Силикатизация грунта: когда применяется технология и есть ли ей место в бытовом строительстве

 

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

Для укрепления грунтов компания «Стройметмашсервис» https://smms.ltd/ использует наиболее эффективные методы силикатизации:

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

Виды стабилизаторов

• Вяжущие и/или склеивающие (цемент, известь, битум и др.) вещества, с помощью которых грунт приобретает повышенную структурную прочность и свойства твердого тела
• Химические вещества, которые изменяют свойства грунта, вступая в химическую реакцию с его компонентами
• Комбинированные (вяжущие+химические)
• Катионные, катионоактивные (полифилизаторы-катализаторы), которые в водных растворах диссоциируют с образованием положительно заряженного иона (катиона), ускоряющие естественный процесс окаменения всех видов грунтов, качественно меняя их свойства.

Цементация грунтов

Цементация грунтов – группа методов технической мелиорации грунтов, основанная на введении в грунт гидравлических вяжущих. Один из методов технической мелиорации грунтов.

Технология введения реагентов для разных типов грунтов существенно различается.
Для трещиноватых скальных или песчано-гравелистых массивов грунтов применяется инъекционная цементация, которая заключается в нагнетании (под давлением от 3 до 70 атм.) через систему пробуренных скважин цементного раствора (соотношение массы цемента и воды может изменяться от 0,1 до 2), в результате чего снижается водопроницаемость грунта и повышается его прочность. За окончание работ принимают снижение поглощения раствора до величин менее 0,01 л/мин при предельном давлении.

Повышение подвижности цементных и цементно-глинистых растворов достигают добавкой сульфитно-спиртовой барды (0,01-0,25 % по отношению к цементу). Ускорение схватывания растворов и увеличение первоначальной прочности цементного камня регулируется добавками CaCl2 (1-5 % по отношению к цементу). При инъекции кавернозных грунтов в растворы вводят отощающие добавки: песок, шлак, золы уноса и т.д.

Применяется для укрепления оснований сооружений, создания противофильтрационных завес, придания водонепроницаемости породам при проходке горных выработок (шахты, тоннели), повышения монолитности и водонепроницаемости каменной и бетонной кладки.

Для дисперсных грунтов цементация заключается в приготовлении (перемешиванием) искусственной смеси из предварительно измельченного грунта, вяжущего мелиоранта (цемент или известковое вяжущее) и воды, и распределении её по проектному профилю с последующим уплотнением, укаткой и уходом за готовым слоем с учетом назначения искусственного грунта. В качестве активных добавок, регулирующих процессы твердения и свойства искусственного грунта, используют отходы промышленности (золы-уноса, золошлаки, шлаки, шламы, лигнин и др.) и химические реагенты (жидкое стекло, хлориды, сульфаты и гидроксиды металлов, кислоты). Содержание основного вяжущего в зависимости типа грунта составляет: 2-12 % (для извести) и 4-16 % (для цемента).
Применяется для осушения грунтов на строительных площадках; усиления оснований дорожных и аэродромных покрытий; предотвращения суффозии в ядрах земляных плотин; противоэрозионного укрепления пологих склонов и откосов; облицовки резервуаров и каналов; при возведении земляных сооружений; защиты от промерзания и армирования несущих слоев; снижения усадки и набухания и повышения несущей способности грунтов оснований.

Силикатизация грунтов

Силикатизация грунтов — химический способ искусственного закрепления грунтов в строительных и иных целях посредством силикатных растворов, нагнетаемых (инъектируемых) в грунт. Один из методов технической мелиорации грунтов.

Силикатизация применяется для увеличения несущей способности песков, для предотвращения просадок лёссов и для придания водонепроницаемости пескам, супесям и лёссам.
Нагнетание рабочих растворов производится либо через забитые в грунт металлические трубки, перфорированные мелкими отверстиями (инъекторы), либо непосредственно в скважины. Расстояние между инъекторами принимается в зависимости от радиуса закрепления (расстояние, на которое распространяется раствор от точки нагнетания) и колеблется от 0,5 до 1,2 м. По вертикали нагнетание раствора разделяют на зоны (заходки), которые зависят от длины инъектора, а в скважинах — ограничиваются тампонами различной конструкции. Величина одной заходки обычно составляет 0,6-1,0 м. В результате получается сплошной массив закреплённого грунта требуемого очертания.
Силикатизация находит применение для увеличения несущей способности грунта под фундаментами существующих зданий и сооружений, для устранения фильтрации в основании гидротехнических сооружений, при проходке выработок в слабых грунтах, для предотвращения неравномерных просадок сооружений при строительстве на лессовых грунтах и т. д.

