СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЦЕМЕНТОГРУНТА Российский патент 2007 года по МПК G01N33/24 

Изобретение относится к области строительства, в частности к способам контроля качества цементогрунта, может быть использовано при контроле качества оснований и устройстве фундаментов из цементогрунта в промышленном и гражданском строительстве и направлено на снижение стоимости работ, сокращение сроков их выполнения, расширение диапазона и повышение качества исследования характеристик.

Известны способы контроля качества при закреплении грунтов инъекционными способами (силикатизация, смолизация, цементация), включающие проходку горных выработок (шурфов, скважин), отбор проб ненарушенной структуры из массивов закрепленных грунтов, лабораторное определение их характеристик, а также статическое или динамическое зондирование и обследование массивов геофизическими методами с последующим сравнением полученных характеристик с проектными параметрами (СНиП 3.02.01 - 87 «Земляные сооружения, основания и фундаменты», стр.59-64, таблица 21).

Известен способ контроля качества химического закрепления грунтов силикатизацией, включающий отбор проб и определение концентрации солей в них, отличающийся тем, что готовят водные вытяжки проб незакрепленного и закрепленного силикатизацией грунта, а о качестве закрепления грунта судят по разности концентрации солей в них (В.Н.Баранов, А.К.Бекетов «Способ контроля качества химического закрепления грунтов силикатизацией», авт. свид. №588500. Бюллетень №2, 1978).

Недостатком известных способов является их высокая стоимость и трудоемкость работ, так как при проходке шурфов и скважин необходим отбор проб ненарушенной структуры, изготовление из монолитов кубиков либо цилиндров и последующее их испытание в лабораторных условиях. Приготовление водных вытяжек из незакрепленного и закрепленного грунта и проведение полного химического анализа с определением общей минерализации водной вытяжки или ее ионного состава усложняют проведение лабораторных работ. Невозможность отбора проб ненарушенной структуры под плитными и столбчатыми фундаментами, а также на больших глубинах, трудность проходки выработок в закрепленных массивах практически приводит к увеличению сроков их выполнения и снижает детальность обследования закрепленного грунта при разном возрасте его твердения.

Наиболее близким из известных решений по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению (прототип) является способ контроля качества цементогрунта, включающий проходку горных выработок, отбор пробы цементогрунта, исследование ее характеристик и установление их соответствия проектным («Рекомендации по проектированию и устройству фундаментов из цементогрунта», НИИ оснований и подземных сооружений им. Н.М.Герсеванова, Москва, 1986, стр.42-44). Способ включает отбор кернов из скважин при контрольном бурении или отбор образцов ненарушенной структуры из шурфов и их испытание. Отобранные при контрольном бурении из скважин и шурфов образцы цементогрунта хранятся во влажных опилках и испытываются в возрасте 90 дней для определения прочности на одноосное сжатие, значение которой не должно быть менее проектной.

Недостатком известного способа является высокая трудоемкость и стоимость выполняемых работ, связанная с проходкой шурфов или скважин, отбором проб цементогрунта ненарушенной структуры (кернов и монолитов), необходимостью изготовления кубиков, призм либо цилиндров правильной формы для испытания с выдержкой в течении 90 суток, что приводит дополнительно к увеличению сроков выполнения работ при контроле качества и снижению их эффективности.

Целью изобретения является снижение стоимости работ, сокращение сроков их выполнения, расширение диапазона и повышение качества исследования характеристик.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе, включающем отбор пробы цементогрунта, исследование характеристик и установление их соответствия проектным, установление соответствия осуществляют сравнением остаточной щелочности водной вытяжки из обезвоженной пробы нарушенной структуры с остаточной щелочностью из калибровочных зависимостей качества цементогрунта от щелочности, предварительно установленных на стандартных образцах цементогрунта того же возраста твердения, что и исследуемая проба, при следующем виде указанных зависимостей С_ц=f(V_{0,1N HCl}, Т); R=f(С_ц); Е=f(С_ц); ϕ=f(С_ц); с=f(С_ц),

где С_ц - отношение количества цемента к массе воздушно-сухого грунта, %;

V_{0,1N HCl} - объем 0,1N раствора HCl, израсходованный на нейтрализацию остаточной свободной щелочи цемента, мл;

Т - возраст твердения, сутки;

R - предел прочности цементогрунта на одноосное сжатие, МПа;

Е - модуль упругости цементогрунта, МПа;

ϕ - угол внутреннего трения цементогрунта, град;

с - сцепление цементогрунта, МПа.

Способ осуществляется в следующей последовательности.

Сначала до начала работ устанавливают калибровочные зависимости С_ц=f(V_{0,1N HCl}, Т); R=f (С_ц); Е=f(С_ц); ϕ=f(С_ц); с=f(С_ц) на стандартных составах цементогрунта при разном возрасте их твердения. Для получения калибровочных зависимостей в лаборатории производится приготовление стандартных составов цементогрунта (например, с 10, 20, 30, 40 и 50% содержанием цемента), изготовление серии образцов из них и установление остаточной щелочности цемента в стандартных составах на пробах нарушенной структуры при разном возрасте их твердения по следующей методике. Пробы высушивают в сушильном шкафу до постоянного веса при температуре 105°С (с целью исключения влияния влажности), растирают и просеивают через сито с диаметром 1 мм. Из каждой пробы приготавливают водную вытяжку: на аналитических весах с точностью до 0,0001 г взвешивается навеска подготовленной пробы цементогрунта (50 г), помещается в колбу, мерной колбой добавляется дистиллированная вода в соотношении вода:грунт=5:1 (250 мл) и производится перемешивание в течение 3 мин. Далее раствор фильтруется через фильтр «белая лента». Затем в фильтрате определяют остаточную щелочность путем отбора пипеткой аликвоты (50 мл), которая титруется 0,1N раствором HCl в присутствии индикатора фенолфталеина до обесцвечивания малиновой окраски. Объем кислоты, пошедшей на нейтрализацию остаточной свободной щелочи цемента, является показателем, определяющим количество цемента в пробе, а значит, и уровня качества цементогрунта. По результатам эксперимента после математической обработки получают калибровочную зависимость

Одновременно серии образцов (кубики, цилиндры) цементогрунта стандартных составов в разном возрасте их твердения испытываются по действующим ГОСТам с последующей математической обработкой результатов и установлением калибровочных зависимостей

Обработка результатов с использованием математической статистики (например, ГОСТа 20522-96 "Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний") позволяет повысить точность и надежность определения исследуемых характеристик. Учитывая, что цементогрунт на объектах (площадках) в заданном регионе (микрорайоне) готовится с использованием одного и того же вида грунта и на постоянной марке цемента, калибровочные зависимости при контроле качества работ могут быть использованы для группы объектов в данном регионе. При изменении свойств грунта и марки цемента калибровочные зависимости устанавливаются заново, что позволяет расширить диапазон, повысить качество и достоверность определяемых характеристик, а также снизить стоимость расходов на одну пробу.

Далее производят отбор пробы цементогрунта нарушенной структуры в точке контроля, приготавливают водную вытяжку из обезвоженной пробы, определяют остаточную щелочность цемента в водной вытяжке и осуществляют оценку качества цементогрунта по величине остаточной щелочности цемента в водной вытяжке с использованием калибровочных зависимостей (1, 2, 3, 4, 5), полученных в лаборатории на стандартных составах цементогрунта при разном возрасте их твердения. Установление соответствия осуществляют сравнением остаточной щелочности водной вытяжки из обезвоженной пробы нарушенной структуры с остаточной щелочностью из калибровочных зависимостей качества цементогрунта от щелочности, предварительно установленных на стандартных образцах цементогрунта того же возраста твердения, что и исследуемая проба.

В качестве примера №1 конкретного выполнения способа рассмотрим порядок операций при контроле качества цементогрунта по предлагаемому способу в процессе укрепления грунтов основания фундаментов одного из жилых домов по ул.2-я Краснодарская в микрорайоне 1ХА-7 западного жилого района г.Ростова-на-Дону с использованием патента №2122068 на изобретение «Способ подготовки основания».

В основании плитного фундамента залегали просадочные грунты мощностью 6,0 м ниже подошвы фундамента, подстилаемые глинами. Нижняя отметка подошвы фундамента находилась на глубине 2,0 м от поверхности земли. Армирование выполнялось в виде системы вертикальных плоских армоэлементов из цементогрунта.

