Юрданов - Термическое упрочнение грунтов в строительстве (1990)

Изложены теоретические и экспериментальные основы методы термического упрочнения грунтов в практике капитального строительства. Обобщен опыт практического использования метода, определены пути его совершенствования и основные направления дальнейшего развития. Приведены примеры расчета и проектирования производства и приемки работ.

Для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских и проектных организаций.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Значительные масштабы капитального строительства в СССР,  меры по охране природы и рациональному использованию природных ресурсов, ограничения в отводе под строительные площадки  пахотных земель вызывают необходимость размещения многих  строящихся объектов на грунтах, требующих улучшения их природных свойств. Более половины зданий и сооружений приходится возводить на широко распространенных просадочных и слабых глинистых грунтах. Являясь в твердом состоянии надежными основаниями и  устойчивыми средами, лессовые и глинистые грунты при увлажнении изменяют свои строительные свойства, в значительной мере  утрачивая при этом несущую способность и устойчивость. В них проявляются неравномерные просадки, сплывы, оползни, морозное пучение и развиваются другие физико-геологические процессы, усложняющие и удорожающие строительство.

Устройство оснований и фундаментов на таких грунтах связано с большими затратами материальных и трудовых ресурсов. На эти  цели, включая реконструкцию и усиление фундаментов действующих производств, ежегодно затрачивается свыше 3,2 млрд. руб. Объемы капитальных вложений на основания и фундаменты в таких грунтах по мере дальнейшего увеличения масштабов строительства будут  непрерывно возрастать. Поэтому проблема искусственного улучшения природных свойств лессовых и глинистых грунтов является одной из актуальных и важных в строительной науке и практике.

В этом отношении несомненный теоретический и практический интерес представляют способы термической обработки грунтов через буровые скважины и различные полости, позволяющие не только ликвидировать в грунтах просадочность, морозное пучение и другие отрицательные строительные качества, но и образовывать в  результате обжига грунтов ограждающие и несущие Конструкции. Основу термоупрочненных массивов и Конструкций составляют термогрунтовые цилиндры, Которые образуются вокруг каждой нагревательной скважины. Если скважины разметать таким образом, чтобы  термогрунтовые цилиндры в процессе упрочнения грунта соприкасались друг с другом, то удается получать сплошной упрочненный массив или различные сочетания цилиндров в виде Куста свай, опор, фундаментов, подпорной стены, обделки выработок.

Перспективность метода термического упрочнения грунтов  обусловливается его относительной высокой технической и  экономической эффективностью. Важным преимуществом этого метода  является практически нулевая материалоемкость работ но устройству оснований, фундаментов и других конструкций из упрочненного грунта, так как он сам служит первичным сырьем, а на обжиг затрачивается незначительное количество топлива или электрической энергии. При этом резко сокращается потребность в привозных и местных  материалах, уменьшаются объемы транспортных перевозок,  высвобождаются мощности предприятий промышленности строительных  материалов, достигается экономия цемента, металла, дерева. Данное  обстоятельство особенно важно для объектов сельскохозяйственного,  энергетического и нефтегазопромыслового назначения, для которых характерны большая разбросанность, малообъемность, удаленность от производственных баз и их недостаточная мощность, а также  отсутствие, как привило, хороших транспортных коммуникаций. Для  метода характерны также несложность применяемого оборудования,  возможность использования всех видов топлива и электрической  энергии, высокая степень механизации и автоматизации процессов. При этом до минимума сокращаются объемы земляных работ, снижаются затраты ручного труда, уменьшаются объемы капитальных вложений в основные и оборотные фонды строительных организаций и  предприятий. Использование в процессах термоупрочнения грунтов  высоких температур существенно расширяет область практического  применения метода, так как спекать и расплавлять можно любые  грунты, не разлагающиеся при высоких температурах. Несмотря на ряд очевидных и проверенных опытом  преимуществ и достоинств метода термического упрочнения грунтов, его применение не вышло за рамки экспериментального строительства и ликвидации в лессовых грунтах просадочных свойств в основаниях возводимых н реконструируемых объектов. Широкому использованию этого метода в народнохозяйственном масштабе препятствует ряд факторов. Прежде всего, это  недостаточная изученность сложных процессов, сопровождающих нагревание и последующее охлаждение упрочняемых в массивах грунтов. Имеющиеся в этом направлении отдельные разработки разрознены,  взаимно не увязаны единой методикой исследований, что крайне  затрудняет, а чаще всего делает невозможным их сравнительный анализ, научное обобщение и использование полученных результатов в практике. По термическому упрочнению грунтов нормативная  документация разработана только для некоторых регионов, отсутствует  специальная литература.

В связи с этим у заказчиков строительства, проектных и подрядных строительных организаций отсутствует обобщенная информация о возможностях различных способов термического упрочнения грунтов и накопленном опыте их практического применения,  перспективе и путях дальнейшего совершенствования и развития метода в  целом. Данное обстоятельство существенно сдерживает внедрение  метода в практику в народнохозяйственном масштабе. Данная книга является обобщением опыта и результатов  собственных исследований автора. Она рассчитана на научных и  инженерно-технических работников научно-исследовательских, проектных и строительных организаций.

ВВЕДЕНИЕ

Попытка термической обработки грунтов непосредственно на строительной площадке относится к концу XIX в. В 1887 г. обжиг глинистого грунта был осуществлен для получения балласта при  возведении земляного полотна железной дороги. В 1896—1898 гг. Ф.И. Кнорринг выполнил работы но устройству подпорной стены на оползневом откосе. Глинистый грунт загружали послойно с твердым  топливом в траншеи, укрепленные специальными срубами. Обжиг длился с перерывами в течение двух лет и была образована подпорная стена длиной 70 м, высотой 14 м, толщина ее достигала 4 м. Оползневые явления были полностью устранены и в дальнейшем не наблюдались.

Первые научные исследования процессов термического  упрочнения глинистых грунтов на месте строительства были начаты в нашей стране в интересах дорожного автогужевого и автомобильного дела. Работы проводились под руководством П.А. Земятчеиского и М.М. Филатова в 1926—1927 гг. Исследовались свойства обожженных  глинистых грунтов с учетом их генетических особенностей и гранулометрического состава. Обжиг грунтов осуществляли в напольных печах, которые представляли собой чаще всего клетки из рельс, непрерывно в течение суток. После этого обожженный грунт разламывали,  разбивали на отдельные куски, доставляли на проезжую часть дороги и там втрамбовывали в основание. При дальнейшей эксплуатации обожженный Грунт выполнял функции как покрытия, так и  подстилающего дренирующего слоя. Подобные работы были затем  повторены рядом организаций на Валдайском, Майко-Кужорском, Кемь-Ухтомском, Серпуховском трактах в 1928—1934 гг., а также после  Великой Отечественной войны в Красноярском крае. Для обжига  использовали различные виды связных грунтов, а их обжиг производили не только в напольных печах, но и путем сжигания нефтепродуктов на проезжей части дорог с предварительным нарезанием  последних на отдельные карты. Ценность этих работ заключается в том, что во-первых, они показали принципиальную возможность термического упрочнении грунтов в построечных условиях, а во-вторых, подготовили первую информацию о явлениях, сопровождающих  процессы обжига поверхностных слоев глинистых грунтов. Обобщение  опыта термоупрочнении грунтов в дорожных целях в этот период  времени выполнили М.М.Филатов и В.М. Безрук.

Основываясь на опыте термического упрочнения грунтов  предыдущих исследователей, Н.А. Осташев в 1934 г. предложил способ термического укрепления просадочных лессовых грунтов в основаниях зданий путем нагревания их через буровые скважины. В 1938 г. этот способ был проверен в полевых условиях Н.А. Осташевым и А.А. Стороженко. Атмосферный воздух нагревали в специальной  печи до температуры 500—600°С и под давлением нагнетали в загерметизированные скважины, а из них в окружающий скважины массив просадочного грунта. Последний нагревался до 300-400°С. т.е. до температуры, существенно изменяющей просадочные свойства  грунта. Однако из-за конструктивных и технологических недоработок этот способ в таком виде не вышел за рамки полевых испытаний. Другой способ был предложен в 1947 г. научными сотрудниками Южного научно-исследовательского института промышленного строительства А.Ф. Беляковым, И.М. Литвиновым и П.К. Черкасовым. В этом способе нагретые газы генерировались в устье скважины или в ее стволе посредством сжигания топливных смесей. Способ получил признание и начал внедряться в экспериментальное и  производственное строительство на объектах Украины начиная с 1953 г.  Существенные изменения в него внесли ВИА им. В.В. Куйбышева. ГПИ Фундаментпроект, МИСИ им. В.В. Куйбышева, Харьковский ПромстройНИИироект, ХабИИЖТ, Киевский и Запорожский НИИСК Госстроя СССР, МТИ им. А.Н. Косыгина, ГПИ КрымНИИпроект. В совершенствовании различных способов термического упрочнения грунтов принимали участие и другие организации и отдельные  исследователи. Изучению были подвергнуты немакропористые грунты в откосах выемок для ликвидации явлений морозного пучения и  оползней. Было предложено осуществлять нагрев грунтов также через  буровые скважины до температуры ниже начала интенсивного спекания, предотвращая закупоривание пор в грунтовых стенках расплавом, сопровождающимся резким сокращением фильтрации нагретых газов в массив грунта. В результате такой обработки вокруг скважины образуется своеобразный термогрунтовый цилиндр с непрерывно уменьшающейся в радиальном направлении прочностью, причем у стенок скважины прочность наибольшая. Она сравнима с характеристиками обыкновенного красного кирпича, полученного из  неотсортированного сырья при таких же температурах обжига. По мере  удаления от нагревательной скважины прочностные свойства термоукрепленного грунта снижаются по определенному закону до начальных.

Плавление водонасыщенных плывунов было впервые выполнено трестом Калининуголь при проходке шахты (результаты описаны Д.С. Слободкиным). В качестве генераторов тепловой энергии использовали погружные термографитовые нагреватели, позволяющие создавать в скважинах температуры до 2000-2500°С. Спекшиеся и сплавленные плывуны отличались высокой механической прочностью и монолитностью. Эти работы были продолжены в ВИА им. В.В. Куйбышева автором с целью образования из термоупрочненных различных грунтов самостоятельных ограждающих и несущих  конструкций в виде опор, свай, обделок и подпорных стен. Проведенные комплексные теоретические и производственные опыты полностью подтвердили техническую осуществимость и экономическую  целесообразность этого направления в интересах инженерного  строительства. Опыты по заплавлению стволов скважин грунтами и их смесями были проведены с использованием жидкого и газообразного топлива и электрической энергии, преобразуемой в тепло в погружных термографитовых и стержневых электронагревателях. Заплавление скважин грунтов в последующем было выполнено Р. Г. Погосяном, а смесями грунта с отходами химической промышленности —  сотрудниками ГПИ Фундаментпроект. Возможность заполнения стволов  скважин расплавом различных материалов существенно расширяет  область практического применения метода в целом. Опыты по армированию размягченных при высоких  температурах связных грунтов металлом были выполнены автором в ВИА им. В.В. Куйбышева. Они показали, что силы сцепления стальной  арматуры с расплавами грунтов после их охлаждения сравнимы с  аналогичными характеристиками строительных бетонов. Вместе с этим выявились и проблемные вопросы предохранения стали от  окалины и сгорания, которые ждут своего разрешения в дальнейших  исследованиях.

За последние годы разработано достаточно большое число новых технологий термического упрочнения грунтов в различных целях на уровне изобретений. Многие из них проверены в полевых условиях. На термически упрочненных грунтах возведено и реконструировано свыше 300 различных зданий и сооружений, эксплуатация которых в течение нескольких десятилетий подтвердила надежность метода, его доступность для строителей, особенно в условиях реконструкции объектов и строительства в малоосвоенных регионах, а также при проведении работ хозяйственным способом силами колхозов, совхозов и действующих производств. Ознакомление широкого круга специалистов с основами метода послужит его дальнейшему внедрению в практику.

ГЛАВА 1.

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБОЖЖЕННЫХ В МАССИВАХ ЛЕССОВИДНЫХ И ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ

1.1. Изменение физико-механических свойств связных грунтов при нагревании

Среди большого многообразия рыхлых горных  пород, являющихся продуктом выветривания каменной оболочки земли, несцементированные  мелкообломочные лессовидные и глинистые грунты занимают особое место. Отличительной особенностью этих грунтов  является сложное минерально-дисперсное строение,  являющееся результатом процессов внешней динамики  земли. К их числу относятся выветривание, перенос  продуктов разрушения водой и ветром, аккумуляция осадков в различных физико-географических средах и т.п. В условиях естественного залегания лессовидные и глинистые породы • представляют сложнейшую  гетерогенную систему взаимодействующих между собой  частиц твердого минерального скелета, различных видов содержащейся в порах грунтов воды, ее паров и газов.

Физико-механические свойства этих грунтов в  значительной мере определяются химическим и  минералогическим составом частиц, величиной и характером  пористости, количественным соотношением между  твердой, жидкой и газообразной средами.

Лессовидные и глинистые грунты состоят не только из песчаных и пылеватых частиц, но и продуктов их выветривания - глинистых фракций размером менее 0,005 мм. Большую роль в сцеплении частиц  минерального скелета и их агрегатов играют коллоидальные фракции, имеющие размеры менее 0,001 мм. Именно глинистые, в том числе и коллоидальные  частицы во взаимодействии с поровой влагой создают  особые свойства связных грунтов, их низкую водо- и газопропускную способность, липкость, набухание, усадку, развитие внутренних сил сцепления и др. Минералогический и химический составы, количественное содержание в грунтах глинистых частиц предопределяют, в свою очередь, характер  формирования их свойств в процессе теплового воздействия при различных температурах и режимах нагревания грунтов. Термическая обработка грунтов в условиях их  естественного залегания и характер сопровождающих ее явлений существенно отличаются от обжига изделий ограниченных размеров, сущность которого подробно описана в обширной отечественной и зарубежной  научно-технической литературе.

Поведение связных грунтов при их нагревании в массивах во многом зависит от химического и  минералогического составов. Песчаные и пылеватые частицы в связных грунтах представлены первичными  минералами исходных кристаллических пород.  Минералогический же состав глинистых частиц отличается  большим многообразием, однако основными минералами, как известно, являются каолиниты, монтмориллониты и иллиты. Главной составной частью вторичных отложений глинистых пород является каолинит. Его образование связано с разрушением полевых шпатов в процессе их выветривания под воздействием углекислого газа.  Каолинит имеет мельчайшее чешуйчатое строение, весьма пластичен, при, нагревании до 300°С и выше  полностью распадается на алюмосиликатные составляющие. Монтмориллонит является результатом выветривания габбро, базальтов, вулканических пеплов в условиях щелочной среды. Он входит в состав большинства  лессовидных грунтов. Отличается высокой гидрофильностью, при увлажнении сильно набухает. В монтмориллонитах молекулы воды располагаются в межпакетном пространстве. При набухании они втягиваются внутрь кристаллической решетки. Иллиты, или гидрослюды, образовались за счет выветривания гнейсов, мусковитовых сланцев в условиях кислой среды. Они имеют чешуйчатую и тонкопластинчатую форму. По своим характеристикам прочности и взаимодействия с водой занимают промежуточное положение между  каолинитами и монтмориллонитами, приближаясь к последним.

Важнейшими примесями в связных грунтах  являются карбонаты, сульфаты, железистые соединения, которые также оказывают влияние на ход и результат нагревания их в массивах и в лабораторных  установках. В процессе дегидратации грунтов двуводный гипс переходит в полуводный. При температуре 800°С и  выше карбонаты разлагаются с выделением свободной  негашеной извести и углекислого газа.

Если в скважинах сжигаются топливные смеси, то вместе с нагретыми газами в массив грунта  нагнетаются продукты сгорания топлива, в том числе окись  углерода и углекислый газ, которые замедляют  диссоциацию карбонатов кальция. В процессе спекания  связных грунтов наличие в них окислов кальция  способствует образованию веществ с гидравлическими  свойствами. Модификационные превращения кварца при его нагревании, в результате которых он увеличивается в объеме, оказывает влияние на плотность и сплошность термогрунтовых образований.

Механизм изменения структуры связных грунтов при нагревании в массивах объясняют теорией,  разработанной академиком П.А. Ребиндером, по которой в увлажненном состоянии эти грунты имеют коагуляционную структуру, отличающуюся низкой прочностью и ярко выраженной пластичностью. По мере удаления свободной и физически связанной воды при  температурах до 100-200°С коагуляционная структура переходит в конденсационную. При этом устраняются  липкость, пластичность и повышается механическая  прочность. Однако конденсационную структуру отличает низкая водостойкость, способность при увлажнении вновь сорбировать воду, размокать, утрачивать приобретенную при нагревании прочность и вновь  переходить в первоначальную коагуляционную структуру. При температурах нагревания ниже 600°С коренных изменений в связных грунтах не происходит, однако полностью устраняется просадочность и пучинность, возрастает прочность и водостойкость. Наиболее же глубокие и необратимые преобразования наступают при нагревании связных грунтов выше 600°С, в  процессе которого практически удаляется вся химически связанная вода, входящая в состав коллоидных  мицелл. Исключение составляет незначительное  количество влаги в монтмориллонитах, которая испаряется при температурах около 800°С.

Прочность грунта возрастает по мере удаления из него влаги и зависит от количественного содержания глинистых частиц, увеличиваясь с их повышением. Процесс обезвоживания сопровождается  преобразованием молекул глинистого вещества, изменением  внутренней структуры и усадкой грунта. Высушенные грунты повышенно чувствительны к воздействию воды, при погружении в нее быстро размокают, что связано с увеличенной пористостью, способствующей быстрому доступу влаги. Нагревание связных грунтов до 300°С полностью утрачивает способность их к размоканию.

Пористость грунтов изменяется за счет удаления  летучих компонентов, образования усадочных и  термомеханических трещин, размягчения легкоплавких  составляющих и заполнения ими порового пространства. Прочность глинистых и лессовых грунтов,  обработанных в интервале температур 600-900°С слабо  изучена. Теоретические представления не согласуются здесь с результатами практики, показывающей  существенный прирост механической прочности грунтов именно в этом интервале, в этом направлении  необходимы дальнейшие исследования. С повышением  нагревания до температур обжига грунтов (аналогичная  фаза в технологии керамического производства - увеличение температуры до 900-950°С) в них начинают  интенсивно размягчаться наиболее легкоплавкие компоненты, грунт начинает спекаться, что сопровождается сближением частиц минерального скелета грунта и их агрегатов. Жидкая стекловидная фаза растворяет с  поверхности зерна твердое кристаллическое вещество, насыщается им и кристаллизуется на поверхности нерастворенных зерен в виде твердой фазы. Размер зерен при этом увеличивается. Образуются новые соединения силикатов, алюминатов, алюмоферритов. Прочностные свойства полученного в результате спекания грунтов материала зависят существенно от режима  охлаждения, уменьшаясь с повышением скорости остывания грунта. При этом образуются структуры, характерные для магматических пород. Они могут быть плотными скрытно-кристаллическими, стекловатыми и стекловатопористыми. Образование стекловатопористой структуры при спекании объясняется выделением при  плавлении грунтов водорода, метана и углекислого газа, выход которых в атмосферу по какой-либо причине затруднен.

Образование новых химических соединений при повышенных температурах может сопровождаться  экзотермическими реакциями, например при  образовании аморфного глинозема, который затем  превращается в кристаллический силлиманит и муллит. В  процессе спекания связных грунтов, как показали опыты, могут образовываться двух- и трехкальциевые силикаты и трехкальциевый алюминат, которые, как известно, являются основными составными частями  цементных клинкеров. В связи с этим обработанные при  высоких температурах в массивах грунты не только не утрачивают приобретенную прочность, но и  значительно ее увеличивают, в том числе и во влажной среде.

Наибольшую прочность приобретают грунты,  остывание которых ведется в режиме медленного охлаждения - закала. Резкий режим охлаждения нагретых грунтов вызывает хрупкость и снижение прочности, трещиноватость. При этом более чувствительны к  скорости охлаждения связные грунты с повышенным  содержанием глинистых частиц.