Усиление грунтов цементацией: Усиление грунтов основания фундаментов методом цементации

Содержание

Укрепление грунтов цементацией – ПроектДон

При появлении признаков деформации здания далеко не всегда правильным и единственным решением является усиление фундамента или основных конструктивных элементов. С большой долей вероятности причиной может являться недостаточная несущая способность грунтов. Для улучшения характеристик оснований и исключения неравномерных осадок здания при его дальнейшей эксплуатации в строительстве давно применяется цементация грунтов.

Технология укрепления грунтов

В заранее пробуренную скважину подается под давлением цементный раствор. При цементации грунтов допускается добавлять в раствор песок в качестве заполнителя. Это влечет за собой незначительное снижение прочности, но при этом приводит в существенной экономии дорогостоящего цемента.

Раствор, после твердения придаёт грунту или трещиноватой породе необходимую прочность, монолитность и водонепроницаемость.
Укрепление грунтов происходит за счет образования высокопрочного цементного камня. В процессе армирования слабое основание пронизывается большим количеством цементных жил, в результате чего удается снизить его просадочные свойства и повысить несущую способность. Количество армирующего вещества напрямую зависит от качества исходного грунта. Инъектируемый раствор обладает высокой избирательной, способностью. Поэтому жесткие включения образуются в наиболее слабых участках массива, что приводит к повышению его несущей способности и однородности.

Достоинствами укрепления грунтов методом цементации являются:

  • относительно простая технология;
  • невысокая стоимость выполнения работ;
  • возможность качественного выполнения работ в переувлажненных грунтах;
  • отсутствие негативного воздействия на окружающую среду.

Работы по укреплению грунта

Компания ПроектДон имеет значительный опыт цементации грунтов основания. Специалисты компании владеют всей необходимой информацией об особенностях грунтов южных регионов России. Мы занимаемся укреплением грунтов в Краснодаре, Ростове-на-дону, Азове, Ставрополе, Волгодонске и других городах Юга России. Мы в кратчайшие сроки определим причины деформации здания и устраним их. Звоните:

8(961) 295 28 55.

Цементация грунтов от компании БурИнжСтрой в Москве

Технология укрепления грунтов методом смешивания их с цементным раствором применяется очень давно, но при этом не теряет своей актуальности. Этот метод — один из самых экономичных и быстрых, к тому же он способен придать неустойчивым грунтам высокие показатели прочности и устойчивости.

Что представляет собой технология цементации грунтов и для чего она используется

Цементация грунтов — метод укрепления грунта перемешиванием его с цементным раствором. Для этого готовая смесь на основе цемента и воды под давлением подается в заранее подготовленную скважину. В результате образуется грунтоцементная смесь, обладающая повышенными показателями прочности и устойчивости.

Цементация используется при:

  • Необходимости выполнения свайных, ленточных, плитных фундаментов на неустойчивых почвах
  • Возведении подпирающих ограждений на склонах
  • Упрочнении грунта вокруг подземных сооружений
  • Реконструкции фундаментов уже построенных зданий и сооружений
  • Необходимости упрочнения изношенных оснований, при достраивании имеющихся зданий
  • Заполнении образовавшихся пустот из-за воздействия подземных вод

Рекомендуется применять метод цементации при строительстве на болотистых почвах или на местности с высоким уровнем подземных вод.

Для усиления прочностных характеристик грунтов или фундаментов цементация производится по следующей схеме:

  1. В заранее запланированных точках методом бурения выполняют скважины для инъекции
  2. В скважины помещают перфорированные трубы
  3. Цементный раствор нагнетают под давлением в скважину

Грунт разрушается и перемешивается с раствором, после чего смесь быстро затвердевает. В результате получается неоднородное основание с цементными жилами. Для повышения его прочностных характеристик можно дополнительно выполнить армирование металлом. Технология обеспечивает уменьшение присадочных свойств и усиление несущей способности основания.

Выделяют два распространенных метода цементации:

1. Традиционный

При выборе традиционного способа цементации раствор подается в скважины, которые выполнены на требуемую глубину и под определенным углом. Их располагают в шахматном порядке вблизи опорных точек фундамента и вокруг них. Цемент подается под давлением до заполнения скважины или согласно утвержденной проектом глубине, после его затвердения скважины заделывают. В результате традиционной цементации образуется прочный камень с цементными жилами.

2. Струйный

При струйном методе цементации раствор подают под давлением таким образом, чтобы цемент разрушал почву и образовывал грунтоцементную смесь. В результате получают сваи диаметром от 30 см до 2,5 м. Благодаря такому способу можно улучшить основание под строящимся или уже существующим объектом.

Методика не всегда применима из-за больших габаритов техники для струйной цементации. Стоимость струйного метода также значительно выше расходов на традиционный способ.

Для проведения качественной цементации необходимо соблюдать следующие требования при подготовке и проведении работ:

  • Верно подобрать марку, вид цемента и добавки к нему для каждого вида грунтов
  • Производить работы только по утвержденному проекту
  • Соблюдать технологию выполнения — нагнетать раствор можно без перерыва только при отсутствии грунтовых под, в остальных случаях необходимо делать перерывы для затвердения цемента
  • Инъектирование цемента должно производится в заранее подготовленные скважины по всей территории, если иное не предусмотрено проектом

Компания «БУРИНЖСТРОЙ» оказывает услуги цементации грунтов струйным и традиционным методом с гарантией высокого качества выполнения работ.

Усиление (упрочнение цементацией) грунтов

15 июля 2019 г.

Ознакомится с ассортиментом спецтехники, можно в разделе “Специальная техника”.

  Под цементацией понимается группа методов технической мелиорации грунтов, основанная на введение в грунт вяжущих материалов, заполнение возникших пор, пустот и трещин, формирование цельного цементного монолита. Данная технологическая операция незаменима на слабых, замоченных грунтах, при высоком уровне грунтовых вод. Если грунты нормальные и сухие, применяя технологию стабилизации возможно существенно увеличить их несущую способность, сэкономить на перемещении грунтов, инертных материалах, сократить сроки строительства.

  Цементация проводится для усиления грунтовых оснований зданий и сооружений. В Юго Восточной Азии например данный метод укрепления грунтов, используется на прилегающей территории к АЭС, которые обязаны отвечать высоким требованиям пассивной безопасности работы станции, что является гарантией надежной работы и её устойчивости к внешним и внутренним воздействиям. Проведения укрепления откосов и выемок высокоскоростных железнодорожных дорог. Предупреждения деформаций различных склонов. Увеличения несущей способности уже погруженных свай, анкерных устройств, опор большого диаметра, увеличения коэффициента уплотнения грунта.

  Сущность технологии заключается в использовании энергии высоконапорной подачи цементного раствора для разрушения и одновременного перемешивания грунта с цементным раствором. После твердения цементного раствора образуется новый материал – грунтобетон, обладающий высокими прочностными и деформационными характеристиками.

  По сравнению с традиционными технологиями инъекционного закрепления грунтов струйная цементация позволяет укреплять практически весь диапазон разновидностей грунтов – от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов.

  Другим важным преимуществом технологии является высокая предсказуемость результатов укрепления грунтов. Это дает возможность уже на этапе проектирования достаточно точно рассчитать геометрические и прочностные характеристики создаваемых подземных конструкций (грунтобетонная колонна, стена в грунте, массив укрепленного грунта и т.д.), и соответственно – трудозатраты, стоимость материалов и т.п.

  Фундамент – это один из ключевых элементов конструкции здания, который несет на себе нагрузку всех остальных надстроек и элементов. В процессе эксплуатации фундамент подвергается сильным, а иногда и экстремальным нагрузкам как природного, так и искусственного характера. Основными факторами, влияющими на износ конструкцию фундамента являются:

  • просадка и подмыв грунтов;
  • выветривание пород основания;
  • промерзание грунтов под основанием фундамента;
  • вибрационные воздействия от наземного и подземного транспорта;
  • непродуманная перепланировка и использование площадей и, как следствие, увеличение нагрузок на конструкцию;
  • точечная застройка на примыкающих территориях;

  Укрепление фундаментов при помощи микроцементов, как правило, происходит при помощи усиления оснований несущих конструкций фундамента инъекциями составов на основе микроцемента.

  Особенностью процесса шнекового бурения является одновременное удаление породы по винтовой поверхности, образуемой пластинчатыми элементами. В сочетании с сердечником и режущей головкой такое устройство называется шнеком. По мере его заглубления в грунт вращающее устройство отсоединяется, отводится в верхнее положение и производится наращивание буровой штанги по длине вставкой очередной секции бура. Порода, поднимаясь по винтовой поверхности, активно прижимается к стенке шурфа, производя ее уплотнение и упрочнение. Это позволяет обсаживать стенки ствола по окончании буровых работ, увеличивая суммарную скорость проходки. Шнековое бурение скважин – эффективный способ, не требующий привлечения высокотехнологичного оборудования. Данный метод преимущественно используется для грунтов песчаного или гравийно-песчаного типа. Принцип работы бурильного оборудования заключается в разрушении режущим инструментом породы и доставка ее на поверхности при помощи винта шнека. При этом для повышения эффективности процесса бурения промывка скважины не осуществляется. Данный метод не применяется на территории, где находятся грунты высокой твердости. Для бурения скважин шнековым способом происходит постоянное вращение рабочего инструмента с лопастями. Это обеспечивает бесперебойную подачу отработанной породы на поверхность, что очень удобно. Шнеки, осуществляющие все предвиденные технологией операции, состоят из центральной трубы, которую также называют буровой штангой. В конструкции шнека присутствует острый наконечник, который осуществляет врезку в грунт. Чаще всего его делают съемным. Это позволяет менять наконечник, зависимо от типа обрабатываемого грунта. Метод цементации основан на нагнетании цементной суспензии в закрепляемый грунт (песчано-гравелистый или трещиноватый скальный) посредством системы пробуренных в грунте скважин. При этом соотношение цемента и воды должно быть в пределах 0,1 – 2. Добавка сульфитно-спиртовой барды повышает подвижность цементно-песчаных и цементных растворов. Содержание барды в растворе должно быть в пределах 0,01 – 0,25%. Добавка хлористого кальция ускоряет схватывание растворов и увеличивает первоначальную прочность цементного камня. Содержание хлористого кальция должно быть в пределах 1 – 5%. После цементации значительно увеличиваются прочность и водонепроницаемость грунта.

  Непосредственно нагнетаемые в грунты рабочие растворы и смеси не должны содержать взвешенных механических примесей, затрудняющих инъекцию и закрепление грунтов в целом.

  Усиление грунтов методом цементации также эффективно при заполнении пустот и каверн в закарстованных породах, повышает механическую прочность, устойчивость, уменьшает сжимаемость и водопроницаемость дисперсных пород.

  Технологический процесс при усилении грунтов.

  Технология работ по усилению фундаментов и также состоит из двух основных этапов:

    1. Бурение скважин с помощью полого шнека требуемого размера и глубины. (шагающая установка спирального шнекового бурения KLB20-700, обеспечивающую CFA (ContinuousFlightAuger) бурение, которое выполняется с помощью полых шнеков, в стержне которых располагается канал для подачи раствора внутрь скважины).
    1. Нагнетание скрепляющих растворов с помощью специального оборудования, миксеров- бетононасосов различной модификации.

  В процессе нагнетания через полый шнек, инъекционный раствор проникает в грунтовый массив по ослабленным зонам, образуя в нем линзы цементного камня. При этом происходит не только заполнение цементным раствором пустот грунтового массива, но и уплотнение грунта в основании фундаментов со значительным улучшением его прочностных характеристик. Также цементный раствор под давлением отжимает грунт от шнека, разрывает и внедряется в него по отдельным слабым зонам, формируя столб цементного камня с многочисленными линзами и прослоями.

  Приготовление скрепляющего цементного раствора.

  Приготовление скрепляющего раствора производится в передвижном комплексе непосредственно перед нагнетанием его в грунтовый массив. Специальная комбинированная машина для производства и перекачки бетонов (растворов). Водоцементное соотношение инъекционного раствора для нагнетания В\Ц 1:1. Скрепляющий раствор готовится отдельными порциями. По мере его расходования готовится новый объем раствора. По мере выработки отдельных компонентов происходит дозаправка расходных емкостей. Подача скрепляющего цементного состава из стационарного инъекционного комплекса осуществляется по высоконапорным шлангам. После окончания нагнетания на каждом этапе работ, все оборудование, находящееся в соприкосновении со скрепляющим составом, промывается водой или продувается сжатым воздухом под давлением не менее 0,6 МПа.

  Предлагаемая шагающая установка спирального шнекового бурения KLB20-700, позволяет проводить бурение скважин для изготовления буронабивных свай.

  Буронабивные сваи – это пробуренные скважины в грунте, в которые могут опускаться различные типы металлокаркасов. В скважины под давлением закачивается бетон, песчано-цементная смесь или водоцементный раствор.

  CFA -это одна из самых прогрессивных технологий, которая значительно сокращает время обустройства буронабивной сваи, где бурение выполняется с помощью полых шнеков, в стержне которых располагается канал для подачи раствора внутрь скважины. Когда при бурении достигнута проектная глубина скважины, с помощью насоса в полость шнека нагнетается бетонная смесь. Она выдавливает заглушку, которая при бурении препятствует попаданию почвы в канал, и начинает заполнять скважину. Заполнение скважины бетоном сопровождается одновременным поднятием буровой колонны (с вращением либо без него), в результате чего происходит формирование столба буронабивной сваи. Бетонная смесь подается под давлением, она не только заполняет полость выемки, но и оказывает уплотняющее воздействие на стенки грунта, что в значительно увеличивает несущую способность почвы. Металлический армокаркас погружается в скважину посредством вибропогружателя.

  Буронабивные сваи – технология, используемая при возведении зданий и сооружений с глубокими фундаментами – многоэтажные промышленные и жилые здания, дорожные развязки, опоры под мосты, эстакады и др., когда существуют большие сосредоточенные горизонтальные и вертикальные нагрузки, а также со сложными условиями строительства.

  Буронабивные сваи устраивают без использования обсадных труб в маловлажных породах. В этом случае бурение можно осуществлять без крепления стенок скважин. В водонасыщенных породах устройство буронабивных свай проводят под защитой обсадных труб или полимерного или глинистого бурового раствора.

  Буронабивные сваи формируются из цемента, срок схватывания которого должен быть не менее 2 ч. Подвижность бетонной смеси обеспечивается подбором ее состава и введением в смесь поверхностно-активных пластифицирующих добавок.

  Преимущества использования буронабивных свай:

  • применение в сложных геологических условиях: малоустойчивый, обводненный грунт;
  • передача на буронабивные сваи больших нагрузок;
  • отсутствие сотрясений и вибраций в процессе установки свай;
  • использование в качестве оснований, а также прочных грунтов, залегающих на большой глубине.
  • Буронабивные сваи. Технология устройства
  • подготовительные работы на строительной площадке;
  • подготовка обсадных труб;
  • бурение скважин для свай;
  • установка арматурного каркаса;
  • установка бетонолитной трубы;
  • подача бетонной смеси;
  • извлечение секций обсадной трубы;
  • уплотнение бетонной смеси.

  Бурение каждой скважины должно начинаться после инструментальной проверки отметок спланированной поверхности земли и положения буронабивной сваи. Должна быть произведена геодезическая разбивка осей сооружения и надежное закрепление на местности положения рядов из буросекущихся свай с оформлением акта, к которому прилагаются схемы расположения знаков разбивки, данные о привязке к базисной линии и к высотной опорной сети.

  Бурение скважин выполняется с применением инвентарной обсадной трубы и режущего наконечника. В процессе бурения скважин совершаются непрерывные возвратно-вращательные движения обсадной трубы во избежание ее засасывания. По достижении забоем проектной отметки его тщательно зачищают от бурового шлама грейфером или ковшовым буром. При извлечении и демонтаже обсадных труб должно учитываться возможное понижение уровня бетона в скважине и опускание бетонолитной трубы, величина которого устанавливается опытным путем.

  В качестве оборудования для погружения обсадных труб и для бурения применяются бурильно-крановые машины, а поэтапный демонтаж секций обсадной трубы производится бурильно-крановой машиной по мере бетонирования свай.

  После завершения бурения скважины и ее зачистки производится установка арматурного каркаса сваи. Арматурные каркасы для буронабивных свай изготавливают обычно на специализированных участках с обязательной маркировкой. До погружения армокаркаса в скважину последнюю освидетельствуют в присутствии представителя проектной организации (авторского надзора) с составлением акта.

  Установка арматурного каркаса в скважину при отсутствии соответствующего паспорта (сертификата) к нему не допускается. Диаметр арматурного каркаса должен быть на 80-100 мм меньше внутреннего диаметра обсадной трубы во избежание заклинивания его в трубе.

  Способ строповки, подъем и опускание арматурного каркаса в скважину должны исключить появление в нем деформаций. Каркас опускается в положение, обеспечивающем его свободное прохождение в скважину.

  Заполнение скважины бетонной смесью начинается после зачистки забоя и проверки глубины скважины, но не позднее чем через 2 ч после окончания бурения. При более длительном перерыве производится повторная зачистка забоя.

