Стабилизация грунтов методом использования гидрофобизирующих добавок для снижения пучинообразования грунтов

В статье рассматриваются условия строительства в РФ на пучинистых грунтах. Для снижения воздействия морозного пучения были исследованы свойства грунтов, укрепленных гидрофобизаторами на основе продуктов нефтедобывающей промышленности (нефтешлама). Рассмотрено влияние парафиновой составляющей нефтешлама на водно-физические свойства пучинистых грунтов.

Ключевые слова: укрепление (стабилизация) грунтов, гидрофобизаторы, нефтешлам, известь, парафин, пучинистость грунта.

По характеру происхождения виды грунтов делятся на естественные - напластования земной коры, находящиеся в естественном уплотненном и увлажненном состоянии, образовавшиеся за миллионы лет в результате разрушения древних горных или морских (озерных, илистых, наносных и пр.) пород, и насыпные - результат деятельности человека. Фундамент лучше всего располагать на основании грунта, находящегося в естественном нетронутом состоянии.

Для выравнивания основания под фундамент допустима песчаная подсыпка высотой не более 10 см. Более высокие подсыпки должны быть расчитаны грамотным специалистом и уплотнены механическими трамбовками.

При переборе грунта в котловане более чем на 10 см при его разработке экскаватором ямы заливают "тощим" бетоном или весь фундамент углубляют до нетронутого грунта.

Засыпка ям более 1 м песком впоследствии может обернуться потере уже отстроенного дома в результате трещин.

Естественные грунты делятся на крупнообломочные, песчаные и пылевато-глинистые. Для определения вида грунта на конкретной строительной площадке должны быть проведены геологические изыскания, при которых производят бурение скважин и отбор проб грунтов, после чего в лабораториях определяют несущую способность данных грунтов. На примитивном уровне можно выполнить эту работу и самому - вырыть на месте будущего дома шурф и определить состав грунта на уровне подошвы фундамента. Однако проще всего обратиться в районные отделы архитектуры и землеустройства, где должны знать состав грунтов.

Значительная часть автомобильных дорог РФ подвержена деформациям в результате морозного пучения грунтов. Пучины на дорогах возникают при одновременном сочетании трех факторов:

• наличие пучинистых грунтов;

• интенсивное влагонакопление;

• медленное и глубокое промерзание грунтов под дорожной одеждой (на глубину более 0,5 м).

При отсутствии любого из перечисленных факторов пучины не возникают. Наиболее радикальным способом устранения пучин является замена грунта верхней части земляного полотна слоем толщиной 0,5 - 0,6 м из песков с коэффициентом фильтрации не менее 1 м/сут. Однако песчаные слои со временем заиливаются, в связи с этим необходима укладка противозаиливающих прослоек из геосинтетических материалов. Кроме того, на доставку дренирующего материала потребуются значительные транспортные затраты.

Целесообразнее укрепление или стабилизация пучинистых грунтов вяжущими материалами, реагентами, синтетическими смолами. Ук репленные грунты в зависимости от примененных добавок могут выполнять функции гидроизоляционных, теплоизолирующих или морозозащитных слоев.

В большинстве природно-климатических районов Российской Федерации необходимо предусматривать устройство морозозащитных слоев в качестве обязательного условия эксплуатации дорожных одежд. За рубежом (Канада, Скандинавские государства) конструкция дороги, расположенная в зоне сезонного промерзания, устраивается только из непучинистых грунтов. В России строительство дорог с использованием пучинистых грунтов допускается, если деформация дорожного покрытия от пучин не превышает допустимых значений. Нормами ОДН 218.046-01 допускается определение характеристик морозного пучения косвенным методом – по гранулометрическому составу и некоторым физическим показателям (влажность на границах пластичности и т.п.). Однако практика показывает, что, используя только данные о грануло-метрическом составе, получают грубую оценку пучинистости грунтов. Косвенными методами не учитываются многие факторы, которые влияют на величину морозного пучения. В частности, минеральный состав глинистых фракций может изменить величину морозного пучения в 4-8 раз, а состав обменных катионов – в 4,5 раза [1]. В грунтах, после насыщения различными катионами (одно-, двух- и трехвалентными), миграция воды и пучение при промерзании усиливаются в соответствии с валентностью катионов. В сильно пучинистых грунтах, преимущественно пылеватых, основная масса льда скапливается в верхней зоне земляного полотна. В гидрофобных грунтах не происходит смачивание, и перераспределение воды при промерзании отсутствует лишь в первых циклах замерзания и оттаивания. При повторных циклах отмечается резкое уменьшение льдовыделения. При этом имеет место практически необратимая коагуляция, вследствие которой, например, тяжелая глина часто превращается в супесь [2].

Использование гидрофобизаторов, по мнению некоторых авторов, является одним из наиболее радикальных физико-химических приемов борьбы с пучением. Гидрофобизаторы вызывают максимальное понижение поверхностной энергии минеральных частиц, а также препятствуют миграции воды в зону промерзания, и пучение грунта значительно снижается. Добиться устойчивой гидрофобизации грунтов довольно сложно, так как через некоторое время гидрофильность грунтов восстанавливается. Кроме того, вызывает технологические трудности процесс обработки гидрофобизирующими веществами. Тем не менее, в связи с совершенствованием приемов гидрофобизации грунтов для борьбы с пучением продолжается изучение данных проблем.К числу низкозатратных гидрофобизаторов грунтов относятся техногенные отходы нефтеперерабатывающей промышленности – нефтешламы твердой и вязкой консистенций.

Нефтешламы (нефтяные шламы) — это сложные физико-химические смеси, которые состоят из нефтепродуктов, механических примесей (глины, окислов металлов, песка) и воды. Соотношение составляющих нефтешлам элементов может быть самым различным.

Нефтяные шламы образуются при проведении таких производственных процессов, как переработка, добыча и транспортировка нефти. Данный тип отходов представляет большую опасность для окружающей среды и подлежит захоронению или переработке.

Образовываться нефтешламы могут как в результате естественных контролируемых процессов (например, очистка нефти от примесей и воды), так и от всевозможных аварий (разливов). В последнем случае при позднем обнаружении или масштабной аварии природе может быть нанесён огромный ущерб.

В зависимости от способа образования и, соответственно, физико-химического состава нефтяные шламы подразделяются на несколько групп или видов:

1. Придонные, образующиеся на дне различных водоёмов после произошедшего разлива нефти.

2. Образующиеся при бурении скважин буровыми растворами на углеводородной основе.

3. Образующиеся в процессе добычи нефти, а, точнее, в процессе её очищения. Дело в том, что добытая из скважины нефть содержит многочисленные соли, выпавшие твёрдые углеводороды, механические примеси (в том числе и частицы горных пород).

4. Резервуарные нефтешламы — отходы, которые образуются при хранении и транспортировке нефти в самых разнообразных резервуарах.

5. Грунтовые, являющиеся продуктом соединения почвы и пролившейся на неё нефти (причиной этого может быть как технологический процесс, так и авария). Этот вид нефтешламов (загрязненных почв) относится к отходам только после размещения в накопителях отходов или на полигонах для переработки отходов.

Углеводородный (нефтяной) компонент нефтешламов может быть представлен различными соединениями, которые в результате длительного хранения, под действием природных сил, могут преобразовываться в другие соединения за счет процессов конденсации, полимеризации, изомеризации.

Переработка и утилизация нефтешламов — это важная экологическая и экономическая задача. Исследования свойств грунтов, укрепленных комплексными вяжущими на основе твердых нефтешламов (НШ), показали целесообразность их применения в конструктивных слоях дорожной одежды и земляного полотна. Подобно большинству техногенных отходов производства, нефтешламы, образующиеся при добыче нефти, характеризуются неоднородными составами и свойствами. НШ, находящиеся в отвалахРеспублики Татарстан, содержат асфальтены, смолы, парафины и другие вещества в виде минеральных примесей. Асфальтены и смолы, как известно, положительно влияют на свойства органических вяжущих.

Что касается парафинов, то их присутствие в нефтешламах неоднозначно сказывается на свойствах органоминеральных материалов. Известны публикации об использовании воска и парафиновых компонентов в производстве органических вяжущих для дорожного строительства.

В табл. 1 приведены результаты испытаний грунтовых смесей с жидким парафином при вычете из оптимального содержания жидкой фазы 16%. Получен пластичный материал, характеризующийся хорошей водостойкостью, плотностью, удобообрабатываемостью, а также отсутствием налипания на металлические поверхности пресс-форм и других металлических деталей и узлов. Грунт приобрел свойства, которые позволяют использовать его в качестве водонепроницаемых слоев, устойчивых морозному пучинообразованию. Высокая степень уплотнения обеспечивается за счет кольматации пор парафином. Для увеличения прочности в состав грунтов была введена добавка, содержащая следующие компоненты (масс. ч.):

• негашеная известь – 50;

• парафин твердой консистенции – 50;

• вода – 40.

Таблица 1

Физико-Химические свойства парафиногрунтовой композиции.

Парафин твердой консистенции вызывает известные трудности в технологическом процессе приготовления грунтовых смесей, заключающиеся в подборе температурного режима перемешивания. Была разработана технология приготовления добавки, которая заключается в распределении 50 масс. ч. по дну сосуда с последующей укладкой промежуточного слоя парафина. Оставшуюся часть извести и расчетное количество воды вводят в последнюю очередь и закрывают крышкой. Период наиболее активного процесса гашения извести составляет 3-5 мин. В результате направленного выделения тепла верхним и нижним слоями извести происходит плавление парафина, обволакивание частиц извести и образование порошка гидрофобной извести. В табл. 2, 3 приведены результаты обработки пучинистых грунтов гидрофобной и негашеной известью.

Таблица 2

Физико-механические свойства грунтов, модифицированных гидрофобной известью.

На рис. 1 в графическом виде показана зависимость прочности и водонасыщения образцов смесей от содержания вяжущих (в скобках указана дозировка гидрофобной извести). Следует отметить характер изменения водонасыщения грунтов при одинаковом расходе извести (от 2% до 8%). Добавки парафина способствуют резкому снижению и некоторому увеличению прочности материала, особенно при добавке извести в количестве 2% - 4%. Плотность возрастает вследствие кольматации пор в грунтовых смесях. С увеличением абсолютного содержания из вести плотность грунтовых смесей снижается (табл. 3).

График зависимости свойств стабилизированных грунтов от содержания гидрофобной (1) и негашеной извести (2)

______ - смесь с добавками гидрофобной извести

---------- - смесь с добавками негашенной извести

Таблица 3

Физико-механические свойства грунтов укреплённых негашеной известью

На основе вышеизложенного, следует отметить, что парафиновый компонент гидрофобной извести влияет на такие свойства, как водонасыщение и плотность материала, а приращение плотности в большой степени связано с присутствием извести.

Литература:

1. Шорин В.А., Каган Г.Л. и др. Совершенствование методики определения пучинистых свойств грунтов. Современные научнотехнические проблемы транспортного строительства: Сб. научных трудов Всеросийской научно-технической конференции/ В.А.Шорин, Г.Л. Каган, А.Ю. Вельсовский, Н. Н. Рогозин. – Казань: КГАСУ, 2007. – 246 с.

2. Нерсесова З.А. Морозное пучение грунтов и способы защиты сооружений от его воздействия / З.А. Нерсесова. – М., Транспорт, 1967. – 187 с.

3. Илиополов С.К., Мардиросова И.В. и др. Органические вяжущие для дорожного строительства/ С.К. Илиополов, И.В. Мардиросова, Б.В. Углова, О.К. Безродный // Ростов-на-Дону: изд-во «Юг», 2003. -428 с.