ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГРУНТОБЕТОНА В СТРУЙНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 625.8

А.В. ЧЕРНЯКОВ, канд. техн. наук (e-mailwork@mail.ru), ООО «НПО «Космос» (Москва)

Оценка долговечности грунтобетона в струйной технологии

Технология струйной цементации грунтов (струйная технология) находит все более широкое применение в силу высокой производительности и экономичности, расширяя возможности традиционных технологий устройства подпорных стен, ограждающих и других конструкций. Особенно эффективна струйная технология в условиях плотной городской застройки, где она позволяет сохранить без переноса или дополнительного укрепления разветвленные коммуникации или иные подземные сооружения, расположенные в зоне строительства [1, 2].

Струйная технология предусматривает подачу в грунт водоцементного раствора при одновременном подъеме буровой штанги. Струя водоцементного раствора размывает и перемешивает грунт с цементом и водой. В результате последующего твердения цемента получается грунтобетон, образующий грунтобетонную конструкцию, например сваю.

При оценке свойств грунтобетона, получаемого по струйной технологии, предлагается использовать модель, в которой грунтобетон рассматривается как мелкозернистый (песчаный) бетон, отличающийся использованием грунта в качестве заполнителя и высоким во-досодержанием грунтобетонной смеси.

На основе предложенной модели в статье рассмотрена морозостойкость и коррозионная стойкость грунтобетона, полученного по струйной технологии, как разновидности мелкозернистого цементного бетона.

Высокое водосодержание грунтобетонной смеси, характерное для струйной технологии, позволяет, с одной стороны, пренебречь рассмотрением степени уплотнения смеси, с другой — является причиной высокой открытой капиллярной пористости образующегося цементного камня, что отрицательно влияет на прочность и долговечность грунтобетона.

Использование грунта в качестве заполнителя грунтобетона в струйной технологии предполагает возможное наличие пористых и малопрочных агрегатов зерен грунта, которые содержит естественный связный природный или техногенный грунт в отличие от нормируемых по зерновому и химико-минералогическому составу природных и искусственных заполнителей для бетона. Такие агрегаты частиц грунта содержат капиллярные и воздушные поры, которые наряду с поровой структурой цементного камня следует учитывать при оценке свойств грунтобетона, его прочности и долговечности.

В настоящей работе предлагается влияние агрегатов частиц связного грунта в грунтобетоне (пористого элемента структуры) на его свойства учитывать обобщенно, как объем вовлеченного воздуха в цементобетонной смеси, Vв, с помощью соотношения фактической плотности грунтобетонной смеси, уф, и ее расчетной величины, ур:

Гв = (1-^)100,

Здесь для мелкозернистой бетонной смеси:

ц+п+в

gU^gn^gB gu / gn+Viy gB

щ/ёп ■

где Ц, П, В — расходы цемента, песка (грунта) и воды, кг/м3; gц, gв, gп, кг/м3 — плотность зерен цемента, воды и песка (грунта).

Оценку морозостойкости грунтобетона осуществляли с помощью ускоренного расчетно-эксперименталь-ного метода определения морозостойкости бетона по компенсационному фактору (Фк) по ГОСТ 10060—76 как мелкозернистого цементного бетона.

При этом:

Ув + Ук

Ук = 100х0,12Ц^ц = 12Ц^ц = 0,00387Ц, %; V. = Ш§[(§) - 0,27] = 0,1Ц[(В/Ц) - 0,27], %

соответственно

Уъ + Ук Ул

■ + :

В—0,27Ц ~(В)-0,27ц&

где Ув — объем воздуха или газа в уплотненной бетонной смеси, %; Ук — объем контракционных пор в бетоне, %; Ул — объем замерзающей воды в бетоне, %; Ц, В — расходы цемента и воды, кг/м3.

Соотношение между проектной маркой бетона по морозостойкости и допустимой минимальной величиной компенсационного фактора по ГОСТ 10060—76 представлено в табл. 1, для бетона без воздухово-влекающих или газообразующих добавок, применение которых в грунтобетоне не предусматривается. Здесь марка бетона по морозостойкости и соответствующая величина Ул определены при замораживании при температуре воздуха -20оС в воздушно-сухом состоянии и оттаивании в пресной воде при ее температуре 20оС (по первому базовому методу ГОСТ 10060.0—95).