При этом расстояние между армоэлементами было принято 1,0 м, а размеры элементов составили: высота 6,0 м (три заходки по 2,0 м), длина 1,6 м, а толщина 0,07 м. Нагнетание рабочего вспененного цементогрунтового раствора с 30, 20 и 10% содержанием цемента (соответственно для 1, 2 и 3-й заходок) производилось через инъектор с резцом, который погружался в предварительно пробуренные лидерные сважины. Бурение лидерных скважин и погружение инъектора выполнялось после бетонирования плиты через инъекционные трубки ⊘ 100 мм, установленные в теле плиты.

В соответствии с предлагаемым способом контроль качества цементогрунта по глубине производился в следующей последовательности.

До начала работ для группы зданий в вышеуказанном микрорайоне (7 блок-секций 10-этажных жилых домов) были установлены калибровочные зависимости С_ц=f(V_{0,1N HCl}, Т); R=f(С_ц); Е=f(С_ц); ϕ=f(С_ц); с=f(С_ц) на стандартных составах цементогрунта при разном возрасте их твердения.

Приготовление стандартных составов вспененного цементогрунта в лаборатории с 10, 20, 30, 40 и 50% содержанием цемента М 400 производилось с использованием суглинка с числом пластичности 0,11 и добавкой 0,05% ПАВ (сульфанол НП-1) для вспенивания. Указанные компоненты в дальнейшем использовались в производственных условиях при приготовлении рабочих вспененных цементогрунтовых растворов.

Результаты лабораторных исследований при установлении калибровочной зависимости С_ц=f(V_{0,1N HCl}, Т) на стандартных составах цементогрунта при разном возрасте их твердения приведены в таблице 1.

Таблица 1Т, сутокV_{0,1N HCl}, мл при С_ц%102030405011,452,402,803,153,3531,252,302,703,053,2571,002,152,603,003,15140,952,052,552,903,10280,902,002,452,853,05900,871,982,432,833,03

После математической обработки была получена калибровочная зависимость:

С_ц=(1,23+3,92/Т)V³+(1-26,43/Т)V²-(2,36-51,66/Т)V+10,69-34,60/Т.

Для установления калибровочных зависимостей R=f(С_ц); Е=f(С_ц); ϕ=f(С_ц) и с=f(С_ц) были проведены испытания по действующим ГОСТам серий образцов цементогрунта вышеуказанных стандартных составов в возрасте 90 суток. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2№ п/пСоставПрочность на одноосное сжатие R, МПаМодуль упругости, Е·10³, МПаС, МПаϕ, градЦемент, % от т.ф.ПАВ, % от т.ф.Соотношение в: т.ф.1100,050,50,800,500,1238,42200,050,51,150,740,1843,13300,050,53,251,160,3245,84400,050,55,231,750,7448,25500,050,56,902,531,1150,0

После математической обработки были получены калибровочные зависимости:

R₉₀=3,4×10^-6×С_ц ⁴-6,1×10^-4×С_ц ³+0,037×С_ц-0,7С_ц+4,66;

Е₉₀=0,9×С_ц ²-3,3×С_ц+445,2;

ϕ₉₀=6,744×l_n(С_ц)+22,859;

c₉₀=1,72×10^-11×С_ц ⁶+2,84×10^-8×С_ц ⁵-60,24×10^-7×С_ц ⁴+

+4,32×10^-4×С_ц ³-0,01296×С_ц ²+0,174×С_ц-0,7.

После схватывания цементогрунтового раствора на объекте в возрасте 90 суток выполнялось бурение скважины ⊘ 65 мм через инъекционную трубку и отбор проб цементогрунта нарушенной структуры с каждого метра (по две пробы в пределах каждой заходки) в каждой точке контроля.

Затем из каждой обезвоженной пробы была подготовлена водная вытяжка, определена остаточная щелочность цемента в ней (по вышеприведенной методике) и осуществлена оценка качества цементогрунта по остаточной щелочности в водной вытяжке с использованием уже установленных калибровочных зависимостей, полученных в лаборатории на стандартных составах цементогрунта при возрасте их твердения 90 суток. Результаты контроля качества цементогрунта приведены в таблице 3.

Таблица 3Глубина отбора пробы нарушенной структуры, мV_{0,1N HCl}, млСц, %R, МПаЕ, ×10³ МПаϕ, градС, МПаПроектные параметры при возрасте 90 сутокЗначения по калибровочным зависимостям при возрасте 90 сутокСц, %R, МПаЕ, ×10³ МПаϕ, градС, МПа3,02,4529,33,221,1244,80,2830,03,251,16450,314,02,4630,13,301,1645,20,3330,03,251,16450,315,02,0119,81,140,7243,80,1720,01,150,70440,186,02,1020,31,190,7543,10,1820,01,150,70440,187,00,8910,20,820,5138,20,1310,00,800,50380,128,00,8610,10,810,5038,10,1210,00,800,50380,12

Как видно из таблицы, значения характеристик, определенных по предлагаемому способу, отличаются от проектных параметров не более чем на 10% (см. СНиП3.02.01-87 табл.21). Ввиду этого полученные характеристики в массиве соответствуют проектным параметрам.

В качестве примера №2 конкретного выполнения способа рассмотрим порядок операций при контроле качества цементогрунта по предлагаемому способу в процессе укрепления грунтов основания фундаментов одного из жилых домов по ул.2-я Краснодарская в микрорайоне 1ХА-9 западного жилого района г.Ростова-на-Дону с использованием патента №2122068 на изобретение «Способ подготовки основания».

В основании плитного фундамента залегали просадочные грунты мощностью 4,0 м ниже подошвы фундамента, подстилаемые глинами. Нижняя отметка подошвы фундамента находилась на глубине 2,0 м от поверхности земли. Армирование выполнялось в виде системы вертикальных плоских армоэлементов из цементогрунта. При этом расстояние между армоэлементами было принято 1,0 м, а размеры элементов составили: высота 4,0 м (две заходки по 2,0 м), длина 1,6 м, а толщина 0,07 м. Нагнетание рабочего вспененного цементогрунтового раствора с 30 и 20% содержанием цемента (соответственно для 1 и 2-й заходок) производилось через инъектор с резцом, который погружался в предварительно пробуренные лидерные сважины. Бурение лидерных скважин и погружение инъектора выполнялось после бетонирования плиты через инъекционные трубки ⊘ 100 мм, установленные в теле плиты.

В соответствии с предлагаемым способом контроль качества цементогрунта по глубине производился в следующей последовательности. До начала работ для группы зданий в вышеуказанном микрорайоне (9 блок-секций 10-этажных жилых домов) по методике, изложенной в примере №1, были установлены калибровочные зависимости:

С_ц=(1,23+4,01/Т)V³+(1-24,80/Т)V²-(2,16-52,50/Т)V+11,50-33,0/Т;

R₇=1,67×10^-6×С_ц ⁴-2,33×10^-4×С_ц ³+0,0113×С_ц ²-0,182С_ц+1,3;

Е₇=0,093×С_ц ²-14,73×С_ц+22,2;

ϕ₇=4,55×l_n(С_ц)+25,21;

c₇=5×10^-7×Сц⁴-6,67×10^-5×С_ц ³+0,003×Сц²-0,458×С_ц+0,24.

После схватывания цементогрунтового раствора на объекте в возрасте 7 суток, выполнялось бурение скважины ⊘ 65 мм через инъекционную трубку и отбор проб цементогрунта нарушенной структуры с каждого метра (по две пробы в пределах каждой заходки) в каждой точке контроля.

Затем из каждой обезвоженной пробы была подготовлена водная вытяжка, определена остаточная щелочность цемента в ней (по вышеприведенной методике) и осуществлена оценка качества цементогрунта по остаточной щелочности в водной вытяжке с использованием уже установленных калибровочных зависимостей, полученных в лаборатории на стандартных составах цементогрунта при возрасте их твердения 7 суток. Результаты контроля качества цементогрунта приведены в таблице 4.

Таблица 4Глубина отбора пробы нарушенной структуры, мV_{0,1N HCl}, млСц, %R, МПаЕ, ×10³ МПаϕ, градС, МПаПроектные параметры при возрасте 7 сутокЗначения по калибровочным зависимостям при возрасте 7 сутокСц, %R, МПаЕ, ×10³ МПаϕ, градС, МПа3,02,4029,30,950,5240,20,1830,01,100,5540,70,174,02,4330,11,060,5640,80,1930,01,100,5540,70,175,01,9019,80,570,3438,70,0720,00,600,3538,80,086,01,9320,30,610,3738,90,0920,00,600,3538,80,08

Как видно из таблицы, значения характеристик, определенных по предлагаемому способу, отличаются от проектных параметров не более чем на 10% (см. СНиП3.02.01-87 табл.21). Ввиду этого полученные характеристики в массиве соответствуют проектным параметрам. Положительный эффект от использования предлагаемого способа подтверждается технико-экономическим расчетом. Стоимость работ на одну точку контроля по предлагаемому способу и известному (прототип) приведена в таблице 5.

Таблица 5.№ п.пНаименование показателейЕд. изм.Величина показателяПрототипПредлагаемый способОбоснование1234561Стоимость работ на одну точку контроля в ценах 1991 г. В том числе:руб.244,584,3 2Составление калибровочных зависимостей по району расположения объекта укрепления грунтаруб.-48,9СБЦ на изыскания для строительства, 1999 г.3Шнековое бурение контрольной скважины переносной установкой с отбором проб нарушенной структуры в породах III кат., глубиной до 20 м (1 м)руб.-16,3СБЦ на изыскания для строительства, 1999 г., Т.19§1, п.1.4Колонковое бурение контрольной скважины переносной установкой с отбором проб ненарушенной структуры (кернов) в породах III кат., глубиной до 15 м (1 м)руб.36,0-СБЦ на изыскания для строительства, 1999 г., Т.17§1, п.1.5Анализ водной вытяжки пробы цементогрунта нарушенной структуры с определением остаточной щелочностируб.-19,1СБЦ на изыскания для строительства, 1999 г., Т.71§36Полный комплекс физико-механических свойств цементогрунта, механической прочности и деформационных характеристикруб.208,5-СБЦ на изыскания для строительства, 1999 г., Т.68§6

Как видно из таблицы, сметная стоимость работ при контроле качества цементогрунта по предлагаемому способу в 2,9 раза меньше, чем по известному способу (прототип). При этом расширяется диапазон определяемых характеристик и значительно сокращаются сроки их определения.

Таким образом, предлагаемый способ контроля качества цементогрунта позволяет снизить стоимость работ, сократить сроки их выполнения, расширить диапазон и повысить качество исследования характеристик.

Изобретение относится к области строительства, в частности к способам контроля качества цементогрунта, и может быть использовано при контроле качества оснований и устройстве фундаментов из цементогрунта в промышленном и гражданском строительстве. Технический результат - снижение стоимости работ, сокращение сроков их выполнения, расширение диапазона и повышение качества исследования характеристик. В способе контроля качества цементогрунта, включающем отбор пробы цементогрунта, исследование характеристик и установление их соответствия проектным, установление соответствия осуществляют сравнением остаточной щелочности водной вытяжки из обезвоженной пробы нарушенной структуры с остаточной щелочностью из калибровочных зависимостей качества цементогрунта от щелочности, предварительно установленных на стандартных образцах цементогрунта того же возраста твердения, что и исследуемая проба, при следующем виде указанных зависимостей C_ц=f(V_{0,1N HCl}, Т); R=f(C_ц); Е=f(С_ц); ϕ=f(С_ц); с=f(С_ц), где С_ц - отношение количества цемента к массе воздушно-сухого грунта, %, V_{0,1N HCl} - объем 0,1N раствора HCl, израсходованный на нейтрализацию остаточной свободной щелочи цемента, мл; Т - возраст твердения, сутки; R - предел прочности цементогрунта на одноосное сжатие, МПа; Е - модуль упругости цементогрунта, МПа; ϕ - угол внутреннего трения цементогрунта, град; с - сцепление цементогрунта, МПа. 5 табл.

Способ контроля качества цементогрунта, включающий отбор пробы цементогрунта, исследование характеристик и установление их соответствия проектным, отличающийся тем, что установление соответствия осуществляют сравнением остаточной щелочности водной вытяжки из обезвоженной пробы нарушенной структуры с остаточной щелочностью из калибровочных зависимостей качества цементогрунта от щелочности, предварительно установленных на стандартных образцах цементогрунта того же возраста твердения, что и исследуемая проба, при следующем виде указанных зависимостей:

С_ц=f(V_{0,1N HCl}, T);

R=f(C_ц);

Е=f(C_ц);

ϕ=f(C_ц);

с=f(C_ц),

где С_ц - отношение количества цемента к массе воздушно-сухого грунта, %,

v_{0,1N HCl} - объем 0,1N раствора HCl, израсходованный на нейтрализацию остаточной свободной щелочи цемента, мл;

Т - возраст твердения, сутки;

R - предел прочности цементогрунта на одноосное сжатие, МПа;

Е - модуль упругости цементогрунта, МПа;

ϕ - угол внутреннего трения цементогрунта, град.;

с - сцепление цементогрунта, МПа.