  Для вертикального перемещения бетонной смеси в скважинах используется инвентарные трубы, состоящие из отдельных инвентарных секций длиной 2, 4, 6 м с быстроразъемными стыками. По мере заполнения скважины бетонной смесью бетонолитные трубы постепенно извлекаются на поверхность и поочередно удаляются верхние секции. Для подачи бетонной смеси в трубу часто используют приемный бункер, патрубок которого болтами соединяется с секциями бетонолитной трубы.

  Укладка бетонной смеси в скважину производится методом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ). Установка бетонолитной трубы в скважину перед бетонированием производится так, чтобы ее нижний конец был расположен выше забоя скважины на 200-250 мм (начальное положение). Нижнее звено бетонолитной трубы в процессе укладки бетонной смеси должно быть постоянно заглублено в восходящую смесь не менее 2000 м. Перерывы в бетонировании не допускаются.

  Время начала и конца бетонирования фиксируется в соответствующем журнале работ. В течение всего процесса бетонирования колонне обсадных труб придается постоянное возвратно-вращательное движение (в пределах хода двойного качания хомута) во избежание ее засасывания. Бетонная смесь в пределах верхних 3 м сваи по окончании бетонирования тщательно уплотняется глубинным вибратором.

  Шагающая установка KLB20-700 имеет преимущество в более низкой стоимости, гибкость работы в различных условиях на не подготовленных грунтах за счет минимального удельного давления за счет больших опорных поверхностей , чем буровые установки других производителей на гусеничном шасси.

  Предлагаемая модель шагающего копра KLB20-700 сразу имеет в комплекте шнеки диаметром 500, 530 и 630мм. Длинной до 20м. (4шт по 5 метров).

  Бурильные шнеки изготовлены из высокопрочной стали.

  Шагающая установка KLB20-700 сконструирована наилучшим образом для максимального удобства в разборке, перевозке на трале с одного объекта на другой и обслуживании.

Усиление ремонт фундамента, цементация грунтов в Ростове-на-Дону | Услуги

ОПРЕДЕЛИМ ПРИЧИНЫ ДЕФОРМАЦИИ ЗДАНИЯ И УСТРАНИМ ИХ. 🏡
Выезд специалиста на Ваш объект БЕСПЛАТНЫЙ! ЗВОНИТЕ! 📞
Опыт работ более 10 лет, выполнено более 200 объектов.

Выполняем следующие работы:
✅ Усиление и ремонт старых и аварийных фундаментов;
✅ Ликвидация, инъецирование трещин в несущих стенах;
✅ Устранение просадки фундаментов и полов после замачивания;
✅ Усиление стен домов металлическими стяжками, обоймами;
✅ Гидроизоляция стен подвалов, устранение течей;
✅ Укрепление грунтов основания цементацией и силикатизацией;
✅ Уширение, увеличение глубины заложения фундаментов;
✅ Усиление заборов, гаражей, подпорных стен;
✅ Подводка буроинъекционных свай под фундамент;
✅ Обследование фундаментов и грунтов основания.
✅ Полусухая стяжка полов

Причиной появления деформаций зданий может являться недостаточная несущая способность грунтов. Для улучшения характеристик таких типов оснований применяется инъекционная цементация грунтов или другие методы усиления фундаментов.

Главные преимущества инъекционной цементации грунтов:
✅Простая технология производства работ;
✅Нет необходимости откапывать фундамент, отсутствие грязи;
✅Возможность выполнения работ в переувлажненных грунтах;
✅Применение метода для малоэтажных домов, коттеджей;
✅Технология работ в соответствии с нормативными документами СНиП;
✅Возможность оперативно повлиять на аварийную ситуацию в сжатые сроки.

Мы имеем значительный опыт цементации и силикатизации грунтов основания и владеем всей необходимой информацией об особенностях грунтов южных регионов России.

ЗВОНИТЕ, проведем консультацию и выполним предварительный расчёт стоимости усиления вашего дома. При заказе работ разработка проекта усиления бесплатно! 📝

Закрепление, усиление, укрепление, цементация, силикатизация, стабилизация, грунтов, фундаментов, основание, ремонт, фундамент, просадка, просадочные, просел, осадки, старый, грунт, инъекция, проект, геокомпозит, здание, дом, сооружение, коттедж, жидкое стекло, замена, подъем, обойма, устранение, ликвидация, трещин, инъекция, раствор, выпрямление, крен, торкретирование, гидроизоляция, склон, лёссовые, деформации, буроинъекционные, буровые, грунтовые, буронабивные, винтовые, сваи, закачка цемента, раствора, стены, диагностика, Ростов-на-Дону, Азов, Батайск, Новочеркасск, Таганрог, Краснодар, Волгоград, Ставрополь, ЮГ России, ЮФО.

Применение метода напорной цементации при усилении фундаментов в вытрамбованных котлованах Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.138.24

Шакиров И.Ф. – кандидат технических наук, доцент

E-mail: [email protected] ru

Гайфуллина В.А. – студент

E-mail: [email protected]

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зелёная, д. 1

Применение метода напорной цементации при усилении фундаментов в вытрамбованных котлованах

Аннотация

В статье освещены мероприятия и технические решения по усиления фундаментов в вытрамбованных котлованах пятиэтажного жилого дома по улице Татарстан г. Набережные Челны. Инженерно-геологические условия площадки жилого дома характеризуются неоднородностью и невыдержанностью по простиранию слоев грунта, а также негативным влиянием верховодки, образующейся за счет инфильтрации атмосферных осадков и утечек из подземных коммуникаций, на свойства глинистых грунтов. Из-за длительного замачивание грунтов основания, фундаменты получили значительные осадки и часть здания находится в аварийном состоянии. В связи с этим возникла необходимость в разработке мероприятий, исключающих дальнейшие деформации здания. В результате проведенных исследований был принят вариант укрепления грунтов основания фундаментов методом напорной цементации, определена схема укрепления, длина, шаг и количество цементационных скважин, была проведена оценка изменения характеристик грунтового основания после укрепления.

Ключевые слова: основание, фундамент в вытрамбованном котловане, напорная цементация, несущая способность, сжимаемость, осадки, грунтовые условия.

В семидесятые годы прошлого столетия в строительстве начали широко применять метод устройства фундаментов в вытрамбованных котлованах. Сущность этого метода состоит в том, что котлованы под отдельные фундаменты не отрываются, а вытрамбовываются на необходимую глубину с последующим заполнением бетоном. В результате вытрамбовывания под котлованом и вокруг него образуется уплотненная зона, в пределах которой повышается прочностные характеристики грунта, снижается сжимаемость, ликвидируются просадочные свойства грунтов.

Фундаменты в вытрамбованных котлованах достаточно часто применялись при возведении жилых домов в г. Набережные Челны, в том числе были использованы при строительстве пятиэтажного крупнопанельного жилого дома № 18/99 по ул. Татарстан. Вышеуказанный жилой дом был построен в начале 80-х годов прошлого столетия по проекту ЦНИИЭП жилища (г. Москва) [4]. В плане здание жилого дома имеет П-образное очертание, состоит из 38 типовых блок-секций серии 1-468 БНЧ. Конструктивная схема здания – перекрестно-стеновая с поперечными несущими стенами и продольными диафрагмами жесткости. Стеновые панели свободно опираются на верхний обрез отдельно стоящих фундаментов в вытрамбованных котлованах, которые представляют собой сваи пирамидальной формы с уширением в нижней части. Горизонтальное сечение свай шестигранное, с шириной грани в верхней части 50 см, длина свай составляет 2,6 м, глубина заложения в грунт – 2,0 м (от пола подвала), расчетная несущая способность – 120 тонн.

В соответствие с [4], вытрамбовывание котлована для устройства фундаментов производилось трамбовкой весом 5 т, падающей по направляющей штанге с высоты 5-6 м. После создания полости в грунте, в нижней части устраивалась уширение путем втрамбовывания щебня фракции 20-30 мм в два приема по 0,6 м3. Вытрамбованный котлован заполнялся бетоном марки М200, в верхней части фундамента устанавливались арматурные сетки. Согласно проекту, диаметр уширения под нижним концом сваи составляет 1200 мм.

Уже во время строительства начались деформации здания в зоне блок-секций 6А и 7А (подъезды 38 и 39 в осях 27-29), связанные со значительными просадками фундаментов. Было установлено, что причиной просадки фундаментов явилась прокладка ливневой канализации, проходящей через проезд дома в блок секции 6А. Глубина траншеи, откопанной для прокладки канализации, оказалась ниже подошвы фундаментов в вытрамбованных котлованах на 1,6 м, при этом канализация проходила на расстоянии 1,1 м от ближайшего ряда фундаментов. Поэтому часть фундаментов (свай) попала в откос этой траншеи и потеряла несущую способность из-за разуплотнения окружающего грунта. В связи с этим во время строительства было выполнено усиление просевших фундаментов монолитной плитой (балкой) шириной 1,0 м на дополнительных сваях.

В дальнейшем на этом же участке здания из-за неисправности инженерных сетей, расположенных в подвале, в течении длительного времени шло замачивание грунтов основания. При обследовании вышеуказанных блок-секций жилого дома в 2004 году было установлено, что супеси, залегающие в основании фундаментов, перешли из твердого в пластичное состояние с показателем текучести I = 0,75. Просадка свай к этому времени составила от 5 до 11 см [3].

Несущая способность фундамента в вытрамбованном котловане с уширенным основанием определяется как наименьшее из значений несущей способности:

– по жесткому материалу (щебню), втрамбованному в дно котлована;

– по грунту уплотненной зоны;

– по грунту, подстилающему уплотненную зону.

В рассматриваемом случае определяющим является несущая способность грунта подстилающего слоя, которая определяется по формуле СП 50-101-2004 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений»:

Р/3 = Тс + ёрпт (ус1/„ + ус &Е)]. (1)

Результаты расчетов по формуле (1) с учетом фактического состояния грунтов показывают, что несущая способность фундамента в вытрамбованном котловане на рассматриваемом участке здания составляет 89 т, что на 26 % ниже проектной. Осадка фундамента в вытрамбованном котловане, рассчитанная для фактического водонасыщенного состояния глинистых грунтов (без учета сжатия втрамбованного в дно котлована жесткого материала) составляет 13,2 см, что превышает допустимое значение осадки для зданий с несущими стенами из крупных панелей.

В связи с аварийным состоянием рассматриваемого участка жилого дома, в 2004 году было принято решение о выселении жильцов и выполнении реконструкции подъездов 38 и 39. Однако работы по реконструкции до 2016 года так и не были начаты. В 2015 году было проведено повторное обследование технического состояния здания, которое указало на продолжение осадки фундаментов и как следствие – деформаций здания. Согласно [3], разность осадок фундаментов на момент обследования здания на участке длиной 12 м составляет до 16 см. В рамках выполненного обследования рассматривались несколько вариантов по устранению аварийного состояния здания. По одному из вариантов было предложено полный демонтаж конструкций аварийной части здания, устройство дополнительных фундаментов и монтаж ранее демонтированных конструкций с заменой поврежденных элементов. Другой вариант предполагал усиление аварийных конструкций без демонтажа и укрепление грунтов основания.

Площадка, где расположен рассматриваемый жилой дом, находится в 51 микрорайоне г. Набережные Челны, на пересечении проспекта Сююмбике и улицы Татарстан. В геоморфологическом отношении участок расположен в пределах IV надпойменной аккумулятивной террасы левобережья реки Кама. Абсолютные отметки поверхности земли в пределах рассматриваемого участка составляют 97,5-98,0 м. Инженерно-геологические условия площадки характеризуются неоднородностью и невыдержанностью по простиранию слоев грунта.

Согласно инженерно-геологическим заключениям [1] и [2], на рассматриваемом участке в геолого-литологическом строении разреза принимают участие аллювиально-делювиальные отложения четвертичного возраста, представленные частым и

пространственно сложным чередованием суглинков, супесей и песков, перекрытые сверху современным техногенным слоем. В активной зоне основания здания залегают:

– техногенные насыпные грунты, состоящие из суглинков с прослойками супеси, с редким включением строительного мусора;

– супеси, от твердой до пластичной консистенции, в верхней части (до глубины 4,0 м) просадочные, мощностью до 3,3 м;

– суглинки от твердой до мягкопластичной консистенции;

– пески мелкие и пылеватые, средней плотности, маловлажные.

Рис. 1. Инженерно-геологический разрез

Гидрогеологические условия площадки характеризуются постоянным водоносным горизонтом на абсолютных отметках 82,00-84,00 м, т.е. на глубине 14-16 м от поверхности земли. В [1] указывается на неизбежность образования верховодки природно-техногенного происхождения верхней части разреза с последующим гравитационным отходом вниз, что является основным негативным фактором, ухудшающим состояние и свойства грунтов. Также к негативным факторам можно отнести очень быструю размокаемость супесей и суглинков и резкое ухудшение свойств глинистых грунтов активной зоны основания при водонасыщении верховодкой.

После анализа грунтовых условий площадки, состояния строительных конструкций и фундаментов в вытрамбованных котлованах, было принято решение об усилении фундаментов без демонтажа надземных конструкций здания. Для увеличения несущей способности фундаментов в вытрамбованных котлованах и уменьшения сжимаемости грунтов был предложен метод напорной цементации. Метод основан на управляемом инъектировании под давлением твердеющего раствора расчетного объема по определенной технологической схеме. Цементный раствор, нагнетаемый под давлением до 2 МПа, улучшает характеристики вмещающих грунтов, как за счет уплотнения, так и за счет образования в грунте армирующих элементов из затвердевшего цементного раствора. При этом цементный раствор при инъекции под давлением в первую очередь усиливает наиболее слабые зоны массива.

По предложенным техническим решениям, укрепление грунтов основания выполняется по манжетной технологии путем нагнетания цементного раствора через специальные инъекторы, изготовленные из стальных труб диаметром 57 мм. Инъекторы устанавливаются в пробуренные вплотную к фундаменту в вытрамбованном котловане наклонные скважины диаметром 80 мм, пространство между инъектором и стенкой скважины заполняется обойменным раствором. В качестве инъекционного раствора используется цементный раствор с водоцементным отношением 0,5 с добавлением суперпластификатора С-3. В зависимости от места расположения, вокруг каждого усиливаемого фундамента запроектированы четыре или шесть инъекционных скважин,

отличающиеся друг от друга глубиной и углом наклона. Длина инъектируемой части скважин составляет от 5,0 до 7,0 м, угол наклона – от 70 до 30°. Инъекция раствора в грунт производится отдельными зонами высотой не более 1 м восходящим способом, нагнетание проектного количества раствора в каждый инъектор выполняется не менее трех раз с перерывами на 24 часа.

Рис. 2. Схема расположения инъекционных скважин

При разработке технических решений по укреплению грунтов основания фундаментов в вытрамбованных котлованах, а также для оценки изменения характеристик грунтов после укрепления были использованы результаты экспериментальных исследований, проведенных в лаборатории кафедры «Основания, фундаменты, динамика сооружений и инженерная геология» КГАСУ.

Рис. 3. Схема усиления фундамента в вытрамбованном котловане

Массив грунта после напорной инъекции цементного раствора и образования в нем грунтоцементного элемента можно рассматривать как сложную композитную систему, состоящую из жесткого армирующего элемента, области уплотненного грунта вокруг этого элемента и области неуплотненного грунта. Согласно результатам экспериментальных

исследовании, геометрические размеры этих компонентов можно установить исходя из объема инъецируемого раствора и первоначальной пористости грунта, при этом диаметр уплотненной зоны зависит от диаметра грунтоцементного элемента. Из теории композитных систем следует, что обобщающие характеристики системы определяются в зависимости от соответствующих характеристик и соотношения площадей (объемов) отдельных элементов системы. Поэтому модуль деформации укрепленного массива грунта под фундаментом в вытрамбованном котловане можно определить по формуле:

Е ■ А + Е ■ А + Е ■ (А – А – А )

77 g g с с о V я g с/

Е = А ‘ <2)

где Е^ Ес, Ео – модули деформации соответственно грунтоцементного элемента, уплотненной зоны грунта и неуплотненного грунта;

А^ Ас, А. – площади поперечного сечения соответственно грунтоцементного элемента, уплотненной зоны грунта и уширения фундамента в вытрамбованном котловане.

В расчетах модуль деформации грунтоцементного элемента был принят равным 100 МПа. Характеристики грунта в зоне уплотнения вычисляются исходя от первоначальных характеристик грунта и объема инъектируемого цементного раствора. Раствор при инъекции под давлением сжимает грунт, пористость грунта при этом уменьшается. Непосредственно в укрепляемой зоне грунта под фундаментом остается только часть инъекционного раствора, другая часть раствора распространяется по образовавшимся трещинам и слабым прослоям грунта за пределы укрепляемой зоны. Поэтому и в сжатии грунта в рассматриваемой зоне участвует только часть раствора. Доля затвердевшего цементного раствора в массиве грунта под фундаментом определяется на основании экспериментальных данных, с учетом всех потерь.

Коэффициент пористости уплотненного при нагнетании цементного раствора грунта ес можно вычислить исходя из доли затвердевшего раствора в массиве укрепляемого грунта ка:

ес = ео – ка (1 + е0). (3)

Принимая зависимость модуля деформации от коэффициента пористости в виде экспоненциальной кривой, модуль деформации уплотненного грунта определяется по формуле:

Ес = Ео ■ ехр[кп • ка(1 + ео)], (4)

где кп – поправочный коэффициент, зависящий от деформируемости конкретного грунта.

Рис. 4. График зависимости модуля деформации от коэффициента пористости грунта

На основании результатов вычислений с использованием формулы (2) можно сделать вывод, что при реализации предложенных мероприятий по укреплению грунтов модуль деформации пластичных супесей под фундаментами увеличится в два раза (с учетом армирующих элементов). Значительное уменьшение сжимаемости грунтов основания позволяет исключить дальнейшие деформации здания на аварийном участке. Качество выполняемых работ предлагается проверить путем проведения штамповых испытаний укрепленного массива грунта. При выполнении работ по укреплению грунтов необходимо вести наблюдение за деформациями конструкций здания, а после завершения работ по усилению фундаментов проводить мониторинг технического состояния здания.

Заключение

1. Разработаны технические решения по укреплению грунтов основания фундаментов в вытрамбованных котлованах с применением метода напорной цементации.

2. Выполнена оценка характеристик сжимаемости грунта, прогнозируемых после проведения работ по укреплению. Согласно проведенным расчетам, при предложенных технологических параметрах выполнения работ, укрепление грунтов позволяет увеличить модуль деформации массива грунта в два раза.

3. Для оценки эффективности принятых технических решений, после выполнения работ по укреплению грунтов и восстановления надземных конструкций необходимо установить мониторинг за состоянием здания.

Список библиографических ссылок

1. Инженерно-геологические условия площадки реконструкции подъездов № 38 и № 39 дома 51/01 г. Набережные Челны РТ, ОАО КамТИСИЗ. – Набережные Челны, 2006.

2. Инженерно-геологическое заключение по объекту: «Жилой дом по ул. Татарстан, 18/99, г. Набережные Челны, в районе подъездов № 38, № 39», ООО «РЕАЛ». -Набережные Челны, 2015.

3. Техническое заключение по результатам обследования строительных конструкций подъездов № 38 и № 39 жилого дома 51/01, расположенного по адресу: РТ, г. Набережные Челны, ООО «Каммонтаж». – Набережные Челны, 2015.

4. Проект привязки крупнопанельного 5-этажного жилого комплекса из блок-секций серии 1-468 БНЧ для строительства в микрорайоне 51, г. Набережные Челны, ЦНИИЭН жилища. – М., 1980.

5. Шакиров И.Ф., Тюркин С.И. Исследование несущей способности висячих свай в массиве грунта, укрепленного напорной цементацией. // Перспективные направления развития теории и практики в реологии и механике грунтов. XIV Международный симпозиум по реологии грунтов. – Казань: КГАСУ, 2014. – С. 75-80.

6. Шакиров И.Ф., Гарифуллин Д.Р. Исследование несущей способности и деформаций песчаных грунтов, укрепленных напорной цементацией // Известия КГАСУ, 2015, № 4 (34). – С. 200-205.

7. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Прогнозирование деформаций оснований фундаментов с учетом длительного нелинейного деформирования грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов, 2011, № 4. – С. 16-23.

8. Mirsayapov 1.Т., Koroleva I.V. Bearing capacity and deformation of the base of deep foundations’ ground bases // Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground: Proc. intern. symp., Seoul, Korea, 25-27 August 2014. – Lieden: Balkema, 2014. – P. 401-404.

Shakirov I.F. – candidate of technical sciences, associate professor E-mail: [email protected] ru Gaifullina V.A. – student E-mail: [email protected]

Kazan State University of Architecture and Engineering

The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaya st., 1

Foundations strengthening by pressure cementation method in the rammed pits Resume

Due to the ground base property deterioration because of the long soaking, foundations in rammed pits of an apartment building on the Tatarstan street in the city of Naberezhnye Chelny received a significant settlement. Therefore, part of the building is currently in critical condition. Based on the engineering geological conditions of the site and the building condition analysis developed a technical solution for foundations strengthening. For ground base strengthening

proposes a variant of the pressure cementation method, defined technological parameters to perform injection works.

In the process of cement mortar injecting into the ground under the base pressure, the mortar enters into the weakest area of the array and creates a rigid reinforcing element from solidified mortar. Ground array after strengthening can be considered as a complex composite system, consisting of rigid reinforcing elements, compacted ground regions around these elements and uncompacted ground regions. The authors performed the evaluation of the ground compressibility characteristics, predicted after strengthening works, at the same time were used the results of experimental researches. According to calculations, the grounds strengthening can significantly increase the ground array deformation module and avoid further deformation of the building.

Keywords: ground base, foundation in the rammed pit, the pressure cementation, bearing capacity, compressibility, settlement, ground conditions.

Reference list

1. Engineering geological conditions of the reconstruction site in entrances № 38 and № 39 of house № 51/01 Naberezhnye Chelny city, Tatarstan, JSC «KamTISIZ». – Naberezhnye Chelny, 2006.

2. Engineering-geological report about the project: «Apartment building on the street Tatarstan, 18/99, Naberezhnye Chelny, in the site of entrances № 38, № 39», Ltd «REAL». – Naberezhnye Chelny, 2015.

3. Technical report by the survey results of a building structures and entrances № 38, № 39 in apartment building №51/01, located at Tatarstan, Naberezhnye Chelny city, Ltd «Kammontazh». – Naberezhnye Chelny, 2015.

4. The reference design of large 5-storey apartment complex block-sections 1-468 series BNCH for construction in the district 51, Naberezhnye Chelny, TSNIIEN homes. – M., 1980.

5. Shakirov I.F., Tyurkin S.I. Researches of bearing capacity of hanging piles in the array of soil, reinforced by pressure cementation. // Perspective directions of development in theory and practice of rheology and soil mechanics. XIV International Symposium on the rheology of soils. – Kazan: KGASU, 2014. – P. 75-80.

6. Shakirov I.F., Garifullin D.R. The research of bearing capacity and deformation of sandy ground, reinforced by pressure cementation // Izvestiya KGASU, 2015, № 4 (34). – P. 200-205.

7. Mirsayapov IX, Koroleva I.V. Prediction of deformation of the foundation with the long-term non-linear deformation of soil // Osnovaniya, Fundamenty i Mekhanika Gruntov, 2011, № 4. – P. 16-23.

8. Mirsayapov IX, Koroleva I.V. Bearing capacity and deformation of the base of deep foundations ground bases // Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground: Proc. intern. symp., Seoul, Korea, 25-27 August 2014. – Lieden: Balkema, 2014. – P. 401-404.

Цементация грунтов в Ростове-на-Дону – компания ЭкоСистема

Человек в своей современной хозяйственной деятельности достаточно часто сталкивается с проблемами, решение которых требует от него реализации тех или иных действий. В области технической мелиорации, к примеру, одним из таковых видов активности может считаться цементация грунтов. По сути это технология, позволяющая решать следующие задачи:

                 
  • повышение уровня водонепроницаемости и монолитности каменной и бетонной кладки;
  • упрочнение оснований различных построек и сооружений;
  • придание свойств водонепроницаемости для пород, остающихся на стенах тоннельных и шахтных выработок;
  • формирование антифильтрационных завес.


В целом же всё выше сказанное на самом деле может быть выражено одной единственной целью цементации – недопущением проникновения влаги к определённым слоям почвы или к тем или иным, предварительно освобождённым в ней же, пространствам (ко всё тем же выработкам, к примеру).

Применения цементации при различных видах грунтов

В то же самое время следует отметить, что подобного объединяющего начала не имеется у различных путей проведения такого процесса. Технологии цементации разнятся, причём достаточно радикально, в зависимости от того, к каким типам грунтов их предполагается применять. Например, если дело приходится иметь со скальными породами или с песчано-гравелистыми почвами, то наиболее оптимальным вариантом является реализация так называемых инъекционных мероприятий, выражающихся в нагнетании вяжущих растворов на заданную глубину под давлением от 3-х до 70-ти атмосфер посредством специализированной системы ранее установленных скважин. В качестве основного сырья для цементации в данном случае используется самый обычный цементный раствор. Причём соотношение воды и самого цемента в нём может составлять пропорции в диапазоне от 2/1 до 10/1.

В некоторых случаях возникает необходимость в обеспечении определённой подвижности цементно-глинистых и исключительно цементных растворов. Такого результата можно добиться посредством добавления в рабочую смесь сульфитно-спиртовой барды в объёмах от 0,01 до 0,25% по отношению к количественному содержанию цемента. Имеется также возможность регулирования процессов схватывания смеси и увеличения при этом уровня прочности образуемого камня. Для этого нужно добавить соединения кальция и хлора в количествах, варьирующихся от 1% до 5% относительно общей цементной массы.

В то же самое время работать иногда приходится с кавернозными грунтами. В такой ситуации в качестве основных видов добавок следует использовать так называемые «отощающие» вещества, а именно, золы, песок и шлаки.

К сожалению, следует отметить тот факт, что цементацию практически невозможно проводить на песках, глинах и плывунах. Данный процесс также не представляется возможным там, где скорость распространения почвенных вод превышает 300 метров за 1 сутки, а удельное водопоглощениесоставляет менее чем половину литра за минуту.

(видео “Технология струйной цементации грунтов”)

 

Сырьё для цементации

Важным моментом также является соответствие материалов, используемых при цементации, ГОСТам, устанавливаемым для данного процесса. Основными можно считать выше упомянутые цементные смеси. Хотя стоит отметить и то, что вполне допустимо применение прочих скрепляющих растворов. К примеру, выше уже упомянутый инъекционный способ проведения работ предполагает возможность скрепления почв посредством введения в них смесей, формируемых на основе карбамидных смол (смолизация) и силиката натрия (так называемая силикатизация). Все необходимые параметры закрепления при этом рассчитываются при проектировании, благодаря использованию инженерно-геологических исследований.

Последовательность работ при цементации

Равно как и любой другой процесс, цементация грунтов предполагает определённую последовательность проведения связанных с ней мероприятий. Во-первых, выкапываются скважины, диаметр которых может варьироваться в пределах от 112 до 132 мм. Далее осуществляется подъём буровых колонн, одновременно вращающихся вокруг своей оси. При этом в образованную ими пустоту под давлением заливается цементный раствор. Наконец, устанавливаются незатвердевшие грунтобетонные колонны армирующих элементов.

Преимущества проведения процессов цементации

Всё только что сказанное хорошо уже само по себе. Однако никакой здравомыслящий человек не станет чем-либо заниматься до тех пор, пока не увидит очевидных предполагаемых преимуществ от собственной деятельности. Среди основных положительных моментов цементации можно выделить следующие:

  • для цементации грунта достаточно проведения буровых работ с малыми диаметрами захвата породы, что, конечно же, существенно сокращает все виды затрат на их проведение;
  • цементацию можно проводить в самых что ни на есть стеснённых условиях;
  • допускается возможность реализации всего задуманного при полном отсутствии каких-либо физических воздействий на рабочий инструмент;
  • конструкции, монтируемые для ограждения рабочих зон при цементации, должны быть способными выдерживать существенные вертикальные и горизонтальные нагрузки;
  • эти же самые конструкции демонстрируют способность выполнения роли противофильтрационных завесов.

Схематическое изображение процессов цементации на примере укрепления шахтных выработок

В целях повышения качества усвоения того, чем же на самом деле представляется процесс цементации грунтов, предъявим схематическое изображение одного из его проявлений, осуществляемых для шахтных выработок при проходке ствола шахты (смотри рисунки 1-А и 1-Б – Схематическое изображение цементации грунтов при проходке ствола шахты с поверхности (А) или из ранее образованного забоя (Б)).

Основными элементами, помеченными цифрами на данном рисунке, являются: 1- контур шахтного ствола; 2 – скважина для осуществления процесса цементации грунтов; 3 – агрегат, приспособленный для замешивания растворов необходимой консистенции; 4 – насос для раствора; 5 – трубопровод, предназначаемый для подачи цемента; 6 – перемычка тампонная; 7 – трубопровод, используемый при циркуляционном способе нагнетания раствора (обратный трубопровод).

Усиление фундаментов цементацией технология ☛ Советы Строителей На DomoStr0y.ru

Содержание

Цементация фундамента – это инъекция цементным раствором, который вводится в пустоты основания. Состав инъекции определяется пропорциями стройматериалов и их составом в растворе – стандартно для строительства фундаментов используется цементно-песчаный или бетонитовый раствор. В пробуренные заранее в рассчитанных местах отверстия смесь закачивается под определенным давлением, и этот процесс называется усиление фундаментов цементацией. Кроме расчета месторасположения поврежденных участков, рассчитывается и требуемое число цементных инъекций, в результате действия которых фундамент становится более прочным, а за счет заполнения всех пустот раствором конструкция превращается в монолит.

Усиление основания инъекционным методом

Цель проведения инъекций – укрепление основания, которое, как известно, держит на себе все здание, и от прочности и надежности этой конструкции зависит длительность эксплуатации жилого дома или другого строительного объекта. Ошибки, допущенные в расчетах фундамента, при выборе его типа или при использовании стройматериалов, могут вылиться в разрушение или деформации основания и стен дома, которые в ряде случаев можно исправить цементацией. Не для всех разрушений или деформаций необходимо проводить укрепление инъекционным методом – зачастую, проверив трещины на расширение, достаточно сделать обычный косметический ремонт поверхности – замазать трещины цементно-песчаным раствором.

Но, если трещины продолжают расширяться, то необходимы более радикальные меры, и одна из них — усиление грунтов основания фундаментов методом цементации. Почему мы говорим «усиление грунтов»? Потому что эта методика превосходно подойдет не только для ремонта и укрепления основания, но и для усиления грунта под подошвой фундаментной конструкции.

Методы усиления

Схема усиления фундамента цементацией

Из наиболее надежных и популярных технологий усиления оснований можно перечислить такие:

  • Укрепление торкрет-бетоном – применение этого способа основано на покрытии ремонтируемой поверхности раствором, подающимся под большим давлением. Такой метод ремонта используется главным образом при укреплении кирпичных и бутовых фундаментов. Основные рабочие процессы: На глубину заложения фундамента роется шурф шириной 1,5-2 м, чтобы можно было опустить в него специальное оборудование (пушку), и нанести бетонную смесь,
  • Уширение подошвы также делается освобождением фундамента от наружного слоя грунта, после чего к старому основанию сваркой крепится арматура, которая одним концом вбивается в фундамент, а другим заводится в опалубку, заливаемую бетонным раствором,
  • Укрепление фундамента обустройством железобетонной рубашки. Процесс заключается в заливке бетона, который нужно доставить в траншею, прокопанную по всему периметру основания и укрепленную армирующим каркасом. Бетон заливается в дощатую опалубку,
  • Усиление сваями – на ослабленных разрушением участках бурятся наклонные скважины, в отверстиях связывается армокаркас, бетон в скважины подается под давлением,
  • Технология усиления основания цементацией: при первых признаках деформации или разрушения фундамента на разрушенных участках в грунте роются или бурятся скважины. Бетонным раствором пир помощи специальных инъекторов через скважины в фундаменте или в грунте заливают все пустоты.

Из всех вышеперечисленных методик цементация представляется простейшим и дешевым способом усиления фундамента дома. Кроме того, инъекции могут применяться к разным типам оснований: к ленточному или плитному фундаменту, к свайному или столбчатому, и делать это можно как для крупных мощных сооружений, так и для частных строений.

Укрепление буроинъекционными сваями

Принципы технологии цементации

Песок для раствора, которым проводится цементация фундамента, должен быть мелким, среднефракционным или бентонитовым. Это будет зависеть от состава стройматериалов основания. Цементация (инъекция) делается таким образом: сначала под участок с разрушениями под углом подводится (бурится) скважина (в случае необходимости усиления грунта), или скважина бурится прямо в фундаменте, а затем в нее под давлением закачивается бетон. Сложность осуществления этого способа в индивидуальном строительстве заключается в том, что трудно создать высокое давление в трубах в домашних условиях – для этого нужен специальный насос. Упростить инъецирование можно расширением скважины и использованием недорогого центробежного насоса. При правильно рассчитанном количестве цементных «уколов» фундамент снова станет прочной монолитной конструкцией.

Схема цементации

Подробнее о способах цементации:

  • Вводить жидкий цементно-песчаный раствор можно в наклонно пробуренную скважину в теле основания, которая заканчивается на глубине, не превышающей глубины заложения подошвы на 0,3 метра. То есть, нужно, чтобы отверстие не доставало до подошвы 30 см,
  • Второй способ заключается в том, что скважина должна проходить через фундамент насквозь, с заглублением ниже подошвы на 0,5 метра. Таким образом, все пустоты под подошвой будут заполнены раствором, что увеличит несущую способность фундамента и увеличит общую площадь подошвы.

Процесс цементации

  • Первый шаг в реализации технологии инъецирования фундамента – бурение скважин (шурфов) на глубину, меньшую, чем заложение подошвы, сечением 100 х 100 см. Скважины рекомендуется бурить со сдвигом, в шахматном порядке. Если есть технологическая возможность, то и внутри дома также нужно пробурить несколько скважин. Все отверстия бурятся не рандомно, а в местах с наибольшими разрушениями. Визуально разрушения видны как трещины и осыпания штукатурки на стенах фундамента и самого здания. На рисунке ниже видны варианты типа трещин и их месторасположения, по которому можно определить причины их возникновения,
  • Затем на расстоянии 25-50 см в основании под углом бурятся шурфы Ø 40-120 мм. Глубина шурфа указана в пункте №1 «о способах цементации»,
  • Если ремонт фундамента проводит строительная бригада, то раствор подается под давлением при помощи специального оборудования. При самостоятельном решении проблемы придется использовать любой подходящий насос,
  • Как приготовить правильный раствор для цементации основания дома: сначала замешивается тощий (очень жидкий) раствор с соотношением вода-цемент 0,9-1. В течение 10-15 минут эту смесь необходимо в скважину с минимальным давлением 0,2 Мпа (можно больше, но не меньше). Подача смеси происходит, пока впитывание раствора не замедлится до 3,5-4 л/мин. Последующие порции цементной смеси делают гуще – с соотношением вода-цемент 0,7-1. Все порции закачивают полностью, с поддержкой такого же уровня давления, пока раствор не станет поглощаться со скоростью 5 л/мин.
  • Через 48 часов ремонтируемый участок можно считать готовым к эксплуатации.

Технология цементации фундамента пошагово

В первом варианте (см. рисунок) появление трещин может быть обязано с:

  • просадкой грунтов основания от замачивания,
  • слабым основанием под левой частью здания,
  • высоким УГВ и вымыванием грунта с образованием карстовых пустот,
  • изменение состава бетона,
  • разработка траншей или котлована в непосредственной близости от фундамента дома.

Во втором варианте (см. рисунок) появление трещин может быть обязано с:

  • слабым основанием в средней части дома,
  • неравномерной осадкой дома ввиду разнородного состава грунта,
  • высоким УГВ (уровень грунтовых вод) и вымыванием грунта под средней частью фундамента.

В третьем варианте (см. рисунок) появление трещин может быть обязано с:

  • просадкой грунтов основания от замачивания,
  • слабым основанием под пробой и левой частью здания,
  • высоким УГВ и вымыванием грунта с образованием карстовых пустот,
  • изменение состава бетона,
  • разработка траншей или котлована в непосредственной близости от фундамента дома.

Варианты цементации

Исследования грунта и рельефа местности поможет выяснить причины разрушений. Это может также быть ошибочный расчет и монтаж дренажа, слишком близко находящиеся искусственные или естественные водоемы, насыпной грунт на участке, и т.д.

Причины разрушения фундамента

Основными считаются причины разрушения, связанные с неравномерными нагрузками на грунт под фундаментом, сезонные изменения в структуре грунта, или ошибочные расчеты при строительстве фундамента. Цементация основания методом инъекций в этих случаях – наиболее эффективная и простая технология ремонта, позволяющая восстановить основание полностью.

Перед проведение работ по усилению основания дома следует проконтролировать, расширяются ли дальше трещины на стенах. Делается это при помощи гипсовых маркеров или специальных мерных линеек. При увеличении трещин следует выяснить, не является ли это следствием усадки дома, чтобы не ошибиться в расчетах методов укрепления основания. Цементация сработает только тогда, когда все причины будут устранены.

Тип и визуальное проявление разрушенийПричины разрушений
Усадка дома посередине
  • Ослабленный или слабый фундамент в средней части дома,
  • Усадка фундамента,
  • Полости с воздухом в фундаменте.
Усадка здания по углам
  • Ослабленный или слабый фундамент по углам здания,
  • Неравномерная усадка почвы,
  • Карстовые пустоты,
  • Сторонняя траншея или котлован рядом с фундаментом,
  • Подтопление подвального помещения.
Деформирование стен дома
  • Давление на фундамент от растяжек, которые могут быть закреплены на здании,

(PDF) Повышение прочности почвы за счет микробной цементации

Повышение прочности почвы за счет микробной цементации

YASIN DURSUN SARI

Кафедра гражданского строительства, факультет инженерии и архитектуры, Стамбульский университет Гелисим, Стамбул, Турция

Получено 17 июля 2014 г., принято 6 августа 2014 г.

В данном исследовании был использован метод биологически индуцированной цементации (BioGrout) для улучшения инженерных свойств почвы.

Лабораторные испытания были проведены для количественной оценки влияния обработки BioGrout на прочность двух типов песка с использованием

бактерий Sporosarcina pasteurii.Также были изучены несущая способность и другие параметры, такие как единицы образования колоний (количество бактерий), уровень pH

, температура и количество CaCO

3

. Кальцификация (цементация) в результате осаждения CaCO

3

на минеральных поверхностях четко наблюдалась на изображениях, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM). Наконец, влияние песчаного материала

на эффективность биоцементации было исследовано с использованием различных типов песка.

Ключевые слова: биоцементация, BioGrout, Sporosarcina pasteurii, прочность почвы

Введение

Микробная активность играет важную роль в формировании

карбонатных отложений почвы. Цементация, вызванная микробами

, представляет собой осаждение CaCO

3

, которое сопровождается

биологическими процессами в большей части природы. Микробы из

почв и водных сред вызывают осаждение CaCO

3

(Lian

et al.2006 г.).

Метод микробной цементации – это использование

бактерий с питательными веществами в качестве источника энергии. Бактерии имеют

круглую, палочковидную или спиралевидную форму без мембраны –

заключенное ядро ​​с простой клеточной структурой. Размеры

варьируются от 0,5 до 3 мм (Mitchell and Santamarina 2005). Клетка

для роста и размножения бактерий нужен углерод для образования

молекулы в клетках и энергия для поддержания жизни. Бактерии

живут в аэробных и анаэробных средах и являются гетеро-

трофическими.Аэробные бактерии живут в среде со свободным или

растворенным кислородом, в отличие от анаэробных бактерий. Полупроницаемая клеточная мембрана

контролирует перенос химикатов

и электрические заряды внутрь и наружу. Осадки

углекислого газа на поверхности бактерий варьируются от

до

глины и гравия.

В последние годы многие исследователи использовали метод индуцированной микробиологической цементации

для улучшения инженерных свойств почвы

(т.е.е., прочность, непроницаемость). Успешные результаты

этого нового метода побудили исследователей

изучить доступность этого метода в различных областях

(Мартин и др., 1996; Деннис и Тернер, 1989; Секи

,

и др., 1998; ДеДжонг и др. 2006; Perkins et al. 2000; Ghosh

et al. 2005; Tittelboom et al. 2010; Whiffn 2004).

В результате биоцементации, внесенной бактериями и

реагентов для цементирования в почву, прочность почвы может быть улучшена на

за счет образования частиц почвы в связки кальцита

.Уреазоположительные бактерии широко распространены в среде

; в результате обработка почвы на месте, вероятно, не требует внесения чужеродных уреолитических бактерий.

Нативные уреолитические бактерии могут быть воспроизведены с помощью инъекций питательных веществ

до тех пор, пока их рост не достигнет желаемой концентрации

(Wei-Soon et al. 2012).

Целью данного исследования было изучение свойств

микробиологически обработанного рыхлого песка.Также были изучены количество и последовательность

влияний питательных веществ и уровня pH. Определено количество воспроизводимых бактерий

, уровень pH, температура и количество

СаСО

3

. Осаждение карбоната кальция

было обнаружено с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM)

и измерено методом титрования EDTA.

Кальцит Осадки

Питательные вещества, вода, pH, температура, представление

органических загрязнителей и тяжелых металлов, объем твердых веществ,

концентрация растворенного органического углерода и концентрация ионов кальция

являются факторами. влияет на рост

бактерий и осаждение CaCO

3

(Tittelboom

et al.2010; Митчелл и Сантамарина 2005; ДеДжонг и др.

2006; 2010). Stocks-Fisher et al. (1999) заявили, что осаждение карбоната кальция

достигло пика при уровне pH

8. Nemati и Voordouw (2003) заявили, что при более низкой концентрации фермента

(0,03 г = 1) увеличивается температуры

от 20 до 50 ° C улучшилось осаждение CaCO

3

. Это

можно резюмировать, что кальцит = CaCO

3

процесс осаждения

зависит в основном от четырех элементов: –

центрирование; концентрация растворенного неорганического углерода; pH;

и наличие сайтов зародышеобразования.Кроме того, условия окружающей среды, такие как соленость, температура и питательные вещества

, также влияют на осаждение кальцита, CaCO

3

.

Адресная переписка с Ясином Дурсун Сари, факультет

инженерии и архитектуры, Университет Гелисим, Авджылар,

Стамбул, Турция. E-mail: [email protected]

Цветные версии одного или нескольких рисунков из артикула

можно найти на сайте www.tandfonline.com / umgt.

Морские георесурсы и геотехнология, 33: 567–571

Авторские права # 2015 Taylor & Francis Group, LLC

ISSN: 1064-119X print / 1521-0618 online

DOI: 10.1080 / 1064119X.2014.953234

Загружено пользователем [ Китайская академия инженерной физики] на 06:19 18 января 2016

Основы стабилизации грунта | SpringerLink

  • 1.

    Das BM (2015) Принципы проектирования фундаментов. Cengage Learning, Бостон

    Google ученый

  • 2.

    Hausmann MR (1990) Инженерные принципы модификации грунта. McGraw-Hill, Maidenheach

    Google ученый

  • 3.

    Шервуд П. (1993) Стабилизация грунта цементом и известью. Лаборатория транспортных исследований, Колледж-Парк

    Google ученый

  • 4.

    Наейни С.А., Надериния Б., Изади Э. (2012) Прочность на сжатие без ограничения глинистых грунтов, стабилизированных полимером на водной основе.KSCE J Civ Eng 16 (6): 943–949

    Статья Google ученый

  • 5.

    Прусински Дж., Бхаттачарья С. (1999) Эффективность портландцемента и извести в стабилизации глинистых грунтов. Transp Res Rec J Transp Res Board 1652: 215–227

    Статья Google ученый

  • 6.

    McDowell C (1959) Стабилизация почв известью, известково-золой и другими материалами, реагирующими с известью. Highway Res Board Bull 231: 60–66

    Google ученый

  • 7.

    Puppala AJ, Hanchanloet S, Jadeja M, Burkart B (1999) Сульфат-индуцированная вертикальная волна: тематическое исследование. В: Proceedings, ежегодное собрание совета транспортных исследований, Вашингтон, округ Колумбия, США

  • 8.

    Saussaye L, Boutouil M, Baraud F, Leleyter L (2015) Влияние сульфатных и хлорид-ионов на геотехнические и микроструктурные свойства почв, обработанных гидравлические вяжущие: индивидуальные и сцепные эффекты. Eng Geol 189: 98–103

    Статья Google ученый

  • 9.

    Каминскас Р., Бараускас И. (2014) Влияние пуццолана на сульфатную атаку цементного камня под действием хлорид-ионов. Mater Struct 47 (11): 1901–1910

    Статья Google ученый

  • 10.

    Firoozi AA, Taha MR, Firoozi AA (2014) Нанотехнологии в гражданском строительстве. Электронный журнал Geotech Eng 19: 4673–4682

    Google ученый

  • 11.

    Фироози А.А., Таха М.Р., Фироози А.А., Хан Т.А. (2014) Оценка наноцеолита на свойствах почвы.Aust J Basic Appl Sci 8 (19): 292–295

    Google ученый

  • 12.

    Ван Л. (2002) Цементная стабилизация почв в присутствии сульфата. Докторская диссертация

  • 13.

    Литтл Д.Н., Наир С. (2009) Рекомендуемая практика для стабилизации грунтов земляного полотна и основных материалов. Национальная совместная программа исследования автомобильных дорог. Совет по исследованиям транспорта национальных академий

  • 14.

    Абу-Фарсах М., Дхакал С., Чен К. (2015) Лабораторные характеристики цементно обработанного / стабилизированного очень слабого грунта земляного полотна при циклической нагрузке.Найденные почвы 55 (3): 504–516

    Статья Google ученый

  • 15.

    Хан Т.А., Таха М.Р., Фироози А.А., Фироози А.А. (2015) Испытания на прочность обработанных ферментами смесей иллита и чернозема. В кн .: Труды института инженерно-строительной устойчивости, т. 169, нет. 5. Томас Телфорд Лтд., Вестминстер. pp 214–222

  • 16.

    Firoozi AA, Firoozi AA, Baghini MS (2017) Обзор физических и химических глинистых пород.J Civ Eng Urban 6 (4): 64–71

    Google ученый

  • 17.

    Chittoori BCS (2008) Влияние минералогии глины на долгосрочное воздействие химически обработанных экспансивных глин, докторская диссертация, Техасский университет в Арлингтоне

  • 18.

    Читтури, Британская Колумбия, Пуппала А.Дж., Вейрунгсикул Т., Хойос LR (2013) Экспериментальные исследования стабилизированных глин при различных циклах выщелачивания. J Geotech Geoenviron Eng 139 (10): 1665–1675

    Статья Google ученый

  • 19.

    Croft JB (1967) Влияние минералогического состава почвы на стабилизацию цемента. Геотехника 17 (2): 119–135

    Статья Google ученый

  • 20.

    Эстабраг А.Р., Бордбар А.Т., Джавади А.А. (2013) Исследование механического поведения композита волокно-глина с натуральным волокном. Geotech Geol Eng 31 (2): 501–510

    Статья Google ученый

  • 21.

    Anggraini V, Huat BBK, Asadi A, Nahazanan H (2014) Влияние кокосового волокна и извести на геотехнические свойства морской глинистой почвы.В: 7-й Международный конгресс по экологической геотехнике: iceg2014, инженеры, Австралия. стр. 1430

  • 22.

    Парсонс Р., Милберн Дж. (2003) Технические характеристики стабилизированных грунтов. Transp Res Rec J Transp Res Board 1837: 20–29

    Статья Google ученый

  • 23.

    Учикава Х. и Учида С. (1980, июль). Влияние пуццолана на гидратацию C 3 A. В материалах 7-го Международного конгресса по химии цемента, подтема IV, Париж, Франция, стр. 24–29

  • 24.

    Кезди А. (1979) Строительство стабилизированных грунтовых дорог в инженерно-геологических изысканиях. Эльзевир, Лондон

    Google ученый

  • 25.

    Дэн С.П., Табатабай М.А. (1997) Влияние обработки почвы и обработки пожнивных остатков на активность ферментов в почвах: III. Фосфатазы и арилсульфатаза. Biol Fertil Soils 24 (2): 141–146

    Статья Google ученый

  • 26.

    Джонс Л.Д., Джефферсон И. (2012) Экспансивные почвы.ICE Publishing, Лондон, стр. 413–441

    Google ученый

  • 27.

    Аль-Равас А.А., Хаго А.В., Аль-Сарми Х. (2005) Влияние извести, цемента и саруджа (искусственного пуццолана) на потенциал набухания обширной почвы из Омана. Build Environ 40 (5): 681–687

    Статья Google ученый

  • 28.

    Firoozi AA, Taha MR, Firoozi AA (2014) Анализ несущей способности двух- и трехслойного грунта.Электронный журнал Geotech Eng 19: 4683–4692

    Google ученый

  • 29.

    Макуса Г.П. (2012) Методы и материалы стабилизации грунтов в инженерной практике. Технологический университет Лулео, Лулео

    Google ученый

  • 30.

    Sirivitmaitrie C, Puppala A, Saride S, Hoyos L (2011) Комбинированная известково-цементная стабилизация для увеличения срока службы дорог с низкой интенсивностью движения. Transp Res Rec J Transp Res Board 2204: 140–147

    Статья Google ученый

  • 31.

    Ronoh V, Too JK, Kaluli JW, Victor MR (2014) Влияние цемента на физические свойства расширяющегося глинистого грунта и прочность на сжатие сжатых взаимосвязанных глиняных блоков. Eur Int J Sci Technol 3 (8): 74–82

    Google ученый

  • 32.

    Khemissa M, Mahamedi A (2014) Стабилизация цементно-известковой смесью расширительного слоя поверх консолидированной глины. Appl Clay Sci 95: 104–110

    Статья Google ученый

  • 33.

    Pedarla A, Chittoori S, Puppala A (2011) Влияние минералогии и индекса пластичности на эффективность стабилизации экспансивных глин. Transp Res Rec J Transp Res Board 2212: 91–99

    Статья Google ученый

  • 34.

    Исмаил А., Багини М.С., Карим М.Р., Шокри Ф., Аль-Мансоб Р.А., Фирузи А.А., Фирузи А.А. (2014) Лабораторные исследования прочностных характеристик цементно-обработанного основания. В кн .: Прикладная механика и материалы, т. 507.Публикации Trans Tech, Цюрих. pp 353–360

  • 35.

    Bell FG (1996) Известковая стабилизация глинистых минералов и почв. Eng Geol 42 (4): 223–237

    Статья Google ученый

  • 36.

    Тедеско Д.В. (2006) Гидромеханическое поведение известково-стабилизированных грунтов, Докторская диссертация, Ph.D. диссертация, Universit degli Studi di Cassino Facoltà di Ingegneria

  • 37.

    Louafi B, Hadef B, Bahar R (2015) Улучшение геотехнических характеристик глинистых грунтов с использованием извести.In: Advanced Materials Research, vol 1105. Trans Tech Publications, Zürich. pp 315–319

  • 38.

    Pei X, Zhang F, Wu W, Liang S (2015) Физико-химические и индексные свойства лесса, стабилизированного известью и кучей летучей золы. Appl Clay Sci 114: 77–84

    Статья Google ученый

  • 39.

    Юнг С., Бобет А. (2008) Оценка обработанных известью почв после строительства. https://doi.org/10.5703/1288284313443

  • 40.

    Little DN (1999) Оценка структурных свойств грунтов и заполнителей, стабилизированных известью. Подготовлено для Национальной ассоциации извести, том 1, стр. 1–89

  • 41.

    Соланки П., Заман М., Дин Дж. (2010) Модуль упругости глиняных оснований, стабилизированных известью, летучей золой класса C и пылью цементных печей для конструкция дорожного покрытия. Transp Res Rec J Transp Res Board 2186: 101–110

    Статья Google ученый

  • 42.

    Аль-Кики И.М., Аль-Аталла М.А., Аль-Зубайди А.Х. (2011) Долгосрочная прочность и долговечность глинистого грунта, стабилизированного известью.Eng Tech J 29 (4): 725–735

    Google ученый

  • 43.

    Арман А., Барклай Р.Т., Касиас Т.Дж., Крокер Д.А., Адаска В.С., Де Граффенрейд Р.Л., Super DW (1990) Отчет о состоянии цемента в грунтах. ACI Mater J 87 (4): 395–417

    Google ученый

  • 44.

    Broderick GP, Daniel DE (1990) Стабилизация уплотненной глины против химического воздействия. J Geotech Eng 116 (10): 1549–1567

    Статья Google ученый

  • 45.

    Haraguchi M, Miyadera K, Uemura K, Sumizawa T., Furukawa T., Yamada K, Yamada Y (1994) Ангиогенная активность ферментов. Nature 368: 198

    Артикул Google ученый

  • 46.

    Кассим К.А., Черн К.К. (2004) Малайзийские связные почвы, стабилизированные известью. Malays J Civil Eng 16 (1): 13–23

    Google ученый

  • 47.

    Абдулла Н., Абдулла Р. (2013) Влияние гуминовой кислоты на микроструктуру органической глины, обработанной известью.Int J Eng 2 (11): 1827–1833

    Google ученый

  • 48.

    Гобади М.Х., Абдилор Ю., Бабазаде Р. (2014) Стабилизация глинистых грунтов с помощью извести и влияние изменений pH на параметры прочности на сдвиг. Bull Eng Geol Env 73 (2): 611–619

    Статья Google ученый

  • 49.

    Саида КАХ, Кассима К.А., Юнуса Н.З.М., Нурб Х. (2015) Физико-химические характеристики тропической каолиновой глины, стабилизированной известью.J Teknol 72 (3): 83–90

    Google ученый

  • 50.

    Bose B (2012) Геотехнические свойства экспансивного грунта, стабилизированного летучей золой. Электронный журнал Geotech Eng 17: 1339–1353

    Google ученый

  • 51.

    Тастан Э.О., Эдиль Т.Б., Бенсон Ч.Х., Айдилек А.Х. (2011) Стабилизация органических почв с помощью летучей золы. J Geotech Geoenviron Eng 137 (9): 819–833

    Статья Google ученый

  • 52.

    Pandian NS (2013) Характеристики летучей золы применительно к геотехническим приложениям. J Indian Inst Sci 84 (6): 189–216

    Google ученый

  • 53.

    Фани Кумар Б.Р., Шарма Р.С. (2004) Влияние летучей золы на инженерные свойства экспансивных грунтов. J Geotech Geoenviron Eng 130 (7): 764–767

    Статья Google ученый

  • 54.

    Фироози А.А., Таха М.Р., Фироози А.А., Хан Т.А. (2015) Влияние циклов замораживания-оттаивания на безусловную прочность на сжатие глинистых грунтов, обработанных известью.J Teknol 76 (1): 107–113

    Google ученый

  • 55.

    Zulkifley MTM, Ng TF, Raj JK, Hashim R, Bakar AFA, Paramanthan S, Ashraf MA (2014) Обзор стабилизации торфа тропических низменностей. Bull Eng Geol Env 73 (3): 733–746

    Статья Google ученый

  • 56.

    Радхакришнан Г., Кумар М.А., Раджу ГВРП (2014) Набухающие свойства экспансивных грунтов, обработанных химикатами и летучей золой.Am J Eng Res 3 (4): 245–250

    Google ученый

  • 57.

    Рупнов Т.Д., Франклин Б., Уайт Д.Д. (2015) Стабилизация золы-уноса класса C переработанного асфальтового покрытия и грунта – тематическое исследование. В: Конференция «Мир угольной золы 2015» в Насвхилле, Теннесси, стр. 1–19

  • 58.

    Пуппала А., Мусенда С. (2000) Влияние армирования волокном на изменение прочности и объема в экспансивных грунтах. Transp Res Rec J Transp Res Board 1736: 134–140

    Статья Google ученый

  • 59.

    Sharma V, Vinayak HK, Marwaha BM (2015) Повышение прочности почвы на сжатие с использованием натуральных волокон. Constr Build Mater 93: 943–949

    Статья Google ученый

  • 60.

    Firoozi AA, Taha MR, Firoozi AA, Khan TA (2015) Влияние ультразвуковой обработки на оценку микротканей глины с помощью атомно-силовой микроскопии. Измерение 66: 244–252

    Артикул Google ученый

  • 61.

    Кристело Н., Кунья В.М., Диас М., Гомес А.Т., Миранда Т., Араужо Н. (2015) Влияние дискретного армирования волокном на реакцию на одноосное сжатие и скорость сейсмических волн в цементно-стабилизированной песчано-глинистой глине. Geotext Geomembr 43 (1): 1–13

    Статья Google ученый

  • 62.

    Йылмаз Ю. (2015) Уплотняющие и прочностные характеристики летучей золы и глинистого грунта с добавками волокон. Eng Geol 188: 168–177

    Статья Google ученый

  • 63.

    Anagnostopoulos CA, Tzetzis D, Berketis K (2014) Прочность на сдвиг связных грунтов, армированных полипропиленовым волокном. Geomech Geoeng 9 (3): 241–251

    Статья Google ученый

  • 64.

    Шукла С.К., Сивакуган Н., Сингх А.К. (2010) Аналитическая модель для армированных волокном зернистых грунтов при высоких ограничивающих напряжениях. J Mater Civ Eng 22 (9): 935–942

    Статья Google ученый

  • 65.

    Гувер К.Г., Ульм Ф.Дж. (2015) Экспериментальная химико-механика свойств раннего разрушения цементного теста. Cem Concr Res 75: 42–52

    Статья Google ученый

  • 66.

    Le Chatelier H (1919) Кристаллоиды против коллоидов в теории цементов. Trans Faraday Soc 14: 8–11

    Статья Google ученый

  • 67.

    Тейлор М.А. (1971) Общая теория поведения цементных паст, растворов и бетонов.J Proc 68 (10): 756–762

    Google ученый

  • 68.

    Li X (2014) Усадочное растрескивание грунтов и цементно-стабилизированных грунтов: механизмы и моделирование. Университет штата Вашингтон, Pullman

    Google ученый

  • 69.

    Соланки П., Заман М. (2012) Микроструктурные и минералогические характеристики глины, стабилизированной с использованием стабилизаторов на основе кальция. В кн .: Сканирующая электронная микроскопия.InTech

  • 70.

    Аксан З., Челиклер Д. (2012) Турецкое адаптационное исследование опросника глобального потепления. Proc Social Behav Sci 31: 681–684

    Статья Google ученый

  • 71.

    Taha MR, Khan TA, Jawad IT, Firoozi AA, Firoozi AA (2013) Недавние экспериментальные исследования по стабилизации почвы с помощью биоферментов – обзор. Электронный журнал Geotech Eng 18: 3881–3894

    Google ученый

  • 72.

    Zhang XF, Zhang SY, Hu ZY, Yu G, Pei CH, Sa RN (2012) Идентификация соединительных блоков с высокими выбросами парниковых газов для проектирования структуры низкоуглеродистой продукции. J Clean Prod 27: 118–125

    Статья Google ученый

  • 73.

    Али М.Б., Сайдур Р., Хоссейн М.С. (2011) Обзор анализа выбросов в цементной промышленности. Renew Sustain Energy Rev 15 (5): 2252–2261

    Статья Google ученый

  • 74.

    Du Y, Yi Q, Li C, Liao L (2015) Ориентированные на жизненный цикл низкоуглеродные операционные модели машиностроительной отрасли. J Clean Prod 91: 145–157

    Статья Google ученый

  • 75.

    Микулчич Х., Вуянович М., Дуйч Н. (2013) Снижение выбросов CO 2 в цементной промышленности Хорватии. Appl Energy 101: 41–48

    Статья Google ученый

  • 76.

    Микулчич Х., Вуянович М., Фидарос Д.К., Пришинг П., Минич И., Татчл Р., Стефанович Г. (2012) Применение моделирования CFD для поддержки сокращения выбросов CO 2 в цементной промышленности.Energy 45 (1): 464–473

    Статья Google ученый

  • 77.

    Гао Т., Шен Л., Шен М., Чен Ф, Лю Л., Гао Л. (2015) Анализ различий в выбросах углекислого газа при производстве цемента и их основных детерминантах. J Clean Prod 103: 160–170

    Артикул Google ученый

  • 78.

    Лиска М., Аль-Таббаа А. (2008) Характеристики магнезиальных цементов в прессованных кирпичных блоках с натуральными заполнителями: оптимизация производственных параметров.Constr Build Mater 22 (8): 1789–1797

    Статья Google ученый

  • 79.

    Митчелл Дж. К., Сога К. (2005) Основы поведения почвы, 3-е изд. Вили, Нью-Йорк. ISBN: 978-0-471-46302-3

    Google ученый

  • 80.

    Наир С., Литтл Д. (2011) Механизмы бедствия, связанные с сульфатным пучением в обработанных известью почвах. Transp Res Rec J Transp Res Board 2212: 82–90

    Статья Google ученый

  • 81.

    Пуппала А.Дж., Таллури Н., Читтури BC (2014) Обработка сульфатсодержащих почв стабилизатором на основе кальция. Proc Inst Civil Eng Ground Improv 167 (3): 162–172

    Статья Google ученый

  • 82.

    Обика Б., Фрир-Хьюиш Р.Дж. (1990) Повреждение тонких битумных покрытий дорог и взлетно-посадочных полос, вызванных растворимыми солями. Aust Road Res 20 (4): 24–41

    Google ученый

  • 83.

    Kinuthia JM, Wild S, Jones GI (1999) Влияние сульфатов одновалентных и двухвалентных металлов на консистенцию и уплотнение каолинита, стабилизированного известью.Appl Clay Sci 14 (1): 27–45

    Статья Google ученый

  • 84.

    Alsharef J, Taha MR, Firoozi AA, Govindasamy P (2016) Возможности использования наноуглеродов для стабилизации слабых грунтов. Appl Environ Soil Sci 2016: 1–9. http://dx.doi.org/10.1155/2016/5060531

    Артикул Google ученый

  • 85.

    Reis MB (1981) Образование экспансивного сульфоалюмината кальция под действием сульфат-иона на выветрившиеся граниты в среде, насыщенной гидроксидом кальция.Cem Concr Res 11 (4): 541–547

    Статья Google ученый

  • 86.

    Ismaiel HAH (2006) Обработка и улучшение геотехнических свойств различных мягких мелкозернистых грунтов с помощью химической стабилизации. Шейкер

  • 87.

    Чан К.Ю., Хинан Д.П. (1999) Вызванная известью потеря почвенного органического углерода и влияние на агрегативную стабильность. Soil Sci Soc Am J 63 (6): 1841–1844

    Статья Google ученый

  • 88.

    Hampton MB, Edil TB (1998) Увеличение прочности органических грунтов с помощью вяжущих веществ цементного типа. В кн .: Улучшение почвы при раскопках. ASCE, Рестон. pp 135–148

  • 89.

    Ling FNL, Kassim KA, Karim A, Tarmizi A, Chan TW (2013) Стабилизация искусственной органической почвы при комнатной температуре с использованием смешанного цеолита извести. In: Advanced Materials Research, vol 723. Trans Tech Publications, Zürich. pp 985–992

  • 90.

    Tremblay H, Duchesne J, Locat J, Leroueil S (2002) Влияние природы органических соединений на тонкую стабилизацию грунта с помощью цемента.Can Geotech J 39 (3): 535–546

    Артикул Google ученый

  • 91.

    Morse JW, Arvidson RS, Lüttge A (2007) Образование и растворение карбоната кальция. Chem Rev 107 (2): 342–381

    Артикул Google ученый

  • 92.

    Hossain MT, Hoq A, Akhter M, Hossain AF (2015) Исследование различных свойств органической почвы путем добавления летучей золы. Int J Eng Sci Technol 7 (1): 1

    Статья Google ученый

  • 93.

    Firoozi AA, Olgun G, Mobasser S (2016) Углеродные нанотрубки и гражданское строительство. Saudi J Eng Technol 1 (1): 1–4

    Google ученый

  • 94.

    Chenu C, Rumpel C, Lehmann J (2015) Методы изучения органического вещества почвы: природа, динамика, пространственная доступность и взаимодействие с минералами. В кн .: Микробиология, экология и биохимия почвы, 4-е изд., Стр. 383–419. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-415955-6.00013-X

  • 95.

    Sasanian S, Newson TA (2014) Основные параметры, определяющие поведение обработанных цементом глин. Найденные почвы 54 (2): 209–224

    Статья Google ученый

  • 96.

    Чжан Р.Дж., Лу Ю.Т., Тан Т.С., Фун К.К., Сантосо А.М. (2014) Долгосрочное влияние температуры отверждения на прочностные характеристики глины, стабилизированной цементом. J Geotech Geoenviron Eng 140 (8): 401–415

    Статья Google ученый

  • 97.

    Dhakal SK (2012) Стабилизация очень слабого грунтового основания цементными стабилизаторами

  • 98.

    Wong LS, Hashim R., Ali F (2013) Повышенная прочность и снижение проницаемости стабилизированного торфа: акцент на применении каолина в качестве пуццолановой добавки . Constr Build Mater 40: 783–792

    Статья Google ученый

  • 99.

    Линг Ф.Н., Кассим К.А., Карим А., Тармизи А. (2013) Продукты реакции каолиновой гуминовой кислоты, стабилизированной цеолитом извести.В: Прикладная механика и материалы, том 372. Trans Tech Publications, Цюрих. pp 88–96

  • 100.

    Пакир Ф. Б., Абдул Карим АТБ, Линг Ф. Н., Кассим К. А. (2013) Влияние гуминовой кислоты на геохимические свойства каолина. In: Advanced Materials Research, vol 701. Trans Tech Publications, Zürich. pp 310–313

  • 101.

    Puppala AJ, Wattanasanticharoen E, Punthutaecha K (2003) Экспериментальные оценки методов стабилизации богатых сульфатами экспансивных почв. Земляная импровизация 7 (1): 25–35

    Статья Google ученый

  • 102.

    Пуппала А.Дж., Таллури Н.С., Читтури Б.С., Гейли А. (2012) Уроки, извлеченные из исследований сульфатно-индуцированного пучения в химически обработанных почвах. В кн .: Материалы международной конференции по благоустройству и наземному контролю. Research Publishing, vol 1. pp 85–98

  • 103.

    Mitchell JK (1986) Практические проблемы из-за удивительного поведения почвы. J Geotech Eng 112 (3): 259–289

    Статья Google ученый

  • 104.

    Rajasekaran G (2005) Сульфатная атака и образование эттрингита в морских глинах, стабилизированных известью и цементом. Ocean Eng 32 (8): 1133–1159

    Статья Google ученый

  • 105.

    Turkoz M, Savas H, Acaz A, Tosun H (2014) Влияние раствора хлорида магния на инженерные свойства глинистого грунта с расширяющими и диспергирующими характеристиками. Appl Clay Sci 101: 1–9

    Статья Google ученый

  • 106.

    Yong RN, Ouhadi VR, Mohamed AMO (1996) Физико-химическая оценка разрушения стабилизированного мергелевого грунта. В: Материалы 49-й Канадской геотехнической конференции «Границы геотехнологии», том 2. стр. 769–776

  • 107.

    Verástegui-Flores RD, Di Emidio G (2014) Влияние сульфатной атаки на механические свойства и гидравлическую проводимость цемента -смешанная глина. Appl Clay Sci 101: 490–496

    Статья Google ученый

  • 108.

    Xu LL, Wang PM, Wu GM, Zhang GF (2014) Влияние сульфата кальция на образование эттрингита в смешанных системах с алюминатом и сульфоалюминатом кальция. В: Ключевые инженерные материалы, том 599. Trans Tech Publications, Цюрих. pp 23–28

  • 109.

    Хантер Д. (1988) Известковое пучение в сульфатсодержащих глинистых почвах. J Geotech Eng 114 (2): 150–167

    Статья Google ученый

  • 110.

    Сога К., Кумар К., Бисконтин Дж., Куо М. (ред.) (2014) Геомеханика от микро к макро. CRC Press, Boca Raton

  • 111.

    Eisazadeh A (2015) Термические характеристики монтмориллонитовых и каолинитовых почв, стабилизированных известью и фосфорной кислотой. J Therm Anal Calorim 121 (3): 1239–1246

    Артикул Google ученый

  • 112.

    Takemoto K (1980) Гидратация пуццоланового цемента. В: 7-й Международный конгресс химия цемента I, доклад № 2

  • Глава 7 – Летучая зола при улучшении почвы. Факты о летучей золе для дорожных инженеров – Вторичная переработка – Устойчивое развитие – Тротуары

    Факты о летучей золе для дорожных инженеров

    Глава 7. Летучая зола при улучшении почвы

    Введение

    Стабилизация грунта – это изменение свойств грунта для улучшения инженерных характеристик грунта.Чаще всего изменяются такие свойства, как плотность, содержание воды, пластичность и прочность. Изменение свойств грунта – это временное повышение устойчивости земляного полотна для ускорения строительства.

    Смеси летучей золы класса C и извести класса F могут использоваться во многих геотехнических приложениях, характерных для строительства автомагистралей:

    • Для повышения прочностных свойств
    • Стабилизировать насыпи
    • Для контроля термоусадочных свойств экспансивных грунтов
    • Осушитель, снижающий влажность почвы и способствующий ее уплотнению

    Зола-унос класса C может использоваться как самостоятельный материал из-за ее самоцементных свойств.Зольную пыль класса F можно использовать для стабилизации грунта с добавлением вяжущего вещества (известь, известковая пыль, ЦП и цемент). Самоцементное поведение летучей золы определяется ASTM D 5239. Это испытание представляет собой стандартный метод определения прочности на сжатие кубиков, изготовленных из летучей золы и воды (весовое соотношение вода / летучая зола составляет 0,35), испытанный через семь дней с стандартное влажное отверждение. Самоцементные характеристики ранжируются, как показано ниже:

    Очень самоцементирующийся > 500 фунтов на квадратный дюйм (3400 кПа)
    Умеренно самоцементирующийся 100 – 500 фунтов на квадратный дюйм (700 – 3400 кПа)
    Несамоцементирующийся 700 кПа)

    Следует отметить, что результаты, полученные с помощью ASTM D 5239, характеризуют только вяжущие характеристики смесей летучей золы и воды и сами по себе не являются основой для оценки потенциальных взаимодействий между летучей золой и почвой или совокупный.

    Использование летучей золы для стабилизации и модификации почвы может зависеть от местных экологических требований, касающихся выщелачивания и потенциального взаимодействия с грунтовыми водами и прилегающими водотоками.

    Стабилизация почвы для повышения прочности почвы

    Летучая зола успешно использовалась во многих проектах для улучшения прочностных характеристик грунтов. Летучая зола может использоваться для стабилизации оснований или земляного полотна, для стабилизации обратной засыпки с целью снижения бокового давления грунта и для стабилизации насыпей с целью повышения устойчивости откосов.Типичная глубина стабилизированного грунта составляет от 15 до 46 сантиметров (от 6 до 18 дюймов). Основная причина, по которой летучая зола используется при стабилизации грунта, заключается в улучшении прочности грунта на сжатие и сдвиг. Прочность на сжатие почв, обработанных летучей золой, зависит от:

    • Свойства грунта на месте
    • Время задержки
    • Содержание влаги во время уплотнения
    • Соотношение добавления летучей золы

    Рис. 7-1: Смешивание и формирование грунта, стабилизированного летучей золой

    Время задержки. Время задержки – это время, прошедшее между моментом первого контакта летучей золы с водой и окончательным уплотнением почвы, смеси летучей золы и воды. Прочность на сжатие сильно зависит от времени задержки. И плотность, и прочность уменьшаются с увеличением задержки до окончательного уплотнения. Время задержки имеет решающее значение из-за быстрого характера реакции трикальцийалюмината (C3A), которая происходит, когда летучая зола класса C смешивается с водой. Плотность и прочность снижаются, потому что часть энергии уплотнения должна использоваться для преодоления связывания частиц почвы за счет цементации, а также потому, что часть потенциала цементирования теряется.Максимальная прочность смесей почвенно-зольной пыли достигается без промедления. Обычно для строительных целей указывается часовая задержка уплотнения.

    Содержание влаги. Содержание воды в почвенной смеси, стабилизированной летучей золой, влияет на прочность. Максимальная прочность, достигаемая в смесях почвы и зольной пыли, обычно достигается при влажности ниже оптимальной для плотности. Для иловых и глинистых почв оптимальное содержание влаги для прочности обычно на четыре-восемь процентов ниже оптимального для максимальной плотности.Для зернистых грунтов оптимальное содержание влаги для максимальной прочности обычно на один-три процента ниже оптимальной влажности для плотности. Поэтому очень важно контролировать влажность во время строительства. Влагосодержание обычно измеряется с помощью прибора для измерения ядерной плотности.

    Рисунок 7-2: Уплотнение грунта, стабилизированного летучей золой.

    Коэффициенты сложения. Типичные нормы добавления летучей золы составляют от 8 до 16 процентов в расчете на сухой вес почвы.Норма добавления зависит от характера почвы, характеристик летучей золы и желаемой прочности. Скорость добавления должна определяться лабораторными испытаниями конструкции смеси. Как правило, чем выше скорость добавления, тем выше реализуемая прочность на сжатие. Летучая зола для транспортных проектов государственного департамента обычно указывается в соответствии с AASHTO M 295 (ASTM C 618), хотя требования этой спецификации не являются необходимыми для этого применения и могут увеличить затраты на поставку золы.Все больше и больше успешно используются материалы, не соответствующие требованиям AASHTO M 295. Следует отметить, что практически любую летучую золу, которая имеет хотя бы некоторые самоцементные свойства, можно спроектировать для использования в транспортных проектах.

    Свойства почвы. Пластичность почв, обработанных золой-уносом класса C или другой высококальциевой золой, зависит от типов глинистых минералов, присутствующих в почве, и их адсорбированной воды. Почвы, содержащие более 10 процентов сульфатов, при некоторых применениях склонны к чрезмерному набуханию.Кроме того, органические почвы трудно стабилизировать с помощью летучей золы.

    Стабилизация грунта для контроля усадочного набухания

    Многие глинистые почвы (пластичные почвы) претерпевают значительные объемные изменения при колебаниях содержания влаги. Эти объемные изменения, если их не контролировать, могут привести к перемещению конструкций и создать нагрузки, которые могут вызвать преждевременное разрушение.

    Пластичность грунта исторически оценивалась количественно с помощью индекса пластичности, определяемого стандартом ASTM D 4318.Обычно спецификации ограничивают индекс пластичности почвы не более 10-12, чтобы гарантировать стабильность материала. В целом, чем выше индекс пластичности, тем выше вероятность усадки или набухания в результате колебаний содержания влаги в почве.

    Рисунок 7-3: Смешивание и уплотнение летучей золы в пластичный грунт.

    Исторически пластичные почвы обрабатывались негашеной известью (CaO) или гашеной известью [Ca (OH) 2] для снижения их пластичности.Известь химически реагирует с частицами почвы, эффективно изменяя размер зерна почвы от глины (менее 0,002 мм) до размера ила (от 0,05 до 0,002 мм). Определение индекса пластичности направлено на измерение этого химического изменения в почве.

    Летучая зола снижает способность пластичного грунта подвергаться объемному расширению за счет механизма физического цементирования, который не может быть оценен с помощью индекса пластичности. Летучая зола контролирует набухание при усадке, цементируя зерна почвы вместе, так же, как портландцемент связывает заполнители вместе, чтобы сделать бетон.Склеивая зерна почвы вместе, движение частиц почвы ограничивается. Типичные нормы внесения в пересчете на сухой вес почвы составляют от 12 до 15 процентов.

    Следует отметить, что зола-унос класса C может содержать 15 или более процентов кальция, выраженного в виде оксида кальция, но очень мало этого кальция находится в форме свободного оксида кальция (CaO). Поэтому определение пределов пластичности неуместно при оценке влияния летучей золы на характеристики усадочно-разбухания почвы.Для правильной оценки летучей золы для контроля набухания при усадке смеси почвенно-летучей золы должны быть испытаны с помощью теста на расширение грунта, такого как ASTM D 4829 или ASTM D 1883.

    Потенциал набухания почв, обработанных летучей золой, обычно составляет менее 0,5 процента при ограничивающем давлении 48 кПа (100 фунтов на квадратный фут), даже когда он уплотнен на два-четыре процента ниже оптимального содержания влаги для максимальной плотности.

    Модификация почвы для уменьшения содержания воды

    Грунты должны быть уплотнены до максимальной практической плотности, чтобы обеспечить прочное основание для вышележащих конструкций.Для уплотнения почвы необходимо контролировать влажность из-за взаимосвязи между плотностью почвы и содержанием влаги. Если уплотняемый грунт либо слишком влажный, либо слишком сухой, содержание влаги должно быть доведено до почти оптимального для достижения максимальной плотности. Если почва слишком сухая, просто добавляют влагу. Если почва слишком влажная, необходимо снизить влажность почвы. Зола-унос класса C и другая летучая зола с высоким содержанием извести оказались очень эффективными сушильными агентами, способными снизить содержание влаги в почве на 30% и более.

    Летучая зола сушит почву за счет двух основных механизмов: химических реакций, в результате которых поглощается влага из почвы, и простого разбавления. Летучая зола класса C содержит алюминат трикальция (C3A), который очень реагирует с водой. C3A – это химическое соединение, присутствующее в обычном портландцементе, которое отвечает за раннюю прочность. C3A, присутствующий в летучей золе, вступает в реакцию с водой, снижая общее содержание влаги в почве. Эффект сушки летучей золы во влажной почве происходит очень быстро и немедленно, что позволяет подрядчику быстро продолжить строительство.Помимо ускорения строительного процесса, использование летучей золы дает ряд других преимуществ, таких как повышение устойчивости почвы к дополнительному проникновению воды, дополнительная поддержка движения транспорта, создание более устойчивой рабочей платформы и уменьшение образования пыли от строительного транспорта. .

    Предупреждения

    Некоторые государственные или местные агентства по охране окружающей среды могут потребовать провести испытание золы на выщелачивание перед использованием.

    Ссылки на проектирование и изготовление

    См. Приложение C.

    Улучшение почвы

    Методы

    Основная цель большинства методов улучшения почвы, используемых для уменьшения опасность разжижения заключается в том, чтобы избежать значительного увеличения порового давления воды во время землетрясение. Этого можно добиться за счет уплотнения почвы и / или улучшение его дренажной способности.

    Виброфлотация

    Виброфлотация предполагает использование вибрационного зонда, способного проникать в гранулированный грунт на глубину более 100 футов.Колебания зонда вызывают структура зерна разрушается, тем самым уплотняя почву, окружающую зонд. Для обработки участка потенциально разжиженного грунта виброфлот поднимается и опускается в виде сетки. Вибро Замена (справа, HB) – это сочетание виброфлотации с засыпкой щебнем, в результате чего каменные колонны, которые не только увеличивают плотность, но обеспечивает некоторую степень подкрепления и потенциально эффективные средства дренажа.

    Динамическое уплотнение

    Выполняется уплотнение динамическим уплотнением. сбросив тяжелый груз из стали или бетона по сетке с высоты от 30 до 100 футов. Это обеспечивает экономичный способ улучшения почвы для смягчения опасность разжижения. Под точкой подачи можно начать локальное разжижение. облегчая уплотнение песчинок.Когда избыточное давление поровой воды от динамической нагрузки рассеивается, происходит дополнительное уплотнение. Как показано на фотографии, однако, процесс несколько инвазивный; поверхность почвы может потребоваться неглубокое уплотнение с возможным добавлением гранулированного наполнителя после динамическое уплотнение.


    Каменные колонны

    Как описано выше, каменные колонны колонны из гравия, построенные в земле.Каменные колонны можно построить методом виброфлотации. Их также можно установить другими способами, для Например, с помощью стального кожуха и отбойного молотка, как в методе Франки. При таком подходе стальная обсадная колонна вдавливается в почву и гравий забивается. заливать сверху и утрамбовывать ударным молотком в качестве стальной кожух последовательно снимается.


    Уплотняющие сваи

    Установка уплотнительных свай – очень эффективная способ улучшения почвы.Сваи уплотнения обычно изготавливаются из предварительно напряженного бетона или древесина. Установка уплотняющих свай одновременно уплотняет и укрепляет почва. Сваи обычно устанавливаются в виде сетки и обычно погружен на глубину до 60 футов.

    Уплотнение швов

    Затирка уплотнительным раствором – это метод, при котором медленно текущая вода / песок / цементная смесь вводится под давлением в сыпучий грунт.Затирка образует луковицу, которая смещает и, следовательно, уплотняет окружающую почву (справа, HB). Уплотнение затирка – хороший вариант, если фундамент существующего здания требует улучшение, так как можно вводить раствор сбоку или на наклонный угол под зданием.


    Дренажная техника

    Опасность разжижения может быть снижается за счет увеличения дренажной способности почвы.Если поровая вода внутри почва может стекать свободно, будет происходить накопление избыточного давления поровой воды. уменьшенный. Методы дренажа включают установку дренажей из гравия, песка или синтетические материалы. Сливы из синтетического фитиля могут быть установлены под разными углами, в в отличие от гравийных или песчаных водостоков, которые обычно устанавливаются вертикально. Дренаж методы часто используются в сочетании с другими типами методов улучшения почвы. для более эффективного снижения опасности разжижения.


    Информацию о других методах улучшения почвы см. В этих ссылки на связанные веб-сайты.

    Проверка Улучшение

    Ряд методов может использоваться для проверки эффективности улучшения почвы. Методы на месте популярны из-за ограничений многих лабораторных методов.Обычно для оценки разжижения проводят испытания на месте. потенциал почвенного отложения до того, как была предпринята попытка улучшения. Со знанием существующих характеристик грунта, затем можно указать необходимый уровень улучшение параметров испытаний на месте. Проведение испытаний на месте после улучшение было завершено, позволяет решить, была ли степень улучшения удовлетворительно. В некоторых случаях степень улучшения не отражается на месте результаты испытаний до некоторого времени после завершения улучшения

    Оценка микромеханических характеристик обширной почвы, биообработанной аборигенными бактериями с использованием метода MICP

    Эффективность местных бактерий в стабилизации обширной почвы была всесторонне исследована с помощью нескольких процедур инженерных испытаний для применения этого метода для дорожного покрытия.В этом разделе представлены результаты испытаний с соответствующими аргументами изменения состояния почвенной матрицы. Результаты, представленные в этом разделе, взяты в среднем для трех идентичных образцов с аналогичными экспериментальными условиями.

    Эффективность обработки в отношении характеристик пластичности и набухания

    Предел текучести и предел пластичности обработанной и расширяющейся необработанной почвы были исследованы для оценки эффективности процедуры обработки.После обработки биообработанный образец экспансивной почвы был измельчен и высушен в печи при температуре 105 ± 5 ° C перед исследованием предела Аттерберга. Эффективность биостимулированной обработки обширной почвы по характеристикам пластичности показана на рис. 2. Пределы Аттерберга были оценены на естественных и искусственных почвах с различными периодами созревания. Было замечено, что изначально почва была классифицирована как высокопластичная глина (CH) в соответствии с единой системой классификации почв.Но после протокола лечения он превратился в низкопластичную глину (CL). Снижение предела жидкости и пластичности при добавлении цементирующего раствора и увеличение периодов созревания может быть связано с микробной активностью. По мере того, как период созревания увеличивается, активность микробов увеличивается, и при более длительном воздействии аэробной среды образуется больше бактерий, которые инициируют активность MICP, и в результате осаждается слизь. Бактериальный процесс способствует засорению частиц почвы, а также вызывает эффект цементирования 51 .Минерал цементации, образующийся в почве, улучшает адгезию частиц почвы и увеличивает сцепление, что снижает предел жидкости в расширяющейся почве. Снижение пластичности также было обнаружено из-за образования кальцита в порах матрицы почвы, который увеличивает связывание частиц почвы 52 . Также наблюдается, что искусственная почва имеет высокую степень восстановления из-за пуццолановой реакции зольного остатка.

    Рисунок 2

    Влияние биостимулированной обработки MICP на пластичность и свойства набухания экспансивного грунта.

    Индекс свободного набухания для естественной и искусственной почвы был рассчитан, чтобы понять первоначальный эффект обработки на потенциал набухания. Влияние различных периодов созревания и протокола испытаний на индекс свободного набухания представлено на рис. 2. Для естественной почвы BC-1, BC-2 и BC-3 значения FSI составили 120%, 110% и 100% соответственно. А для искусственной почвы BC-1 + 30% BA, BC-2 + 30% BA и BC-3 + 30% BA, FSI был снижен до 45%, 40% и 35% соответственно.После периода созревания МП-4 FSI ограничивается 15–30% для естественной почвы и 5–15% для искусственной почвы. Это экспоненциальное уменьшение FSI указывает на то, что обогащающий раствор и раствор для цементации эффективно обеспечивают экосистему для культивирования уреазных аборигенных бактерий для осаждения карбоната кальция. Минерал кальцит, образованный из-за осаждения карбоната кальция, не расширяется и вызывает эффект цементации между частицами почвы. На микрофотографии SEM было замечено, что во время обработки MICP на частицах почвы образуется слой кальцита.Таким образом, удельная поверхность экспансивных гидрофобных глинистых минералов уменьшается, а содержание кальцита, образующегося на частицах почвы, препятствует реакции частиц почвы и воды. В результате наблюдалось сокращение FSI. Это также можно увидеть, поскольку в аэробной среде в условиях более длительного периода созревания образуется больше бактерий, и, следовательно, наблюдалось более высокое снижение FSI.

    Кроме того, чтобы оценить давление набухания и деформацию набухания, было проведено одномерное испытание набухания, результаты которого показаны на рис.2. Для естественного грунта BC-1, BC-2 и BC-3 наблюдаемое давление набухания составляет 210 кПа, 191 кПа и 176 кПа соответственно. Экспоненциальное снижение давления набухания наблюдалось при обработке MICP. Давление набухания снижено до 41 кПа для естественного грунта и 15 кПа для искусственного грунта. Обработка MICP обеспечивает содержание кальцита, который создает связь между зернами почвы, а образование биопленки также увеличивает барьер между водой и частицами глины 53,54 .А для искусственного грунта BC-1 + 30% BA, BC-2 + 30% BA и BC-3 + 30% BA давление набухания было снижено до 48 кПа, 43 кПа и 39 кПа% соответственно. Снижение давления набухания объясняется пуццолановой реакцией зольного остатка. Возможная причина снижения давления набухания также может быть обнаружена из-за добавления частиц зольного остатка размером с ил в расширяющийся грунт. Зольный остаток содержит поливалентный катион, который вызывает флокуляцию частиц почвы 55 .Удельная поверхность расширяющегося глинистого минерала была уменьшена из-за добавления частиц зольного остатка размером с ил и образования геля C – S – H во время пуццолановой реакции. В результате наблюдалось снижение давления набухания. Аналогичная тенденция наблюдалась для деформации набухания, как показано на рис. 5. Для естественной почвы BC-1, BC-2 и BC-3 деформация набухания составляла 10,25%, 8,96% и 8,01%. , соответственно. А для искусственного грунта BC-1 + 30% BA, BC-2 + 30% BA и BC-3 + 30% BA деформация набухания снижена до 4.5%, 3,2% и 2,45% соответственно. Деформация набухания была снижена до 1,4% для грунта BC-3 после MP-4, а для искусственного грунта – до 0,43%. Эти значения лежат ниже допустимого предела 1,5% для деформации набухания. Однако деформация набухания для BC-1 и BC-2 составила 2,43% и 2,13%, что немного выше допустимого предела 1,5%. Результаты показывают, что для глины с высокой пластичностью период обработки может потребоваться увеличить. Обработка MICP эффективно снижает давление набухания и деформацию набухания, что показывает, что биостимулированная обработка обширной почвы может эффективно контролировать набухание глинистой почвы.

    Эффективность обработки по химическим связям, минералогии и микроструктуре

    ИК-анализ был проведен на различных периодах созревания обработки MICP и необработанной почвы BC-3 (рис. 3). ИК-спектры каждого периода созревания сравнивались с для почвы ВС-3. В ИК диапазоне 500–1200 см –1 видны минералы, 1200–3000 см –1 органических веществ и 3500–4000 см –1 глинистые минералы 21 . Гидроксильная группа каолинита и иллита наблюдалась в ИК-полосе 3092–3717 см 9 · 1049 −1 9 · 1050.Наличие влажности наблюдается при 3433 см 9 · 1049 -1 9 · 1050. Широкий ИК-пик наблюдался при 3454 см -1 , что показывает присутствие образования карбоната кальция в обработанном образце 56 . Усиленный пик наблюдался с MP-4, который показывает большее количество образования кальцита. Пик связи C – O наблюдался при 874 см -1 и 1468 см -1 . Увеличивающийся период плавления уменьшал пик связи C – O, что свидетельствовало о восстановлении карбоната 57 .Разделение пика карбонизации было получено при 1468-1430 см -1 из-за частичной карбонизации продукта гидратации 58 . Присутствие кварца было обнаружено в ИК-пике 798 см -1 и 782 см -1 . ИК-пик наблюдался при 3623 см. 9 · 1049 -1 9 · 1050 подтвердил присутствие минерала монтмориллонита в необработанной почве BC. Этот пик был уменьшен за счет увеличения цикла лечения MICP. Это показывает, что обработка MICP контролирует присутствие гидрофобных минералов.

    Рисунок 3

    FTIR, XRD и SEM микрофотография необработанной и обработанной экспансивной почвы MICP.

    Минералогические изменения, вызванные различными периодами созревания при обработке MICP в обширной почве, были проанализированы с помощью дифракции рентгеновских лучей (рис. 3). Образование содержания кальцита и портландита наблюдалось на рентгенограмме. Во всех образцах кварц имеет ярко выраженный пик; однако интенсивность была снижена с увеличением периода созревания. Очевидно, что из-за образования карбоната кальция наблюдалось присутствие минерала тоберморит.На рентгенограмме показан острый пик минерала тоберморита в образце MP-4, который показывает, что в этот период таяния в течение 4 дней образуется более высокое содержание кальцита.

    Анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии был проведен для анализа влияния обработки MICP на экспансивную почву (рис. 3). СЭМ-микрофотография необработанной почвы, периоды созревания МП-2, МП-3 и МП-4 представлены на рис. 3. На рис. 3 можно увидеть, что в необработанной почве имеются различные полости. Эти полости были заполнены отложениями кальцита, как это видно на микрофотографиях SEM).Также видно, что с увеличением периода созревания количество кальцита увеличивается. Аналогичная тенденция наблюдается при анализе содержания кальцита. Анализ SEM устанавливает эффективность метода культивирования местных почвенных бактерий для осаждения кальцита.

    Эффективность обработки по pH, CCt, EC

    Химическое чередование с различными периодами смягчения обработки MICP представлено на рис. 4. Значение электропроводности (ЕС) увеличивается с увеличением периода смягчения.Увеличение значений ЕС отражает химическое чередование в матрице почвы. Увеличение связано с преобразованием неионных соединений в ионные соединения. Увеличение концентрации ионов связано с гидролизом мочевины в ходе биогеохимических реакций. Было обнаружено, что увеличение ЕС было больше во время цикла цементации, чем во время периода стимуляции, так как дигидрат хлорида кальция дополнительно смешивался во время циклов обработки. Когда источник кальция был добавлен в химический раствор, различные анионы образовывали комплексы, растворенные с кальцием.Комплексы включают бикарбонат кальция и гидроксид кальцита. Чем больше количество ионов, генерируемых во время циклов цементации, тем больше наблюдается увеличение ЭК. Повышение ЭК свидетельствует об успешном проведении и завершении биогеохимических реакций. Для естественной почвы BC-1, BC-2 и BC-3 ЕС наблюдался как 1,43 мСм / см, 1,40 мСм / см и 1,37 мСм / см соответственно. А для искусственного грунта BC-1 + 30% BA, BC-2 + 30% BA и BC-3 + 30% BA, ЕС увеличен до 6,5 мСм / см, 6.34 мСм / см и 6,21 мСм / см соответственно. После периода созревания МП-4 ЕС увеличивается до 3,11–3,31 мСм / см для естественной почвы и 9,29–10,39 мСм / см для искусственной почвы.

    Рисунок 4

    Влияние биостимулированной обработки MICP на химические свойства обширной почвы.

    Уровень pH почвы, обработанной MICP, был повышен, и это отражает изменение характера смеси в сторону кислой природы. Goodarzi et al. показывают, что увеличение значений pH также подтвердило увеличение прочности грунта на сдвиг 59 .Для естественной почвы BC-1, BC-2 и BC-3 наблюдалось значение pH 10,24, 10,05 и 9,85 соответственно. А для искусственной почвы BC-1 + 30% BA, BC-2 + 30% BA и BC-3 + 30% BA, pH был увеличен до 12,5, 14,41 и 12,28 соответственно. После периода созревания МП-4 pH повышается до 11,85–12,32 для естественной почвы и 13,81–14,06 для искусственной почвы.

    Тест на содержание кальцита был проведен для количественной оценки процентного содержания кальцита в образцах, обработанных MICP. Для искусственной почвы BC-1 + 30% BA, BC-2 + 30% BA и BC-3 + 30% BA CCt увеличен до 1.6%, 1,43% и 1,32% соответственно, но для естественной почвы содержание кальцита без обработки не наблюдалось. После периода созревания МП-4 CCt увеличивается до 0,91–1,17 для естественной почвы и 3,82–4,89 для искусственной почвы. Это означает, что более высокая концентрация обработки MICP образовала больше кальцита в образце. Образование более высокого содержания кальцита улучшает матрицу почвы и, как следствие, увеличивает прочность и долговечность стабилизированного расширяющегося грунта. Для естественной почвы содержание кальцита увеличено до 134%, а для искусственной – 205%.Увеличение содержания кальцита подтвердило эффективность обработки как естественной, так и искусственной почвы путем культивирования аборигенных бактерий.

    Эффективность обработки по прочностным характеристикам

    Прочность на неограниченное сжатие расширяющегося грунта с различным периодом созревания как для естественного, так и для искусственного грунта с обработкой MICP, как показано на рис. 5. Влияние четырех периодов созревания на шесть различных исследуется почва с обработкой и без обработки.Значения UCS были рассчитаны, чтобы понять поведение недренированного сдвига расширяющегося грунта. Увеличение прочности при добавлении обработки MICP может быть установлено благодаря эффективности обогащающего и цементирующего раствора для культивирования местных почвенных бактерий для осаждения кальцита. Для естественной почвы BC-1, BC-2 и BC-3, UCS составляет 96 кПа, 81 кПа и 68 кПа соответственно. А для искусственной почвы BC-1 + 30% BA, BC-2 + 30% BA и BC-3 + 30% BA, UCS был увеличен до 595 кПа, 437 кПа и 368 кПа соответственно.После периода созревания МП-4 UCS повышается до 165–225 кПа для естественной почвы и 1066–1819 кПа для искусственной почвы. Значение UCS было увеличено на 134% для естественной почвы и 210% для искусственной почвы. Хотя значения UCS были увеличены для естественного грунта до 134%, эти значения все еще ниже порогового значения (1,75 МПа), требуемого для земляного полотна дорожного покрытия согласно MoRTH (2013) 60 .

    Рис. 5

    Влияние биостимулированной обработки MICP на прочность на неограниченное сжатие и разделенную прочность на растяжение расширяющегося грунта.

    Увеличение значения UCS наблюдалось при лечении MICP; однако это также увеличивает хрупкость обработанного образца. Испытание на разрывную прочность при разделении было проведено, чтобы понять влияние метода MICP на прочность на разрыв. Прочность на растяжение значительно влияет на усадку расширяющегося грунта. Это также было выполнено, чтобы понять хрупкое поведение обработанной экспансивной почвы. Все обработанные образцы были испытаны на разрывную прочность на разрыв, чтобы изучить влияние на смягчение растрескивания при растяжении в расширяющемся грунте (рис.5). Осадки, содержащие кальцит, увеличивают межфазное взаимодействие между частицами почвы, что увеличивает прочность на разрыв в расширяющейся почве. Для естественной почвы BC-1, BC-2 и BC-3 наблюдалось, что STS составляет 38 кПа, 26 кПа и 24 кПа, соответственно. А для искусственного грунта BC-1 + 30% BA, BC-2 + 30% BA и BC-3 + 30% BA, STS был увеличен до 325 кПа, 304 кПа и 287 кПа соответственно. После периода созревания МП-4 STS увеличивается на 190% для естественной почвы и 180% для искусственной почвы.

    Статистический анализ

    Чтобы выявить значимую взаимосвязь между различными механическими и химическими анализами, был проведен многомерный анализ. Многомерный анализ проводился с учетом различных переменных, например, pH, содержания кальцита, индекса свободного набухания, давления набухания, деформации набухания, прочности на неограниченное сжатие и прочности на разрыв при растяжении. Матрица взаимосвязи была разработана, как показано на рис. 6. Здесь ясно видно, что существует тесная взаимосвязь между деформацией набухания и давлением набухания; значение R наблюдается 0.99. В то же время, если сравнить результат давления набухания или индекса свободного набухания со значением UCS, то R будет равен 0,57. Более низкие значения показывают, что нет тесной связи между потенциалом выброса и UCS. Влияние содержания кальцита на UCS и STS очень близко; Здесь можно сделать вывод, что с увеличением содержания кальцита значение UCS и STS возрастало. Аналогичная тенденция наблюдалась с ЕС и pH. Многомерный анализ четко установил взаимосвязь между различными параметрами, оцениваемыми в этом исследовании.

    Рисунок 6

    График дендрограммы многомерного разброса и иерархической кластеризации экспансивной почвы, обработанной MICP.

    Иерархическая кластеризация полных экспериментальных результатов также была построена, как показано на рис. 6. Из представленной дендрограммы видно, что влияние периода обработки более или менее одинаково для каждого типа почвы. Однако есть небольшое изменение в группе с MP-4 на почве BC-3, которая также показывает те же результаты, что и обработка MP-3.В целом период обработки показал одинаковые эффекты независимо от типа почвы.

    Ограничения и будущие масштабы

    Это исследование было проведено для изучения влияния аборигенных бактерий на улучшение инженерных свойств обширной почвы с помощью обработки MICP. В текущем исследовании были проведены лабораторные испытания, чтобы понять инженерное поведение биообработанного экспансивного золя. Однако, чтобы понять фактическое поведение экспансивного грунта, обработанного MICP, необходимы крупномасштабные испытания.В настоящем исследовании не рассматриваются характеристики долговечности и экологические последствия биообработанной экспансивной почвы; следовательно, для оценки долгосрочной эффективности может быть проведено исследование различных воздействий окружающей среды. На уровне микроструктуры идентификация бактерий для лучшего эффекта цементирования требует дальнейшей оценки. Количественная оценка биопленки, образовавшейся во время процедуры лечения, в этом исследовании не исследуется; следовательно, это также можно учесть в будущих объемах работы.

    Границы | Влияние добавления порошка гребешка на MICP-обработку аморфного торфа

    Введение

    Торф, одна из наиболее проблемных почв, образуется в результате скопления частично или полностью разложившихся растительных остатков в отсутствие окислительной среды (O’Kelly, 2015) . Торфяники присутствуют в различных частях мира, и их площадь, по оценкам, составляет около 8% поверхности Земли (что эквивалентно 4,23 миллиона км 9 · 1049 2 9 · 1050) (Mesri and Ajlouni, 2007; Xu et al., 2018). Проблема, связанная с торфяными отложениями, заключается в их низкой насыпной плотности, низкой прочности на сдвиг и чрезвычайной сжимаемости (Huat et al., 2014; Paul and Hussain, 2020). Из-за плохих технических характеристик развитие инфраструктуры на торфяниках часто сопряжено с риском нарушения несущей способности и чрезмерной общей и / или дифференциальной осадки. В то же время отказ от торфяников уже не может быть решением из-за растущего дефицита подходящих земель для строительства. Следовательно, для обеспечения роста инфраструктуры и обитания в непосредственной близости от торфяников почву необходимо обрабатывать соответствующим образом, учитывая как геотехнические свойства, так и требования к проектированию.

    Несколько десятилетий назад был внедрен ряд механических и химических методов улучшения геотехнических свойств торфа. Менее сложным методом были раскопки. Во время раскопок отложения выкапывались и заменялись твердыми материалами (такими как песок) для повышения несущей способности торфяников (Zulkifley et al., 2014). Вместо этого, когда торф занимал глубину более 5 м, свайные основания пробивались к коренным породам / твердым пластам через торф. Хотя свайные опоры могут в значительной степени свести к минимуму проблемы с оседанием, инфраструктура по-прежнему подвергалась дифференциальным оседаниям и наклону (Huat, 2004).Кроме того, используя накопленный опыт, исследователи разработали несколько других методов, включая сборные вертикальные дрены (PVD), песчаные дрены и методы предварительной нагрузки, чтобы ускорить процесс консолидации, тем самым улучшив несущую способность торфяников (Hayashi et al., 2011; Rowe and Taechakumthorn, 2008). Самой большой проблемой для прежних методов была недоступность, поскольку они требовали высокопроизводительного оборудования и значительного количества энергии. Тем временем химические связующие (например, портландцемент (ПК), летучая зола, доменный шлак, бентонит и гипс) также использовались для улучшения пригодности торфа (Aiken et al., 2020; Хебиб и Фаррелл, 2003; Пол и Хуссейн, 2020; Zulkifley et al., 2014). Среди них наиболее рекомендуемым вяжущим был ПК, включающий процессы гидратации для упрочнения торфа (Kalantari, 2010; Paul and Hussain, 2020). Однако, как указывает Benhelal et al. (2012) недостатком большинства связующих является то, что их производство в значительной степени способствует решению экологических проблем, выделяя газы CO 2 и SO 2 . Из обзора литературы ясно одно: существует высокая потребность общества в новых методах стабилизации в сочетании с технологическим развитием.

    В качестве альтернативы, микробиологические карбонатные осадки (MICP), недавно разработанная технология улучшения почвы, вызвали большой интерес среди исследователей (Achal and Kawasaki, 2016; Ivanov et al., 2019; Omoregie et al., 2020). Механизм MICP включает непатогенные бактерии и их метаболизм для стабилизации, аналогично естественному процессу биоминерализации. Ферменты уреазы, локализованные в бактериях (либо в клеточной мембране, либо в цитоплазме), выполняют каталитическую функцию, то есть гидролиз мочевины (см.1). В водной среде продукты (угольная кислота и аммиак) уравновешиваются с образованием ионов аммония (Nh5 +) и бикарбоната (HCO3-) (уравнения 2, 3 соответственно). Производство гидроксильных (OH-) ионов увеличивает pH реакционной среды и приводит к образованию карбонат-ионов (CO32-) (уравнение 4) с последующей кристаллизацией CaCO3 в присутствии / подаче растворенного кальция (как в Уравнение 5). Затем осадки цементируют частицы почвы на контактах между частицами (где бактериальные клетки обеспечивают зародышеобразование) для увеличения прочности и жесткости матрицы (DeJong et al., 2010; Lin et al., 2016).

    h3N − CO − Nh3 + 2h3O → уреаза h3CO3 + 2Nh4, (1) Nh4 + h3O ↔Nh5 ++ OH -, (2) h3CO3 ↔ HCO3− + H +, (3) HCO3− + OH− ↔ CO32− + h3O, (4) Ca2 ++ CO32- → CaCO3 (↓), (5)

    Подавляющее большинство исследований MICP до сих пор было сосредоточено на улучшении песчаных почв, в то время как внимание, уделяемое различным почвам (таким как глина, торф), очень ограничено. После исследования, проведенного Whiffin (2004), Sporosarcina pasteurii в основном участвовали в последующих исследованиях для оценки различных физических и механических свойств песчаных почв, обработанных MICP, в различных масштабах (Cheng and Cord-Ruwisch, 2014; Feng and Montoya, 2016; ван Паассен и др., 2010). Немногие исследования могут расширить методику стабилизации мягких грунтов. Например, Islam et al. (2020) оценили влияние содержания глины на обработку MICP. Их результаты показали, что, хотя образование карбоната кальция могло незначительно увеличить предел прочности на неограниченное сжатие (UCS), значения, достигнутые после насыщения, были намного ниже 50 кПа. Об относительно аналогичных результатах также сообщили Sato et al. (2016) для торфа, обработанного MICP, где их значения UCS после одного месяца выдержки составляли от 5 до 30 кПа.В другом случае обработанный торф показал прочность на сдвиг около 20 кПа, что соответствует содержанию 20% CaCO 3 (Canakci et al., 2015), в то время как песчаные почвы показали значения прочности в диапазоне МПа для такое же количество осадков (Gowthaman et al., 2020; Sharma et al., 2021; van Paassen et al., 2010). Следует отметить, что большинство существующих исследований, направленных на улучшение торфа, не смогли удовлетворить минимальные требования к прочности, то есть 50 кПа, что является пороговым значением UCS, необходимым для перевозки самосвалов по торфяникам.Меньший размер порового канала является одной из основных причин низкой прочности, достигаемой в торфяных почвах, обработанных MICP, поскольку он ограничивает перенос / проникновение бактериальных клеток в почву, тем самым влияя на эффективность типичного подхода MICP на основе инъекций (Mitchell and Santamarina, 2005). В частности, вышеупомянутая проблема более выражена для аморфного торфа, который имеет более низкую структуру открытых пор и более низкую гидравлическую проводимость по сравнению с волокнистым торфом. По предложению Keykha et al.(2012), Safdar et al. (2021) использовали электрокинетическую инъекцию для преодоления ограничений, связанных со скоростью переноса в торфяных почвах. Со временем Чен и др. (2021) предложили и продемонстрировали метод сухого перемешивания для эффективной обработки торфа. Фактически, органические частицы имеют слабую природу. При воздействии нагрузки они быстро подвергаются локальному разрушению, а не разрушению мостов из CaCO 3 (Canakci et al., 2015). Таким образом, очевидно, что одна только фиксация MICP не может быть эффективной для удовлетворительного повышения жесткости каркаса и улучшения механических свойств торфа.

    Принимая во внимание предыдущие исследования, настоящая исследовательская работа была разработана с целью оценки применимости и эффективности порошка из скорлупы гребешка (SSP) при обработке аморфного торфа с помощью MICP. Гипотеза заключалась в том, что добавление SSP, богатого карбонатом кальция, приведет к усилению связности и образованию минерального скелета по всему торфу, что сопровождается увеличением его прочности. Вышеупомянутая гипотеза была оценена с помощью испытаний на неограниченное сжатие, сканирующей электронной микроскопии (SEM), энергодисперсионного рентгеновского (EDX) анализа и рентгеноструктурного анализа (XRD).Все результаты, полученные в этом исследовании, подробно обсуждаются в следующих разделах.

    Материалы, методы и процессы

    Характеристики торфа

    В Японии месторождения торфа в основном находятся на острове Хоккайдо (самый северный остров из четырех основных островов Японии), но небольшое распространение существует и на других островах. Как показано на дополнительном рисунке S1, около 2 000 км 2 занято торфяными залежами на Хоккайдо, которые, как сообщается, составляют примерно 6% равнинной территории Хоккайдо (Noto, 1991).Торф, используемый в этом исследовании, был получен из Томикавы, Хоккайдо, Япония (указан на дополнительном рисунке S1). Полученные образцы были тщательно запакованы в полиэтиленовые пакеты, доставлены в лабораторию и сохранены при 4 ° C без потери влаги. Основные физические и химические свойства, определенные на основе японских промышленных стандартов (JIS), представлены в таблице 1. Было обнаружено, что почва представляет собой смесь минералов и органических веществ в том виде, в каком она была получена. Темно-сероватый цвет без видимой структуры растения и мягкая консистенция указывает на шкалу гумификации сапра, то есть на подгруппу «Pta» согласно Системе классификации органических почв (Huat, 2004; Zulkifley et al., 2013). По содержанию органических веществ (> 20%) почва была определена как глинистый (глина> 50%) аморфный торф.

    ТАБЛИЦА 1 . Основные физико-химические характеристики аморфного торфа.

    Порошок раковины гребешка

    Порошок раковины морского гребешка ( Mizuhopecten yessoensis ), использованный в этом исследовании, был коммерчески получен от Промышленной ассоциации экологической переработки Аомори (префектура Аомори, Япония). Кривая гранулометрического состава SSP представлена ​​на рисунке 1.Средний диаметр частиц SSP составлял приблизительно 0,125 мм. Кроме того, химические свойства SSP перечислены вместе со стандартами испытаний в таблице 2. Как и ожидалось, SSP содержал в основном кальциевый компонент. Стоит отметить, что серебро и медь, которые обычно обладают свойствами антибиотиков, не были обнаружены в SSP (<0,01%). PH SSP составлял около 10,0 при комнатной температуре.

    РИСУНОК 1 . Кривая гранулометрического состава SSP, использованная в этом исследовании.

    ТАБЛИЦА 2 . Результаты анализа химического состава ССП.

    Уреолитические бактерии

    Sporosarcina sp. (SIID 33506), алкалифильные почвенные бактерии с уровнем биобезопасности 1, были использованы в этом исследовании для индукции цементации MICP. Бактерии были ранее выделены из торфяников Ивамидзава (Хоккайдо, Япония) и, как известно, обладают надежными ферментативными свойствами. Для культивирования бактерий использовали среду с аммонийно-дрожжевым экстрактом (ATCC 1376), которая состояла из 10 г / л сульфата аммония, 20 г / л дрожжевого экстракта и 15.7 г / л трис-буфера. Среды для роста инокулировали исходной культурой бактерий и подвергали инкубации при встряхивании при 25 ± 1 ° C и 160 об / мин. Когда популяция бактерий (OD 600 ) достигла оптимального значения (OD 600 4,0 ± 0,2, обычно через 48 ч), культуру бактерий центрифугировали при 8000 об / мин в течение 5 минут и регулировали объем супернатанта. для достижения желаемого уровня популяции OD 600 8,0 ± 0,1. Уреазная активность бактерий составляла примерно 1.0 ± 0,3 Ед / мл / OD 600 при 25 ± 1 ° C.

    Подготовка и обработка

    MICP вводили в торф путем механического перемешивания. Каждый образец готовили отдельно в соответствии с условиями испытания. Определенное количество торфяной почвы (300 г / образец) помещали в механический смеситель (рис. 2A), после чего добавляли CaO 2 , ресурсы MICP (хлорид кальция, мочевину и питательный бульон), раствор для культивирования бактерий. , и SSP в указанной выше последовательности.Каждый образец был подвергнут одинаковым условиям перемешивания в течение 6 мин. Как упоминалось, CaO 2 вводили на первой стадии перемешивания для повышения pH кислого торфа. По сути, CaO 2 представляет собой щелочной материал, широко используемый в качестве удобрения и дешево доступный на рынке; поэтому CaO 2 постоянно использовался в качестве регулятора pH, обеспечивая благоприятные химические условия для реакции гидролиза мочевины. На промежуточной стадии перемешивания в почву вносили хлорид кальция, мочевину и питательный бульон.После этого добавляли 20 мл (на 300 г торфа) приготовленной культуры бактерий и однородно перемешивали. На завершающем этапе в почву вносили ССП. Следует отметить, что все вещества, кроме культуры бактерий, были внесены в твердую фазу и позволили раствориться в избыточной влажности торфяных почв. Затем смесь помещали в цилиндрические устойчивые к реакции формы (5 см в диаметре и 10 см в высоту) (рис. 2B) тремя эквивалентными слоями, и каждый слой уплотняли с использованием 2.Молоток весом 2 фунта с 25 равномерно распределенными ударами. Поверхность образцов покрывали полиэтиленовой пленкой, чтобы избежать потери влаги из-за испарения, а затем подвергали отверждению в инкубаторе при 25 ° C.

    РИСУНОК 2 . Приготовление образцов аморфного торфа: (A), механический смеситель и (B) образцов, помещенных в инертные цилиндрические формы диаметром 50 мм и высотой 100 мм.

    Составы смесей

    В таблице 3 приведены все дизайны смесей, использованные в этом экспериментальном исследовании.Как показано, был приготовлен ряд образцов с различными дозировками и составами связующего. Представленные здесь дозировки основаны на массе (мас. / Мас.) Аморфного торфа при среднем содержании воды 120%. Для сравнения был приготовлен набор контрольных образцов (случаи 1.1–1.3). Случай 1.1 представлял собой сырой аморфный торф, который был приготовлен без каких-либо предварительных обработок и добавок. В других наборах (случаи 1.2 и 1.3) торф обрабатывали только реагентами (CaCl 2 / мочевина / питательный бульон) без какой-либо культуры уреолитических бактерий.Дозировка SSP варьировалась от 0 до 50% (см. Случаи 2–12). Диапазон дозировки SSP был разумно выбран таким, чтобы он соответствовал типичной дозировке PC, используемой для стабилизации торфяных отложений (Paul and Hussain, 2020). Дозировка связующего (MICP) варьировалась для трех разных уровней (см. Случаи 13–15). Фактически, эти три уровня соответствуют концентрациям 0,5, 1,0 и 2,0 моль / л CaCl 2 и мочевины (случаи 13, 14 и 15 соответственно), если предполагается, что основной объем образца эквивалентен объем растворителя.Указанный выше диапазон концентраций был выбран на основании предыдущих отчетов (Dhami et al., 2013; Mujah et al., 2017). На основе разработанного наилучшего дизайна смеси были выполнены случаи 16–19 для оценки влияния времени отверждения. Испытание на неограниченное сжатие, одно из широко используемых лабораторных испытаний для стабилизации грунта (Kawasaki and Akiyama, 2013), было проведено на обработанных образцах торфа (таблица 3), и было оценено влияние факторов на их UCS. Поскольку это экспериментальное исследование для оценки возможного использования SSP в лечении MICP, для каждого случая был подготовлен и протестирован один образец.

    ТАБЛИЦА 3 . Смешайте конструкции образцов, подготовленных для испытаний на неограниченное сжатие.

    Методы испытаний

    После отверждения формы были удалены, и образцы были осторожно извлечены. ПСК испытуемых образцов измеряли с помощью машины для испытания на сжатие Т266-31100 (Seikensha Co., Ltd., Япония). Во время испытания с контролируемым смещением образцы сжимали со скоростью осевой деформации 1% / мин до тех пор, пока осевая деформация не достигла 16%. Испытательная установка, используемая для измерения ПСК, изображена на рисунке 3.PH измеряли с помощью pH-метра LAQUA-9615S (HORIBA Advanced Co., Ltd., Япония) с целью оценки щелочности торфа после смешивания. После испытаний на сжатие из образцов были взяты репрезентативные образцы и исследованы с помощью SEM с использованием Miniscope TM 3000 (Hitachi, Tokyo, Japan) после сушки в печи при 60 ° C в течение 24 часов для наблюдения микроструктуры торфа, обработанного MICP. EDX-анализ был проведен для картирования химического распределения продуктов кальция и кремнезема в обработанном торфе.Чтобы свести к минимуму заряды, возникающие от электронного луча, и обеспечить высококачественное изображение, образцы были покрыты ультратонким слоем углерода с использованием EC-32010CC (JEOL) (Токио, Япония). Кроме того, XRD-анализ проводился на порошкообразных образцах при скорости сканирования 6,5 ° / мин и под углами от 5 ° до 70 ° (2 θ ) с использованием дифрактометра (MultiFlex-Rigaku, Токио, Япония), оснащенного Источник рентгеновского излучения.

    РИСУНОК 3 . Наладка оборудования: испытание на неограниченное сжатие.

    Результаты и обсуждение

    Регулирование pH торфа

    Начальный pH почвы / реакционной среды является важным фактором, который регулирует рост бактерий, метаболизм бактерий и образование CaCO 3 (Tang et al., 2020). На основании многих предыдущих отчетов ясно, что самая высокая скорость разложения мочевины у бактерий находится в диапазоне от нейтральных до слабощелочных условий (Whiffin et al., 2007; Fujita et al., 2017; Gowthaman et al., 2019). Кроме того, нейтральные щелочные условия увеличивают долю общего карбоната, который существует в виде CO 3 2-, создавая идеальные условия для образования CaCO 3 (Cheng et al., 2014; Keykha et al., 2017 ). Потому что pH изученного здесь торфа составлял 2.5, его регулирование было предпосылкой для эффективного лечения MICP. Поэтому для определения подходящей дозировки регулятора pH торф был приготовлен с различными дозировками CaO 2 (0–5% по весу) и испытан на pH после процесса смешивания. Из результатов (дополнительный рисунок S2A) можно было видеть, что pH увеличивается с увеличением дозировки CaO 2 , что позволяет предположить, что эта доза может нейтрализовать гуминовую кислоту в торфе. Основываясь на этих предварительных результатах, была выбрана 1% -ная дозировка CaO 2 , чтобы поднять pH торфяной смеси с 2.5 к 5.0. Однако окончательный pH смеси был определен SSP. Как показано на дополнительном рисунке S2B, гуминовые вещества дополнительно имели тенденцию к нейтрализации при введении SSP, таким образом, pH смеси поднимался выше 6,0. Стоит отметить, что такое начальное значение pH намного выше требуемого pH, чтобы стабилизация торфа на основе MICP была эффективной, как показано Canakci et al. (2015).

    Прочность на неограниченное сжатие

    Влияние порошка раковины гребешка на неограниченную прочность на сжатие торфа

    На рис. 4A показано влияние SSP на реакцию напряжения-деформации торфа, обработанного MICP, при сжатии.В вышеупомянутых случаях образцы обрабатывались идентично (за исключением дозировки SSP) и тестировались через 7 дней отверждения. На рис. 4В сравниваются значения UCS обработанного торфа с различными контрольными случаями. Следует отметить, что UCS сырого торфа Томикава (Хоккайдо, Япония) оказалось равным 8,3 кПа (случаи 1.1). Между тем, UCS составлял 16,6 ± 1,6 кПа для торфа, обработанного с использованием реагентов MICP, без какой-либо культуры бактерий (случаи 1,2 и 1,3), что использовалось в качестве эталона для сравнения с обработанным торфом.Когда MICP вводился исключительно в торф (см. 0% на рисунке 4A), UCS увеличивался примерно до 16,2 кПа, указывая на то, что один MICP не эффективен для придания жесткости скелету торфа. Однако было обнаружено, что UCS значительно усиливается, когда SSP участвует в обработке торфа с помощью MICP. Наблюдения (на фиг. 4B) предполагают, что увеличение UCS было получено с увеличением дозировки SSP при лечении MICP. Из-за дозировки от 10 до 50% SSP у торфа, обработанного MICP, наблюдалось увеличение UCS примерно на 16–206%, соответственно.

    РИСУНОК 4 . (A) Влияние SSP на реакцию стресса-деформации обработанного MICP торфа при сжатии: сравнение между случаями 2–7 и (B) сравнение UCS вместе с контрольными случаями.

    Отношения между напряжением и деформацией торфа, обработанного только SSP (т.е. в отсутствие MICP), показаны на Рисунке 5A. Выявлено, что UCS увеличивался с увеличением дозировки SSP, что согласуется с тенденцией, наблюдаемой для случаев MICP + SSP (см. Рисунок 4A).Общее сравнение (представленное на рисунке 5B), однако, предполагает, что усиление, вызванное SSP, было второстепенным (по сравнению с лечением MICP + SSP). Например, сравнение UCS, соответствующего 50% SSP, показывает увеличение на 140% при лечении только SSP, в то время как оно было выше 200% при одновременном лечении SSP и MICP (рис. 5B). Эта разница в прочности на 27% ясно демонстрирует связывающий эффект MICP в торфяных отложениях.

    РИСУНОК 5 . (A) