и длительность периода затвердевания смеси, метод широко применяется на практике и незаменим как при возведении зданий на слабых грунтах, так и при работах по предотвращению усадки фундаментов эксплуатируемых объектов.

При строительстве иногда требует усиливать основание под объектами. Но тут все гораздо сложнее, чем кажется со стороны, и существует даже немало вариантов такой работы. Пора разобраться, как укрепить грунт, зачем это вообще нужно, и какие ошибки обычно допускают проектировщики, строители.

Для чего и где применяется?

Вовсе не обязательно стабилизация и закрепление почвенных пластов используются перед постройкой многоквартирного дома, офисного центра или другого серьезного сооружения. Такие манипуляции требуются и в ряде других случаев. Укрепительные мероприятия выполняются при возведении земляных работ (точнее, при проведении земляных работ) такого рода:

прокладка дороги (автомобильной или железной);

установка линии электропередач, инфраструктуры связи;

сохранение рельефа в особо охраняемых природных зонах;

профилактика размыва особо важных объектов, подмыва фундамента различных сооружений.

Укрепительные работы проявляют свою актуальность не только на этапе строительства. В ряде населенных пунктов оползание, потеря стабильности почвы, размывание ее водоемами или талыми водами обнаруживаются через несколько десятилетий. Если этот процесс не остановить, конечные потери будут непропорционально велики по сравнению с сиюминутной экономией. Мало того, в ряде случаев можно опасаться масштабных разрушений и даже серьезных человеческих жертв.

И напоследок стоит упомянуть такой случай необходимого укрепления, как поддержание садового участка или поля, расположенного на склоне.

Способы укрепления грунтов

Механические

Шпунтовые ограждения — достаточно дорогой вариант решения проблемы. Его применяют главным образом, когда надо разработать выемку или углубление в насыщенных водой земляных слоях поблизости от уже созданных объектов. Шпунты вводят в пласт прежде, чем начнут разрабатывать выемку. Если это условие не соблюдается, стабильного состояния почвы достичь невозможно.

Иначе устроено консольное крепление. Его делают из особых стоек, то есть свай. Эти опоры погружают нижней частью глубже, чем будет планируемая выемка. Сваи поддерживают доски или щиты, которые будут принимать давление грунта.

Такой прием рекомендуют использовать, если выемка будет не глубже 5 м. При большей глубине надо применять консольно-распорное крепление. Распорки ставят в верхней части стоек.

Цементация, инъекции

Цементация нужна, чтобы закрепить пески с крупным и средним размером зерна. Но этот же метод подойдет и для склонных к растрескиванию скальных пород. Цементные растворы закачивают при помощи инъекторов. Величина трещины и количество пор песка прямо влияют на пропорцию цемента и воды. Иногда к раствору добавляют инертные материалы. Радиус закрепления зависит от разновидности обрабатываемых грунтов. Скалистую почву закрепляют как минимум на 1,2-1,5 м. Если почвы сложены крупным песком, этот показатель составит от 0,5 до 0,75 м. Песок средней крупности цементируют на 0,3-0,5 м. Процедуру ведут по методу нисходящих зон.

Нагнетать раствор прекращают, как только достигнута целевая величина поглощения.

Дорожное строительство

При сооружении дорог и других транспортных магистралей (объектов) часто укрепление грунтов связано с минеральными вяжущими веществами. Такие методики были отработаны еще в XIX веке. В середине ХХ столетия в нашей стране провели массу исследований, позволивших поднять эффективность процедуры в несколько раз. Сегодня на территории развитых государств дорожное строительство не обходится без укрепления почвы. Исключения крайне редки и связаны с особо благоприятными условиями. Грамотное использование минеральных вяжущих:

сокращает общие расходы на 15% как минимум;

позволяет быстрее закончить строительство;

увеличивает промежуток между капитальными ремонтами;

позволяет обойтись меньшей толщиной покрытия;

понижает насыщение обработанных грунтов;

увеличивает стойкость к морозу, переменному увлажнению и понижению влажности.

При современном уровне технологии смешивать компоненты можно непосредственно на строящейся дороге. Техника уверенно работает как с жидкими, так и с порошкообразными компонентами. Если условия стеснены или грунт очень специфичен, не позволяет пройти тяжелой технике, применяются навесные аппараты. Самое распространенное в нашей стране минеральное вяжущее — классический портландцемент. Но будущее все равно принадлежит точному подбору рецептуры, а не упражнениям с дозировкой привычных компонентов.

Стоит отметить, что грунты могут укреплять не только неорганическими, но и органическими вяжущими веществами. Способ смешивания и методы применения практически не отличаются. Уплотнение производится самоходными катками на пневматическом ходу. Довольно широко практикуется, например, внесение синтетических смол.

Специалисты выяснили, что подобные вещества застывают на морозе, если подвергаются еще воздействию различных кислот.

Опытным путем установили, что быстрее всего закрепить грунт помогает применение водного раствора соляной кислоты в концентрации 5%. Фактическую крепость грунта определяют концентрация смол и исходный гранулометрический состав. Раствор кислоты нагнетают в скважину раньше, чем смолу. Опытные работы показали, что после насыщения смолами прочность грунтов может составлять 30-50 кг на 1 кв. см. Но это не конечный результат, потому что исследовательские работы идут крайне активно. В ряде ситуаций для усиления почв пользуются известью. Она может применяться как сама по себе, так и в связке с другими веществами. Методика такова:

проблемные места профилируют ручным способом (в больших масштабах помогает грейдер);

гранулируют почву ручными культиваторами;

поливают известковым раствором;

вновь культивируют нужный участок;

утрамбовывают его (после этого можно даже отказаться от покрытия).

Стабилизированный подобным образом грунт не размягчается даже при бурных осадках или весной. На нем долго не растет бурьян. Количество затрачиваемого труда многократно меньше, чем при использовании каменных блоков или настилов из дерева. Метод подходит для усиления грунтов не только на дорогах, но и под частную жилую застройку. При этом сокращается сложность строительства фундамента, уменьшаются суммарные строительные расходы.

Практика показывает, что обработка почвенных пластов смесью битумов, извести, дегтей и цемента обеспечивает превосходные показатели:

стойкости к холоду;

стойкости к нагреву и перепаду температур;

Начинают с обработки грунта известью либо цементом. Их непременно увлажняют. Образующийся гидрат кальциевой окиси гарантирует сцепление глины и коллоидных частиц. Чем больше глины содержится в почве, тем эффективнее введение извести.

Уплотнение грунта, укрепляемого в смеси с цементом или известью, производят в первые 2 часа после окончательного размешивания смеси.

Осушение

Но в ряде случаев применение различных материалов оказывается недостаточно эффективно. Дело в том, что добиться успеха мешает чрезмерное увлажнение почв. На глинистых, пылящих и илистых грунтах эффективно оказывается электрохимическое осушение. В грунт снаружи и внутри фундамента защищаемого здания закладывают электроды трубчатой формы (анод и катод соответственно). Дистанция между электродами с одним полюсом должна составлять от 0,8 до 1 м.

Анодный электрод используют для подачи соляных растворов. Повышение градиента скоростей достигается откачиванием грунтовых вод из катода. Применяют постоянный ток напряжением от 100 до 120 В. Закрепить 1 м3 грунта можно при затрате 60-100 кВт электричества.

Но можно прибегнуть и к химическому осушению. В таком варианте специальные добавки вводят в почву из автогудронатора. Температура должна составлять от 50 до 80 градусов. Контроль объема добавок проводят при помощи индикаторной бумаги. Электрическое осушение применяют, когда надо улучшить характеристики плохо отдающего воду грунта. Речь идет о почвах, сложенных из глины, ила либо суглинков, коэффициент фильтрации которых составляет менее 1 м за сутки.

Если глина не является основным компонентом почвы, применяют обжиг (термическое осушение). Бурят скважину, куда заводят перфорированную трубу из жаропрочных марок стали. По трубе гонят горячий воздух. Избыток влаги испаряется, и глина спекается. Тепло получают при использовании местного топлива.

Силикатизация идет так:

берут жидкое стекло или его растворы;

нагнетают эти растворы по трубам;

после окаменения почвы трубы извлекают.

Армирование

использование сетки из полимера, геотекстиля;

ленты из геотекстиля.

Подбор варианта определяется:

инженерно-геологической характеристикой площадки;

требовательностью к качеству подложки;

срочностью и важностью работ.

Часто встречающиеся ошибки

Какой бы метод ни был выбран, придется работать очень тщательно и четко. Так, при использовании свай нагрузку надо передавать строго вертикально. Малейшее отклонение в сторону — и эффективность работы резко падает.

Обязательно надо проанализировать указания нормативных документов, изучить характеристики грунта в конкретном месте. Невнимание к нормативам, игнорирование геологоразведки крайне вредны.

Также регулярно встречаются такие промахи:

применение устаревшей техники;

плохой подбор приспособлений и реактивов;

отсутствие инженерного контроля за рабочим процессом, особенно за послойным уплотнением почвы;

неверная концентрация вяжущей смеси;

несоблюдение температурных ограничений;

несоблюдение временных рамок технологического процесса;

плохой выбор подходящего метода.

Подробнее о цементации грунтов смотрите далее.

Читайте также: