СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЦЕМЕНТА В ГРУНТОЦЕМЕНТНОМ МАТЕРИАЛЕ КОНСТРУКЦИИ, СОЗДАВАЕМОЙ СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИЕЙ Российский патент 2017 года по МПК G01N33/38 G01N23/223 

Изобретение относится к способам оперативного определения количества содержания цемента в грунтоцементной конструкции, созданной струйной цементацией.

«Наиболее важным параметром, определяющим конечную эффективность струйной технологии, является количество цемента (в сухом состоянии), содержащееся в 1 м³ укрепленного грунта. Именно данный параметр определяет прочность материала грунтоцементных колонн или их фильтрационные свойства» (Малинин А.Г. Обоснование расхода цемента при струйной цементации грунта / А.Г. Малинин // Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. - 2003 - №2 – С.3).

Согласно требованиям СТО НОСТРОЙ 2.3.18-2011. Укрепление грунтов инъекционными методами в строительстве. М.:- Изд. БСТ-2011-п.5.1.1.4 «После выбора вида и состава инъекционного раствора следует выполнить опытное укрепление грунта на строительной площадке для определения расчетного объема и радиуса инъекции раствора, физико-механических характеристик укрепленных грунтов…, а при струйной цементации давления нагнетания раствора и воздуха, скорости подъема и вращения монитора, расхода раствора на 1 м скважины». И одним из основных параметров является прочность возводимых подземных конструкций.

Известен способ контроля качества жидкого бетона с использованием ультразвуковых сигналов, при котором измеряют скорость ультразвука в жидком бетоне, затем выявляют зависимость этой скорости от соотношения содержания цемента и воды (Лешинский М.Ю. Испытание бетона. М.: Стройиздат, 1980, с. 135-137, 152). Данный способ позволяет определять прочность строительных конструкций по состоянию жидкого бетона.

Однако скорость ультразвука зависит также от заполнения бетона твердой фракцией (гравий, щебень, включения грунта), что делает невозможным применение способа для определения количества цемента в грунтоцементной пульпе при струйной цементации.

Известен способ определения количества цемента в выделяемой из скважины грунтоцементной пульпе, заключающийся в добавлении в закачиваемый в скважину цементный раствор порошкообразного индикатора в виде магнитомягкого железосодержащего вещества (RU 2165495 C1, E02D 5/46, E02D 3/12, опубл. 20.04.2001).

Недостатком способа является наполнение грунтоцементного тела строительной конструкции порошковым материалом, подвергающимся коррозии и приводящим к снижению прочности строительной конструкции.

Известен способ определения количества цемента в грунтоцементном материале конструкции (RU 2513567 C1, E02D3/12, G01N 27/22 опубл. 20.04.2014), в котором в цементный раствор добавляют порошок графита, измеряют электропроводность цементного раствора и грунтоцементной пульпы и по приведенной формуле определяют количество цемента в грунтоцементном материале строительной конструкции.

Недостатком известного способа является то, что грунт содержит электропроводные растворы солей и окислов, которые влияют на результат замера электропроводности грунтоцементной пульпы и вносят значительную ошибку в результат вычисления количества цемента в пульпе.

Наиболее близким аналогом к предложенному способу является способ (RU 2611373 C1, G01N 33/38, G01N 23/223, опубл. 21.02. 2017) определения объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе при создании подземных конструкций струйной цементацией, при котором производят отбор проб исследуемого материала и определение рентгенофлуоресцентным методом количественного содержания химического элемента в отобранных пробах, причем перед струйной цементацией выбирают химический элемент, содержание которого в грунте не превышает 0,1% и в количестве, определяемом рентгенофлуоресцентным анализом, для закачки его в грунт совместно с цементным раствором при струйной цементации, приготавливают цементный раствор замешиванием цемента в воде и при приготовлении цементного раствора вводят выбранный химический элемент в цементный раствор, отбирают пробу цементного раствора, производят бурение на проектную глубину и закачивают цементный раствор под давлением в грунт для образования в грунте строительной конструкции и выделения из грунта грунтоцементной пульпы, при проведений струйной цементации отбирают пробу грунтоцементной пульпы, рентгенофлуоресцентным методом производят измерение весовой концентрации химического элемента в пробах и плотности материалов проб, и рассчитывают объемную концентрацию цементного раствора в грунтоцементной пульпе по формуле.

Способ не дает возможности определять количество цемента в грунтоцементном материале возведенной конструкции струйной цементацией.

Задачей предлагаемого способа является оперативное определение количества цемента в грунтоцементном материале конструкции для проведения прочностных расчетов сооруженной конструкции.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения количества цемента в грунтоцементном материале конструкции, созданной струйной цементацией при которой из количества цемента, необходимого для создания подземной строительной конструкции, замешивают цементный раствор с добавлением в него химического элемента, содержание которого в грунте не превышает 0,1% и в количестве, определяемом рентгенофлуоресцентным анализом, производят бурение лидерной скважины до проектной отметки и в процессе обратного хода в буровую колонну под высоким давлением подают цементный раствор для образования в грунте строительной конструкции, при этом из грунта выделяется грунтоцементная пульпа, отбирают пробу цементного раствора и грунтоцементной пульпы, рентгенофлуоресцентным методом производят измерение весовой концентрации химического элемента в пробах и плотности материалов проб, производят обмер верхнего торца возведенной конструкции, вычисляют его площадь, а затем количество цемента (в сухом состоянии), содержащееся в 1 м³ подземной конструкции рассчитывают по формуле:

где, m _{ц 1} - количество сухого цемента в 1 м³ грунтоцементного материала конструкции, кг;

m - количество цемента, кг, затраченного для приготовления цементного раствора на создание подземной конструкции;

s - площадь поперечного сечения созданной конструкции, м²;

h - глубина заложения конструкции, м;

ρ_с - плотность цементного раствора, кг/л;

ρ_п - плотность грунтоцементной пульпы, кг/л;

Сс - весовая концентрация химического элемента в цементном растворе, мг/кг;

Сп - весовая концентрация химического элемента в грунтоцементной пульпе, мг/кг.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что количество цемента (в сухом состоянии) в грунтоцементном материале подземной конструкции может быть определено как разность между количеством цемента, содержащегося в закачиваемом цементном растворе, и количеством цемента, содержащегося в выделяемой из скважины грунтоцементной пульпе. При этом количество цемента, выносимое в грунтоцементной пульпе, и количество цемента, создающее строительную конструкцию, зависят от физико-механических характеристик грунта, а также параметров процесса струйной цементации. Количество цемента для изготовления подземной конструкции известно, так, при укреплении грунта «Расход цемента варьируется в диапазоне 350-700 кг/м³. Стандартным считается значение 450 кг/м³. Расход цемента повышают до 700 кг/м³ при укреплении органического грунта. В задачах устройства противофильтрационных завес принимается минимальный расход цемента» (Малинин А.Г. Струйная цементация грунтов. - Пермь: Престтайм, 2007. - С. 18). Расход цемента уточняется при создании опытных свай.

Концентрация цемента в цементном растворе, выводимом с пульпой на поверхность земли соответствует концентрации цемента в цементном растворе, закачиваемом в скважину, поэтому количество цемента, в пульпе определяется через объем цементного раствора, выводимого с пульпой по патенту RU 2611373 С1.. Для определения количество цемента (в сухом состоянии) в грунтоцементном материале подземной конструкции на 1 м³, разность количества цемента цементного раствора и количество цемента, содержащегося в грунтоцементной пульпе, необходимо разделить на объем подземной конструкции.

Возможность осуществления заявляемого изобретения показана следующим примером.

При строительстве подземного сооружения укрепление грунтов осуществляют созданием струйной цементацией поля грунтоцементных свай диаметром 0,8 м, с заглублением 6 м. Укрепляемый грунт состоит из слоев песчаников и суглинок. По проекту цементный раствор изготавливают с водоцементным отношением 0,9 из цемента марки М500 ГОСТ 10178-85 с насыпной плотностью 1,3 кг/л. Объем возводимой сваи 3 м³, что потребует 450×3=1350 кг цемента. При водоцементном отношении 0,9 для замеса цементного раствора потребуется 1350×0,9=1215 л воды. Давление нагнетания раствора 500 атм. В качестве вводимого в цементный раствор индикаторного элемента выбирают кобальт (Со), входящий в гидрооксид кобальта Со(Н₂O)₂ ТУ261 - 001 - 469133 -78 --2002 (применяется при изготовлении строительных материалов, стекла). В грунте следы кобальта не обнаружены. Концентрацию кобальта в пробах определяют спектрометром Delta Premium (США), а плотность плотномером Densito 30 РХ (Италия).

Минимальное количество вводимого элемента, согласно RU 2611373 С1, рассчитывают по формуле Р_{р мин}=5 C_по;

где: Р_{р мин} - минимальное количество химического элемента вводимого на 1 кг цементного раствора (мг/кг);

С_по - предел обнаружения применяемым спектрометром химического элемента (мг/кг).

Для кобальта С_по=10 мг/кг (Портативный анализатор металлов и сплавов Olympus Delta Professional. http://pvp-snk.ru/daltaprofesional. С. 5. Таблица LOD) Р_{р мин}=5×10 мг/кг=50 мг/кг и с учетом его содержания 62% в порошке гидрооксида кобальта, минимальное количество порошка гидрооксида кобальта равно 80 мг/кг.

При проведении струйной цементации производят отбор проб цементного раствора и грунтоцементной пульпы, в которых определяют концентрацию кобальта, а также плотность проб.

Для цементного раствора:

плотность - ρ_с=1,25 кг/л, концентрация - С_{с Co}=87,8 мг/кг

Для пульпы:

плотность - ρ_п=1,62 кг/л, концентрация - С_{п Со}=21,9 мг/кг

При обмере верхнего торца сваи, ее диаметр составил 0,76 м. То есть площадь поперечного сечения сваи составляет 0,45 м².

Определяют количественное содержание цемента в 1 м³ материала грунтоцементной конструкции:

По графику рис. 3.10 (Малинин А.Г. Струйная цементация грунтов. - Пермь: Престтайм, 2007 - С. 103) содержание 340 кг/м³ цемента в грунтоцементной конструкции соответствует 2,2 МПа прочности на сжатие.

Предлагаемое изобретение дает возможность оперативно рассчитать фактическую прочность возводимых струйной цементацией подземных конструкций при возведении их в различных геологических условиях.

Изобретение относится к оперативному определению количества содержания цемента в грунтоцементной конструкции, созданной струйной цементацией. При проведении струйной цементации из количества цемента, необходимого для создания подземной строительной конструкции, замешивают цементный раствор с добавлением в него химического элемента, содержание которого в грунте не превышает 0,1% и в количестве, определяемом рентгенофлуоресцентным анализом, производят бурение лидерной скважины до проектной отметки и в процессе обратного хода в буровую колонну под высоким давлением подают цементный раствор для образования в грунте строительной конструкции, при этом из грунта выделяется грунтоцементная пульпа, отбирают пробу цементного раствора и грунтоцементной пульпы, рентгенофлуоресцентным методом производят измерение весовой концентрации химического элемента в пробах и плотности материалов проб, производят замер верхней части возведенной конструкции, вычисляют ее площадь, а затем количество цемента (в сухом состоянии), содержащееся в 1 м³ подземной конструкции, рассчитывают из заданного соотношения. Достигается возможность оперативно определять количества содержания цемента в грунтоцементной конструкции, созданной струйной цементацией.

Способ определения количества цемента в грунтоцементном материале конструкции, созданной струйной цементацией, при которой из количества цемента, необходимого для создания подземной строительной конструкции, замешивают цементный раствор с добавлением в него химического элемента, содержание которого в грунте не превышает 0,1% и в количестве, определяемом рентгенофлуоресцентным анализом, производят бурение лидерной скважины до проектной отметки и в процессе обратного хода в буровую колонну под высоким давлением подают цементный раствор для образования в грунте строительной конструкции, при этом из грунта выделяется грунтоцементная пульпа, отбирают пробу цементного раствора и грунтоцементной пульпы, рентгенофлуоресцентным методом производят измерение весовой концентрации химического элемента в пробах и плотности материалов проб, отличающийся тем, что производят обмер верхнего торца возведенной конструкции, вычисляют его площадь, а затем количество цемента (в сухом состоянии), содержащееся в 1 м³ подземной конструкции, рассчитывают по формуле:

где, m_ц1 - количество сухого цемента в 1 м³ грунтоцементного материала конструкции, кг;

m - количество цемента, кг, затраченного для приготовления цементного раствора на создание подземной конструкции;

s - площадь поперечного сечения созданной конструкции, м²;

h - глубина заложения конструкции, м;

ρ_с - плотность цементного раствора, кг/л;

ρ_п - плотность грунтоцементной пульпы, кг/л;

Сс - весовая концентрация химического элемента в цементном растворе, мг/кг;

Сп - весовая концентрация химического элемента в грунтоцементной пульпе, мг/кг.