Примеры применения пенорастворов на основе минеральных вяжущих в подземном строительстве и горном деле

Примеры применения пенорастворов на основе минеральных вяжущих в подземном строительстве и горном деле

Пенорастворы на основе минеральных вяжущих для целей инъекции были впервые разработаны и применены в большом объеме фирмой "Солетанж" (Франция) на строительстве рудника Мей-Сюр-Урн, который предполагалось использовать в качестве подземного хранилища. Кроме изоляции выработок, необходимо было укрепить и заполнить обрушенные рудные камеры. Условия проведения работ - минимальное количество рабочих и оборудования, транспортирование растворов с поверхности (h = 300 м), предел прочности на сжатие раствора 3 кгс/см2. Был применен, в основном, цементно-силикатный раствор со вспенивающей добавкой "Типол", который имел повышенную жесткость и кратность вспенивания равную 2. Раствор проник в породу на 3 м (глубину,ограниченную требованиями). Расход раствора составил 123 160 м3.

Эта же фирма использовала пенорастворы для заполнения пустот и трещин в других областях строительства, а именно:

• вспененные цементные растворы использовались для заполнения пустот в известковых туфах под городской площадью (г. Сомюр);
• для подведения основания под строительство медицинского центра (г. Париж) в связи с наличием декомпрессионных зон и значительных пустот встречающихся в гипсовых грунтах, чтобы избежать излишних потерь бентонита и бетона при устройстве стен и свай;
• при строительстве плотины на подземной реке Пор-Миу (г. Марсель) для создания водохранилища пресной воды. Сооружение было погружено в воду на глубину 10 м и в связи с тем, что подход к месту строительства был неудобным, растворы плотностью 1,2+1,3 г/см2 готовились на поверхности, транспортировались по трубопроводам и нагнетались внутри опалубки, образующей форму плотины.

Фирмой "Баши" разработан быстротвердеющий раствор из смеси цемента и золы или песка с 5-10% силиката. Прочность материала после 28 суток твердения составляет около 50 кг/см2 Интересен опыт использования раствора фирмы "Баши" при заполнении пустот под железной дорогой в районе вокзала Сент-Максимен. В основании эксплуатируемой дороги на глубине 5-6 м оказались большие искусственные выработки. Попытки заложить полости каменным материалом полностью не удались и дорога продолжала проседать. Фирме "Баши" предложила сделать инъекцию через скважины быстротвердеющего раствора и создать опоры в виде конусообразных столбов, на которые затем опереть железнодорожное полотно. Для этого вдоль дороги с интервалом 4 м были пробурены скважины (всего 1100 шт.), через которые нагнетали раствор. Благодаря быстрой схватываемости он не растекался и образовывал прочные несущие столбы.

В Англии с 60-х годов фирмой "Аэроцем" использовались пенорастворы на основе минеральных вяжущих - цемент (известь или специально аэрированный гипс) + песок + вода + вспенивающая добавка "Типол" для инъектирования, создания наружных водонепроницаемых покрытий, заделки стыков и швов ж.б. элементов, создания декоративных и огнестойких покрытий.

В больших масштабах работы по заделке стыков и швов ж.б. элементов проводились в Севернском, Чарринг Содбери, Саупертонском и др. тоннелях Западных железных дорог, в результате работ было отремонтировано более 500 000 м обделок.

Пенорастворы на основе цемента используются английской фирмой " Protective-Materials ". Для приготовления вспененных растворов используется специальный цемент «Impakt» с добавкой тонкомолотой алюминиевой пудры, через 15 минут после смешивания с водой начинает выделяться водород, вспенивающий систему, процесс продолжается 2 часа и приводит к увеличению объема на 4%, что способствует более полному заполнению пустот в грунте .

В Японии специалисты фирмы "Тони Боринг К° ЛТД" применяют пеноцементные растворы цемент+песок+бентонит или зольная пыль+ вода+ПАВ+алюминиевая пудра) для тампонирования пустот. Из воздухововлекающих добавок широкое применение нашла добавка "Позолис", повышающая пластичность, морозостойкость и снижающая водопроницаемость раствора, а также способствующая устойчивому вовлечению воздуха.

Фирма "Кокен Боринг К° ЛТД" успешно используют пеноцементные растворы (цемент+песок+бентонит или зольная пыль+вода+ПАВ) для укрепления грунтов за обделкой тоннеля и щитовых сегментов, а также для препактбетонных работ (сооружение бетонных конструкций путем нагнетания цементного раствора в зазоры в грубом наполнителе, которым предварительно заполняется опалубка).

Для выполнения работ фирма применяет смесительные установки серии КМР, снабженные специальной воздухововлекающей лопастью и гидравлические насосы. Насосы обеспечивают высокую эффективность при нагнетании вспененных цементных растворов, имеют производительность от 0 до 470 л/мин, при давлении нагнетания от 0 до 5 МПа.

Цементный раствор с пеносиликатом или жидким стеклом нагнетался за обделку однопутного перегонного тоннеля на строительстве участка метрополитена в г.Осака. Проходка осуществлялась двумя механизированными щитами 6,93 м с грунтовой пригрузкой забоя, специально оборудованными для синхронного нагнетания раствора за обделку по мере перемещения щита через пять трубок, расположенных снаружи хвостовой оболочки щита в его замковой части и оснащенных системами промывки или прочистки поршнем.

В СССР пенорастворы на основе минеральных вяжущих начали разрабатываться и исследоваться с 1963 г. в ЦНИИСе, ЛИИЖТе при участии Главтоннельметростроя с целью заполнения швов и нанесения растворов за ж.б. обделку. Были проведены работы по освоению оборудования фирмы "Аэроцем" (Англия) и способа приготовления вспененного раствора с использованием добавки «Типол», а также изыскания отечественной добавки, заменяющей «Типол». Были разработаны составы пенорастворов с отечественными ПАВ и добавками, изготовлены смесители и пневмонагнетатели и проведены опытные работы по гидроизоляции швов обделки.

Быстросхватывающийся пенораствор (цемент+песок+ПАВ+вода) был разработан: ЛИИЖТом и применен в качестве жесткой торкретной гидроизоляции конструкций трех шахт Ленметростроя без предварительного осушения их ж.б. обделки. В неблагоприятных гидрогеологических условиях при давлении воды в нижней части шахтных сооружений до 5 ати, вызвавших активные течи через швы и стенки ж.б. тюбингов, удалось устранить имеющиеся течи, В качестве пенообразующего вещества использован "Типол" (Англия), "Прогресс" сульфонол НП-1.

Опытные работы по укреплению откосов выемок из скально-выветривающихся пластов были проведены Тбилтоннельстроем на одном из участков Северо-Кавказской ж.д. В работе использовались цементно-песчаные растворы с добавкой "Прогресса" .

В 1977 г. Бамтоннельстроем совместно с ЦНИИС были проведены работы по защите от выветривания и разрушения аэрированными цементно-песчаными растворами откосов припортальной скальной выемки у подхода к северному порталу Нагорного тоннеля (по металлической сетке, навешенной на несущие анкеры). Откосы на площади 500 м2 были укреплены аэрированным цементно-песчаным раствором, при этом наряду с уменьшением стоимости работ снизилась и их подолжительность.

В последние годы разработкой пенорастворов и применением их в строительстве занимался НИИ оснований и подземных сооружений. На основе минеральных вяжущих (цемент, песок, зола-уноса, глина, силикат) был разработан ряд рецептур пенорастворов, некоторые из них были использованы для уплотнения закарстованных пород.

Вспененные тампонажные растворы использовались "Гидроспецстрой" в 1979 г. на строительстве Русаковской автострады в Москве. Грунты на участке строительства эстакады представлены известняками, которые подвержены карстово-суффозионным процессам. Поэтому был разработан проект уплотнения десятиметровой толщи их инъекцией тампонажных растворов с целью повышения несущей способности. Согласно проекту уплотнение закарстованной зоны известняков осуществлялось путем инъекции цементного раствора через систему скважин на глубину до 25 м. Плотность раствора составляла 1,3-1,75 т/кг3. Проектный расход цемента на 1 м3 раствора составлял от 450 до 1100 кг.

После проведения цементации в основании ряда опор эстакады было установлено, что фактический расход тампонажного раствора в несколько раз превышает проектную норму, т.е. наблюдался большой перерасход цемента. Поэтому было решено применить цементно-зольный раствор.

Тем не менее, фактический расход тампонажного раствора значительно превысил проектный. Так, при уплотнении грунтов в основании ряда опор было израсходовано в среднем по 1000-1200 т цемента на каждую опору, что в 2-2,5 раза превышает проектную норму. Значительный перерасход цемента вызван распространением раствора за пределы планируемого участка. С использованием цементно-зольных растворов расход цемента несколько сократился, но остался все же значительным.

С целью сокращения расхода цемента в опытном порядке были опробованы вспененные цементные растворы, которые закачали в 10 скважин.

На опытных работах применяли цементный раствор с В/Ц = 0,6, вспененный до- плотности 1,1 т/м3.

Как показал опыт, при инъекции вспененного раствора наблюдался непрерывный рост давления во времени, В 10 скважинах было закачено около 100м3 раствора. По сравнению со скважинами, где инъекция производилась обычным цементным раствором с В/Ц = 0,6 расход вспененных растворов сократился в среднем в 2-3 раза.

НИИ оснований разработана также технология подводного устройства днищ подземных сооружений с применением пенорастворов. Вспененные путем перемешивания с технической пеной растворы не расслаиваются и не размываются водой при свободном падении, подача в зону подводного бетонирования растворов происходит по трубам, при этом не требуется обязательного заглубления раствороподающей магистрали в ранее уложенный слой раствора.