СПОСОБ ЦЕМЕНТАЦИИ СЛАБЫХ ГРУНТОВ Российский патент 1997 года по МПК E02D3/12 

Изобретение относится к строительному производству и может быть использовано для укрепления и цементации слабых грунтов при укреплении фундаментов, свай, строительных площадок, гидротехнических сооружений и др.

Известно, что для закрепления слабых грунтов применяются цементные и цементно-глинистые растворы, повышение подвижности которых можно регулировать нормами воды (при соотношении твердая дисперсная фаза: вода 1:1 1:10). Цементно-глинистые растворы содержат высокодисперсную глину 50-100% от веса цемента (Лалетин Н.В. Основания и фундаменты. Изд. 2, доп. и перераб. М. Высшая школа, 1970. С. 209-210).

Повышение подвижности цементных растворов можно регулировать, используя поверхностно-активные вещества. Известна сырьевая смесь, увеличивающая подвижность бетонной смеси и повышение прочности строительного материала (авт. св. N 1557122, C04B20/10, 1990 г.), в которой в качестве пластифицирующего вещества предлагается использовать продукты метаболизма при микробиологическом синтезе бактерий группы Bacillus mucilaginosus, содержащие поверхностно-активные вещества экзоглинаны и др.

В известном составе песчаный наполнитель предварительно пластифицируют путем обработки песка суспензией микроорганизмов Bacillus mucilaginosus в углеводной питательной среде с содержанием мелассы 0,5-2,0 мас. на сухое вещество при концентрации микроорганизмов 10⁵-10⁹ клеток/мл и выдержки этой смеси в течение 1-4 сут при температуре 15-45^oC с расходом суспензии 0,2-0,4 м³ на 1 т заполнителя с последующей сушкой этой массы при температуре 100-105^oC.

Недостатками известных способов являются:
затрудненное распространение цементирующей массы в поровом объеме грунта при стандартных значениях водно-цементного числа и в связи с этим необходимость повышения нормы воды для увеличения подвижности цементного раствора;
предварительное пластифицирование песчаного наполнителя требует значительных энергетических затрат на удаление большой массы воды из влажного наполнителя; глубокое высушивание наполнителя, обработанного по существующему способу, снижает реагентные свойства продуктов микробиологического синтеза за счет адсорбирования частицами наполнителя активной части поверхностно-активных веществ, находящихся в жидкой фазе, что исключает дополнительную пластифицирующую обработку других компонентов бетонных растворов и снижает активное их взаимодействие.

Задачей изобретения является повышение прочности цементируемых слабых грунтов за счет улучшения распределения цементного раствора в поровом пространстве слабого грунта с меньшими временными затратами и пониженной материалоемкостью.

Поставленная задача достигается тем, что в способе цементации слабых грунтов, включающем введение в грунт водной суспензии цемента в соотношении цемент: вода 1: 1 1:10 с тонкодисперсным минеральным компонентом, согласно изобретению, в качестве тонкодисперсного минерального компонента используют пресноводный озерный ил, предварительно микробиологически активизированный водной суспензией штамма микроорганизмов Bacillus mucilaginosus, мас.

Пресноводный озерный ил 20-30
Водная суспензия штамма микроорганизмов Bacillus mucilaginosus с содержанием 10⁵-10⁶ клеток/мл 5-7
Вода Остальное
При этом в укрепляемый грунт предварительно вводят водный раствор активизированного пресноводного ила с последующим введением туда же цементной суспензии, причем количество вводимой в грунт водной суспензии активизированного пресноводного озерного ила составляет 8-12% от водной цементной суспензии.

Целесообразно активизацию пресноводного озерного ила проводить в течение 24-30 ч при температуре 25-40^o и медленном перемешивании.

Предварительное введение тонкодисперсного микробиологически активизированного пресноводного озерного ила приводит к созданию адсорбированного пластифицированного слоя на поверхности каркаса активного порового объема грунта. Это обстоятельство способствует равномерному распределению цементирующего материала по пластифицированной поверхности и полному заполнению им активного порового пространства при селективной (раздельной) закачке цементного раствора в грунт. Кроме того, обогащение граничного слоя цементного раствора поверхностно-активными веществами микробного метаболизма обеспечивает дополнительное активное его взаимодействие с частицами каркаса грунта, повышая его прочность.

Если количество озерного ила при его активизации составляет менее 20% то из-за нехватки в иловой суспензии питательных веществ замедляется развитие микроорганизмов. При повышенном количестве ила в иловой суспензии (более 30% ) снижается доступность прямого воздействия микроорганизмов на частицы ила.

При количестве в водной иловой суспензии менее 5% штамма микроорганизмов Bacillus mucilagisus с содержанием 10⁵-10⁶ клеток/ил, недостаточно стартовой нормы микроорганизмов для усвоения питательных веществ, в связи с этим снижается микробиологическая активизация иловых частиц. С другой стороны при введении штамма более 7% происходит излишнее накопление количества органической биомассы микроорганизмов.

При предварительном введении в грунт водного раствора активизированного пресноводного озерного ила менее 8% не обеспечивается формирование равномерного пластифицирующего слоя на поверхности каркаса грунта. А при введении в грунт более 12% иловой суспензии создаются излишние мощные скопления продуктов микробиологического метаболизма и активизированных частиц ила в зонах капиллярных пор.

Для данных микроорганизмов оптимальная зона температур составляет 25-40^oC.

Время обработки ила микроорганизмами меньше 24 ч недостаточно для завершения полного цикла развития микробной популяции, и при обработке более 30 ч происходит излишнее продуцирование органического вещества микробиологической массы.

Лучший вариант осуществления способа. Водная суспензия микробиологически активизированного пресноводного озерного ила получалась в термостатном шнековом смесителе, в который помещали ил с естественной влажностью и зольностью более 85% не подвергавшийся промораживанию, а также воду из расчета получения 20-30 мас. твердой фазы в суспензии. В процессе перемешивания суспензии, имеющей температуру 25-40^oC, вносили 5-7 мас. водной суспензии микроорганизмов Bacillus mucilaginosus (штамм ВКСВ-146 2Д) с содержанием бактерий 10⁵-10⁶ клеток/мл, полученных на известных питательных средах. Суспензия ила и микроорганизмов медленно перемешивалась при температуре 25-40^oC в течение 24-30 ч. Результаты опытов представлены в табл.1.

В результате микробиологической активизации пресноводного озерного ила происходит формирование в его суспензии пространственной структуры за счет формирования накопления поверхностно-активных веществ продуктов метаболизма Bacillus mucilaginosus (табл. 1). Прочность структуры X" увеличивается в 1,3-1,7 раза (вар. 1 и 2) по сравнению с неактивизированным илом (вар. 3). Это находит отражение и в увеличении пластичных свойств в 2-2,8 раза (табл. 1), а также статической вязкости в 1,3-1,7 раза (табл.1). А в динамических условиях вязкость значительно снижается в 1,6-1,8 раза, то есть увеличивается течение активизированного ила.

Формирование структуры в микробиологической активизированной суспензии пресноводного озерного ила без добавления мелассы (вар. 1) и с добавлением мелассы (вар. 2) связано с разной степенью воздействия микроорганизмов на твердую фазу ила. В первом варианте опытов наблюдалось подщелачивание среды суспензии ила pH=6,2-6,3, что объясняет активным выщелачиванием компонентов твердой фазы ила при прямом воздействии на нее микроорганизмов, а во втором варианте опытов отмечались подкисление среды суспензии ила pH=5,8-5,7, что связано с синтезом кислых групп веществ метаболизма микроорганизмов, которые использовали для питания и синтеза легкодоступные углеводы мелассы и при этом слабо воздействовали непосредственно на твердую фазу ила. В контрольном опыте неактивизированной иловой суспензией pH=6,0. В связи с отмеченными фактами следует признать нецелесообразность дополнительного внесения углеводного вещества (мелассы) для микробиологической активизации озерного ила.

Пластифицирующее и упрочняющее действие микробиологически активизированной суспензии ила определялось на грунтах опытной площадки, сложенных песком средней крупности (содержание фракций с диаметром частиц d 1-0,5 мм; d 0,5-0,25 мм; d 0,25-0,01 мм; d 0,1-0,05 мм, соответственно - 3; 60; 32; 5%) и плотностью ρ_v 1600 кг/м³.

Раздельное внесение микробиологически активизированной иловой суспензии и стандартного цементного раствора в слабый грунт осуществляли известным способом инъектирования.

Опыты проведены по следующим вариантам:
1. Контрольный вариант: в пробуренную скважину на глубину один метр вводился инъектор и через него закачивался цементный раствор, полученный путем смешивания цемента Пекулевский М-400 с водой при водоцементном отношением 0,4, объемом 10 дм³ при постоянном давлении компрессора 79 кПа.

2. Вариант по предлагаемому способу цементации слабых грунтов: в пробуренную скважину на глубину один метр вводился инъектор, через который в грунт сначала закачивалась при давлении компрессора 79 кПа десятипроцентная активизированная иловая суспензия, объем которой составлял 10% от объема цементного раствора, а затем при том же давлении компрессора закачивалось 9 дм³ цементного раствора с водоцементным отношением 0,4.

Пластифицирующее действие оценивалось по расходу цементного раствора, нагнетаемого в грунт пневмоустановкой. Прочность на сжатие цементно-песчаного камня, образовавшегося в грунте, определялась методом одноосного сжатия на образцах кернов диаметром 4 см и высотой 6 см, извлеченных через 28 дней и 90 дней из зацементированного слоя грунта. Результаты представлены в табл. 2.

Из данных табл.2 следует, что предварительно пластифицированный слой каркаса грунта способствует повышению скорости течения стандартного цементного раствора, а в процессе твердения приводит к повышению прочности цементного грунта.

Предлагаемый способ может найти широкое применение при цементации слабых грунтов в строительных работах, на буровых скважинах и т.д. Он не требует сложного оборудования, прост в осуществлении и имеет по сравнению с существующими пониженную материалоемкость при достаточно высоких технических характеристиках. Кроме того, данный способ может быть осуществлен на существующем оборудовании.

Использование: строительное производство, а именно цементация слабых грунтов при укреплении фундаментов, свай, строительных площадок и др. Сущность изобретения: в способе, включающем введение в грунт водной суспензии цемента в соотношении цемент: вода от 1:1 до 1:10 с тонкодисперсным минеральным компонентом, в качестве последнего используют пресноводный озерный ил, предварительно микробиологически активизированный водной суспензией штамма микроорганизмов Bacillus mucilaginosus в мас.%: пресноводный озерный ил - 20-30, водная суспензия штамма микроорганизмов с содержанием 10⁵-10⁶ клеток/мл - 5-7, вода - остальное. Активизацию проводят в течение 24-30 ч при 25-40^oC при медленном перемешивании. При укреплении грунта предварительно вводят водный раствор активизированного озерного ила с последующим введением туда же цементной суспензии. При этом количество вводимой в грунт водной суспензии активизированного ила составляет 8-12% от водной цементной суспензии. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ цементации слабых грунтов, включающий введение в грунт водной суспензии цемента в соотношении цемент вода, равном 1 1 1 10, с тонкодисперсным минеральным компонентом, отличающийся тем, что в качестве тонкодисперсного минерального компонента используют пресноводный озерный ил, предварительно микробиологически активизированный водной суспензией штамма микроорганизмов, мас.

Пресноводный озерный ил 20 30
Водная суспензия штамма микроорганизмов Bacillus mucilaginosus с содержанием клеток 10⁵ 10⁶ клеток/мл 5 7
Вода Остальное
при этом в укрепляемый грунт предварительно вводят водный раствор активизированного пресноводного ила с последующим введением туда же цементной суспензии, причем количество вводимой в грунт водной суспензии активизированного пресноводного озерного ила составляет 8 12% от водной цементной суспензии.