Силикатизация осуществляется тремя способами: 1) однорастворная силикатизация; 2) двурастворная силикатизация; 3) газовая силикатизация.
Закрепление крупных песков производится обычно двухрастворным способом силикатизации: последовательное нагнетание в грунт раствора жидкого стекла (силиката натрия) и раствора хлористого кальция.

Закрепление мелких и пылеватых песков осуществляется однорастворным способом: нагнетание в грунт раствора жидкого стекла с отвердителем (коагулянтом). В качестве последних в разное время использовались как кислоты (HCl, H2SO4, H3PO4), так и соли (Na2CO3, NaHCO3, NaH2PO4) в чистом виде или в смеси с кислотами; наиболее часто применяемые в настоящее время — H2SiF6, NaAlO2 и др.

Закрепление крупных и средних песков возможно осуществить газовой силикатизацией: последовательное нагнетание в грунт раствора жидкого стекла и газообразного CO2.

Для закрепления лёссов нагнетают раствор жидкого стекла с отвердителями или без них. В результате коагуляции силиката натрия отвердителями или при взаимодействии с компонентами лессов образуется гель кремневой кислоты, цементирующий грунт.
Однорастворная силикатизация с использованием различных отвердителей используется также для доуплотнения скальных трещиноватых грунтов.

Битумизация грунтов

Битумизация грунтов — способ закрепления грунтов, основанный на использовании битумов. Один из методов технической мелиорации грунтов.

Применяется для тампонажного закрепления трещиноватых скальных (горячая битумизация) и песчаных (холодная битумизация) грунтов.

Горячей битумизации подвергают трещиноватые и кавернозные грунты с любыми притоками агрессивных и неагрессивных вод при ширине раскрытия трещин > 0,2 мм (с удельными водопритоками от 0,5 до 100 л/мин). Применяется для создания водопреграждающих завес в подземном строительстве, для проведения шахтных стволов, горизонтальных горных выработок и других подземных сооружений. Осуществляется через сеть пробуренных скважин, в которые через инъекторы нагнетается расплавленный битум (нефтяные или сланцевые). Попадая в трещины и пустоты, битум вытесняет воду, затвердевает и становится способным выдерживать напор подземных вод. Может быть предварительной — до проведения горных выработок, и последующей — после проходки, для придания крепи выработки водонепроницаемости.

Холодная битумизация с использованием битумных эмульсий применяется для создания водопроницаемых завес в песчаных грунтах с коэффициентом фильтрации 50-100 м/сут. Битумная эмульсия состоит из капелек битума размером 1-10 мкм, диспергированных в воде (концентрация 50-65 %). Стабильность системы поддерживается эмульгаторами (ПАВ — до 3,5 %). Способ инъекции аналогичен. По мере поступления в грунт битумная эмульсия оттесняет воду, частично смешиваясь с ней. В дальнейшем под влиянием коагулянтов эмульсия распадается, капли битума сливаются в единую массу, заполняя компактной массой поры грунта. Для трещиноватых грунтов метод холодной битумизации применим при удельном водопоглощении 0,1-1,0 л/мин.

Укрепление грунта под фундаментом

Деформация строительных конструкций здания приводит к трещинам, перекосам дверей и окон. Таким образом, при накоплении массы такого рода проблем конструкции рушатся.

Однорастворный способ силикатизации

Применяется на нестабильных видах почв, подавая раствор жидкого стекла вместе с серной или фосфорной кислотой. Раньше мог использоваться сернокислый аммоний, но он был запрещен экологическим сообществом. Используя данный метод, почва становится крепче, но этого недостаточно для больших сооружений. В таком случае стабилизацией может служить жидкое стекло, так как при реакции стекла с солями грунта образуется гель.

Двурастворный способ силикатизации

Отличие от первого способа в том, что компоненты влияют на почву поочередно, а не сразу. Первым делом жидкое стекло, потом хлористый кальций. Из этой смеси образуется гель кремниевой кислоты. Главная особенность – затвердевание, результат виден в первые сутки. Со временем процесс происходит медленнее и заканчивается только по истечении 80–90 дней.

Достоинства силикатизации

Способ силикатизации серьезно расширяет спектр возможностей при строительстве там, где есть песчаные и водонасыщенные грунты, многократно усиливая ихнесущую способность.  Основные преимущества:

• нет тяжелых схем и процессов в использовании смесей, уплотняющих грунт;
• процесс сам по себе не занимает большого количества времени;
• прочность очень высокая в сравнении с другими технологиями.

Случаи использования силикатизации

Этот метод используется во многих случаях, например:

• строительство железных дорог;
• уплотнение фундаментов;
• экстренные работы по устранению трещин в стенах;
• укрепляя почву лесов.

Методы закрепления грунта

Существует несколько способов стабилизировать грунт, закрепить его, уменьшить сжимаемость и повысить прочность. Один из них – увеличить сцепление между частицами, не нарушая структуру почвы. Самые популярные методы:

1. Глинизация почвы.
2. Силикатизация грунтов.
3. Цементация.
4. Термизация.
5. Электрохимизация.

Выбор конкретного метода зависит от типа почвы. Чаще всего для укрепления грунта используется именно силикатизация как самый простой вариант решения столь серьезного вопроса. Что это за способ, в чем его преимущества и особенности? Об этом – далее.

Силикатизация грунтов

Важная деталь: не подлежат силикатизации почвы, пропитанные нефтепродуктами или смолами.

С помощью данного метода можно укрепить как водонасыщенные почвы, так и сухие пески, микропористые просадочные и другие виды насыпных грунтов. Технология силикатизации грунтов очень проста: чтобы сделать почву более надежной и прочной, в нее нагнетают определенное вещество. Оно цементирует в грунте поры, благодаря чему связь между частицами повышается и почва становится намного прочнее.

На песчаных почвах и лессах применяется обычно однорастворный метод. Если песчаные грунты насыщены влагой или являются плывунами, изменить их состояние можно только при помощи двухрастворного способа силикатизации. Закрепить грунты силикатизацией можно только в том случае, если основание имеет коэффициент фильтрации 3-78 м/сутки.

В чем особенность? Особенность силикатизации грунтов в том, что, проникая в грунт, вещества обволакивают мелкие компоненты, склеивая и связывая их. Чтобы выполнить весь процесс, в грунте готовят отверстия или бурят скважины. После этого подготавливают в нужном объеме раствор и через инъекционные насосы закачивают его в почву.

Однорастворная силикатизация

На пылеватых песках и других видах нестабильных почв применяют именно однорастворный метод силикатизации грунтов. Для этого в почву нужного участка земли подают раствор жидкого стекла, смешанного с серной или фосфорной кислотой.

На заметку: ранее еще одним компонентом мог служить сернокислый аммоний. Но он был запрещен новыми правилами экологических служб.

После однорастворной силикатизации почва становится более стабильной, но ее прочности недостаточно для возведения крупных сооружений.

В качестве стабилизирующего вещества может служить и одно жидкое стекло. Такой вариант применяют на лессовых посадочных грунтах. Между жидким стеклом и водорастворимыми солями грунта происходит реакция, в результате чего образуется гель.

Двухрастворный способ

Двухрастворная силикатизация грунтов отличается от предыдущего варианта тем, что выбранные компоненты нагнетают в почву не одновременно, а поочередно: сначала жидкое стекло, а затем хлористый кальций. После химической реакции образовывается новое вещество. Это – гель кремниевой кислоты. Его главное качество – интенсивное затвердевание, которое осуществляется на протяжении первых суток. Далее скорость затвердевания значительно уменьшается, и оно заканчивается через 80-90 дней. За это время прочность почвы значительно увеличивается и достигает показателя не менее 4,5 МПа.

Главные особенности двухрастворного способа

Силикатизация грунтов данным методом имеет свои достоинства и недостатки. Неоспоримые преимущества:

1. Возможность закрепить грунт на достаточно большом радиусе от скважины.
2. Отсутствие необходимости использовать специальную технику, сложное оборудование.
3. Возможность существенно улучшить качество грунта.

К сожалению, имеют место и недостатки, но их немного:

1. Дороговизна – химические компоненты стоят не дешево.
2. Процесс затвердевания происходит достаточно долго.

Когда рекомендована силикатизация?

Закрепление грунтов силикатизацией рекомендуется в следующих случаях:

1. При строительстве автотрасс.
2. При возведении производственных, складских и офисных помещений, частных домов, инфраструктурных и других объектов.
3. При прокладывании железнодорожных путей сообщения.
4. При строительстве гидротехнических сооружений.
5. Когда необходимо уплотнить лессовые почвы.
6. Для укрепления выработанных грунтов и т.д.

Применение двухрастворного способа гарантирует прочность почвы, благодаря чему здания и другие сооружения не будут подвергаться усадкам, трескаться или крениться.

Что дает силикатизация почвы?

Силикатизация грунтов позволяет:

1. Увеличить несущую способность почвы под основаниями фундаментов сооружений и зданий.
2. Уплотнить разуплотненные почвы, усилить ее во время проведения ремонта фундамента под зданиями и сооружениями.
3. Уплотнить грунт основания в тех случаях, когда планируется прокладка инженерных коммуникаций или их ремонт. Рекомендуется проводить данную процедуру на разуплотненных грунтах и при разработке котлованов.
4. Устранить или предотвратить непрогнозируемую усадку оснований на разуплотненных грунтах.
5. Укрепить откосы котлованов.
6. Устроить противофильтрационный завес.
7. Устранить крен аварийного здания или сооружения.