Физический смысл этих соотношений (формула (3) и табл. 1), состоит в том, что более морозостойкий бетон содержит меньший объем открытых капилляров, в которые может попасть вода при насыщении при атмосферном давлении и перейти в лед при последующем замораживании. Соответственно такой бетон характеризуется меньшим объемом замерзающей (при заданной отрицательной температуре внешней среды) воды в бетоне, меньшей величиной Ул в формуле (3), отличается меньшей «льдистостью». Одновременно более морозостойкий бетон характеризуется большим объемом условно-закрытых пор, которые вода не заполнит или в которых она не замерзнет, большей величиной (Ув+Ук) в формуле (3). Математически это означает, что более морозостойfj научно-технический и производственный журнал

® октябрь 2011 59~

Таблица 1

Марка бетона по морозостойкости, F 50 75 100 150 200 300 400 500

Компенсационный фактор, Фк, не менее, для бетона без добавок 0,35 0,45 0,55 0,7 0,85 1,05 1,2 1,3

Примечание: F - марка бетона по морозостойкости, количество циклов N которое может выдержать бетон при испытании

по ГОСТ 10060.0-95.

Таблица 2

Величины Vк и V,, грунтобетона

Показатель Цк = 0,00387Ц, %, при расходе цемента, кг/м3

В/Ц Ц,, % 350 400 450 500 550

Для любых значений 0 1,35 1,55 1,74 1,94 2,13

Цл = 0,1Ц[(В/Ц)-0,27], %, при расходе цемента, кг/м3

Примечание: величины Цк и Цл грунтобетона определены по формуле (3).

кий бетон отличается большей величиной компенсационного фактора Фк.

Следует отметить, что данный метод дает приблизительную оценку морозостойкости цементного бетона, особенно бетона высоких марок, к которому предъявляют повышенные требования по морозостойкости, в том числе в присутствии солей-антиобледенителей. Данный расчетный метод не отражает влияния на морозостойкость бетона минеральных добавок в цементе или принятой технологии работ и пр. Соответственно он не вошел в последующие редакции ГОСТ 10060 как приемочный или выбраковочный метод контроля морозостойкости бетона. Тем не менее метод определения морозостойкости бетона по компенсационному фактору может быть полезен для предварительного анализа и прогноза морозостойкости грунтобетона как цементного бетона относительно низкой прочности и плотности, испытываемых на морозостойкость в пресной воде.

Таким образом, в данной работе оценивали морозостойкость грунтобетона в связи с его пористостью по компенсационному фактору по ГОСТ 10060—76, рассматривая грунтобетон как разновидность песчаного бетона. При этом влияние на морозостойкость грунтобетона агрегатов зерен связного грунта (глинистого и пр.) учитывали с помощью обобщенной оценки их пористости по формулам (1) и (3), не принимая в расчет возможную гидравлическую активность породообразующих грунт минералов, проявляемую для монолитного грунтобетона на поздних сроках твердения.

Рис. 1 иллюстрируют данные табл. 1. С высокой степенью достоверности (здесь R2—величина достоверности аппроксимации) получено соответствующее уравнение регрессии:

F = 287,66хФк1,7155. (4)

С учетом этих допущений можно оценить величину компенсационного фактора Фк для грунтобетона. Для этого следует определить расход цемента Ц, задаться значениями В/Ц, оценить величину Ув грунтобетонной смеси по формуле (1), в том числе в предположении различной полезности обобщенных воздушных пор, образуемых агрегатами грунта в грунтобетоне, для повышения его морозостойкости.

В практике устройства грунтобетонных сооружений методом струйной технологии расход цемента в грунтобетоне составляет обычно 300—450 кг/п. м скважины. При среднем диаметре получаемой сваи 1 м один погонный метр скважины содержит 0,785 м3 грунтобетона. Соответственно расход цемента в грунтобетоне в расчете на 1 м3, как принято в технологии бетона, составляет около 385—575 кг/м3.

научно-технический и производственный журнал

октябрь 2011

Компенсационный фактор, Фк

Рис.1. Взаимосвязь между маркой бетона по морозостойкости F и компенсационным фактором Фк

В струйной технологии в основном используют во-доцементный раствор с (В/Ц)*=0,7—1. Для предварительной оценки принимали, что величина В/Ц грунто-бетонной смеси равна (В/Ц)* подаваемого в грунт водо-цементного раствора без учета фактической влажности грунта в конкретных условиях строительства.

Для оценки морозостойкости грунтобетона в струйной технологии по компенсационному фактору были приняты следующие расходы цемента, кг/м3: 350, 400, 450, 500 и 550. Значения В/Ц: 0,7, 0,8, 0,9 и 1. Значения Ув по формуле (1) приняты 0, 2, 5 и 10%.

В расчете Фк по формуле (3) учли влияние Ув на получаемые расчетом начальные расходы цемента и воды в грунтобетоне по струйной технологии.

Для цементобетонной смеси при Ув ^ 0 за счет появления воздушных пор ее объем будет составлять не 1 м3, как было рассчитано для начального состава бетона, а увеличится на величину Ув. В струйной технологии нет возможности отдельно дозировать и изменять расход заполнителя (грунта) в грунтобетоне в соответствии с изменением величины Ув, как предусмотрено при подборе состава цементного бетона с вовлеченным воздухом по ГОСТ 27006—86. Соответственно в струйной технологии начальные расходы материалов в расчете на 1 м3 грунтобетонной смеси, рассчитанные на использование несвязных грунтов без агрегатов зерен грунта, должны быть уменьшены пропорционально увеличению объема грунтобетонной смеси, связанного с появлением агрегатов зерен грунта, занимающих больший объем аналогично увеличению Ув бетонной смеси. В этом случае начальные расходы материалов должны быть уменьшены в (1+0,01 Ув) раз, а также пропорционально уменьшены расчетные величины, входящие в формулу (3).

Если предположить, что обобщенные поры в грунто-бетонной смеси по формуле (1), связанные с наличием агрегатов зерен грунта, представляют собой поры, полезные для повышения морозостойкости грунтобетона, как воздушные в цементобетоне, то величину Ув следует прибавить к величине контракционных пор грунтобетона Ук, что и предусмотрено формулой (3) в виде Укэкв1=Ув+ Ук. При этом варианте пористости грунтобетона (№ 1) величина капиллярных пор не изменится, Улэкв1=Ул. Для цементного бетона такие условно-закрытые поры, не насыщаемые водой при атмосферном давлении, — это мелкие, равномерно распределенные воздушные поры диаметром до 300 мкм общим объемом 4-8% [3, 4].

Вероятно, характер воздушной пористости в агрегатах грунта в грунтобетоне по струйной технологии (объем и распределение пор по размерам) может не соответствовать вышеуказанным ее оптимальным параметрам

для повышения морозостойкости цементного бетона. В этом случае (вариант пористости № 2) величина Ув, возможно, увеличивает капиллярную, а не замкнутую пористость в формуле (3). То есть если все воздушные поры по формуле (1) рассматривать как капиллярные, проницаемые для воды, то Улэкв2= Ул+ Ув. Соответственно при Ув=2% и Ув=5% дополнительно к величинам Ул (по табл. 2, 3) следует прибавить 2% и 5%. При этом величина контракционной пористости грунтобетона не измеНИТС^ Укэкв2=Ук.

Возможно, только часть воздушных пор в агрегатах грунта в грунтобетоне по струйной технологии представляет собой капиллярные поры. В этом случае (вариант пористости № 3) только эту часть Ув следует прибавить к Ул, а оставшуюся — к Ук. В работе приняли допущение, что одна половина всех воздушных пор проницаема для воды, а другая непроницаема и полезна для морозостойкости грунтобетона, т. е. Улэкв3= Ул+0,5Ув; Укэкв3= Ук+0,5 Ув. Для этого случая рассмотрены величины Ув=5% и Ув=10%.

В табл. 3 представлены результаты расчета соответствующих значений компенсационного фактора грунтобетона, Фк, и его морозостойкости по формуле (4) для принятых величин Ц, В/Ц и Ув.

Рис. 2, 3 иллюстрируют влияние В/Ц и расхода цемента на морозостойкость грунтобетона в зависимости от содержания обобщенных воздушных пор в предположении их полезности для морозостойкости (вариант пористости № 1), когда Укэкв1=Ув+Ук.

Полученные данные показывают, что согласно принятой модели морозостойкости по компенсационному фактору увеличение расхода цемента в грунтобетоне, как и в цементобетоне, может быть полезно только при сопутствующем снижении В/Ц. В противном случае с ростом расхода цемента увеличивается доля цементного камня в грунтобетоне — пористого элемента структуры, растет открытая капиллярная пористость и величина замораживаемой в грунтобетоне воды, величина Ул (по формуле 3), и морозостойкость грунтобетона падает.

Морозостойкость грунтобетона (табл. 3, рис. 2, 3) существенно изменяется в зависимости от объема обобщенных воздушных пор в грунтобетонной смеси, определенного по формуле (1), а также от их природы, т. е. от того, связаны ли они с полезными для морозостойкости грунтобетона порами агрегатов связного грунта или с открытыми капиллярами в них. При этом, как в обычном цементном бетоне, влияние воздушных (условно-закрытых, полезных) пор на морозостойкость грунтобетона более значимо, чем открытых капиллярных.

Расчетные данные однозначно свидетельствуют, что грунтобетон из-за высокой открытой пористости, образованной капиллярами и крупными воздушными порами агрегатов связного грунта, может характеризоваться низкой морозостойкостью (рассмотренные варианты пористости грунтобетона № 2 и № 3 по табл. 3).

Этот вывод подтвердили многочисленные испытания на морозостойкость грунтобетона, полученного по струйной технологии. НПО «Космос» выполнены испытания отформованных лабораторных образцов и образцов-кернов, выбуренных или выпиленных из конструкций, которые показали, что грунтобетон, полученный при использовании струйной технологии, характеризуется относительно низкой морозостойкостью, не превышающей 10 циклов. Грунтобетон по струйной технологии обычно соответствует маркам F5—F10 по первому базовому методу испытания бетона на морозостойкость Г0СТ10060.0—95.

Фактическая низкая морозостойкость грунтобетона в струйной технологии косвенно свидетельствует, что воздушные поры в агрегатах частиц связного грунта, по сути, ведут себя как капилляры и при эксплуатации под

Г; научно-технический и производственный журнал

^ ® октябрь 2011 6?

Таблица 3

Расчетные значения компенсационного фактора и морозостойкости грунтобетона

^кзкв, % VB, % В/Ц Фк/N при начальном расходе цемента, кг/м3

Улэкв=Уп 1 0,13/9 0,12/8 0,12/8 0,1/6 0,1/6

^кзкв1=^к 5 0,7 0,44/70 0,4/60 0,36/50 0,33/43 0,31/39

Улэкв2=^+Ув 1 0,05/2 0,05/2 0,05/2 0,05/2 0,05/2

^кэкв2=^к 5 0,7 0,07/3 0,07/3 0,07/3 0,07/3 0,07/3

^экв3=^л+0,5Ув 1 0,14/10 0,13/9 0,12/8 0,12/8 0,11/7

^ОквЭ= Ук+0,5Ув 10 0,7 0,33/43 0,31/39 0,29/34 0,28/32 0,26/29

Примечание: величины и определены по формуле (3) в табл. 2.

воздействием природно-климатических факторов насыщаются водой. То есть величину Ув по формуле (1) в грунтобетонной смеси с точки зрения влияния на морозостойкость грунтобетона нельзя считать образованной воздушными условно-закрытыми порами в формуле (3).

В струйной технологии из-за ее особенностей верхняя часть создаваемой конструкции, например грунто-бетонной сваи, обычно не доходит до поверхности на 1,5—3 м (в зависимости от конкретных условий строительства), и вследствие этого основная часть сваи находится вне зоны промерзания грунта. Тем не менее для струйной технологии проблема морозостойкости получаемого грунтобетона актуальна для верхней, замораживаемой части конструктивного элемента, в том числе где промерзание может происходить из-за высокой теплопроводности вышележащих бетонных и железобетонных конструкций.

Низкую морозостойкость грунтобетона следует учитывать при эксплуатации конструкций и сооружений, устраиваемых по струйной технологии. В частности, следует организовывать отвод воды от верхней части конструкций, осуществлять мониторинг их состояния и выполнять другие мероприятия по обслуживанию сооружений.

Грунтобетон в сооружениях, устроенных по струйной технологии, в процессе эксплуатации может подвергаться агрессивному воздействию грунтовых вод. Грунтовые воды обычно могут содержать сульфаты и хлориды кальция, натрия и магния, а также аммониевые соединения, соли углекислоты и едкие щелочи, ионы Са2+, Mg2+, №+, К+, SO42-, С1-, NH4-, НС03-, ОН- [5]. В результате обменных реакций указанных солей с гид-роксидом кальция Са(ОН)2, образующимся в порах цементного камня при гидратации цемента, происходит

научно-технический и производственный журнал

октябрь 2011

§ з100

N4 = -405В/Ц + 478,5 R2 = 0,9639

♦ Ряд 1 □ Ряд 2 А Ряд 3 х Ряд 4

Линейный (Ряд 4) Линейный (Ряд 3) Линейный (Ряд 2) Линейный (Ряд 1)

N2 = -40В/Ц + 48 R2 = 0,9524

N1 = -10В/Ц + 11,5 R2 = 0,8333

N3 = -0,486Ц + 366,3 R2 = 0,9691

N2 = -0,232Ц + 151,8 " R2 = 0,9644

« Ряд 1 ■ Ряд 2 д Ряд 3

-Линейный (Ряд 3)

-Линейный (Ряд 2)

-Линейный (Ряд 1)

N1 = -0,03Ц + 31,7

R2 = 0,9868

Рис. 2. Зависимость морозостойкости грунтобетона от В/Ц. Начальный расход цемента 350 кг/м3: 1 - Ц,=0; 2 - Ув=2%; 3 - Ц,=5%; 4 - Ц,=10%

коррозия 1-го вида, выщелачивание. При этом растворимые продукты реакции вымываются из пор грунтобетона, особенно в условиях переменного увлажнения и высушивания или постоянного подпора воды. Это может привести к локальному поверхностному разрушению или к общему снижению прочности грунтобетона [6].

Оценка коррозионной стойкости грунтобетона была выполнена в НИИЖБ в сотрудничестве с НПО «Космос» [7]. Образцы грунтобетона были выбурены (выпилены) по ГОСТ 28570—90 из ограждающей конструкции котлована, устроенной подразделением НПО «Космос» по струйной технологии в г. Перми.

Для производства работ был принят начальный состав грунтобетона Ц:Г:В=1:2,86:1 (для сухого грунта и полностью уплотненной грунтобетонной смеси). На разной глубине грунт представлял собой суглинки и глину. В грунтобетоне была использована многофункциональная добавка КДСЦ, разработанная НПО «Космос» (1% массы цемента). Грунтобетон по результатам испытания образцов-кернов характеризовался прочностью при сжатии 0,5—1 МПа (проектное требование к прочности грунтобетона на данном объекте 0,5 МПа).

Коррозионную стойкость грунтобетона данного состава в работе оценивали с помощью испытания в периодически сменяемой дистиллированной воде. Определяли скорость вымывания Са(ОН)2 из образцов грунтобетона с помощью методов аналитической химии [6]. Было подтверждено, что скорость растворения СаО, содержащегося в образцах грунтобетона, пропорциональна величине г0&5, что характерно для определяемых диффузией химических процессов в гетерогенных средах (1 — время).

Результаты испытаний показали, что грунтобетон характеризуется меньшей в 3—4 раза коррозионной стойкостью, чем мелкозернистый бетон более высоких классов по прочности, В15—В22,5, взятый для сравнения.

Экстраполируя полученную экспериментально зависимость скорости выщелачивания грунтобетона в дистиллированной воде от времени, был выполнен прогноз разрушения грунтобетона в течение 50 лет: глубина разрушения составила 13 мм (при аналогичном разрушении мелкозернистого бетона 3,5 мм).

Низкую коррозионную стойкость грунтобетона также можно объяснить высокой открытой капиллярной пористостью, образованной порами цементного камня и агрегатов зерен глинистого грунта в грунтобетоне.

Высокое фактическое водопоглощение образцов грунтобетона, определенное экспериментально по ГОСТ 12730.0-4.78, Жв=25,05% по массе, подтверждает

Начальный расход цемента, кг/м3

Рис. 3. Зависимость морозостойкости грунтобетона от начального расхода цемента. В/Ц=0,7: 1 - Ув=2%; 2 - VB=5%; 3 - VB=10%

этот вывод, а также результаты расчета открытой капиллярной пористости грунтобетона Ул по формуле (3), представленные в табл. 2 (для вариантов пористости № 2 и 3).

Представленная прогнозная оценка глубины разрушения грунтобетонных конструкций в условиях коррозии 1-го вида (выщелачивания), обычно массивных, составляет всего несколько процентов проектных размеров и не представляет реальной угрозы их функционированию . Тем не менее, учитывая низкую стойкость грунтобетона к коррозии, при проектировании грунтобетонных конструкций и сооружений необходимо учитывать условия их эксплуатации, наличие агрессивных грунтовых вод.

Основные выводы.

Список литературы

fj научно-технический и производственный журнал

® октябрь 2011 63~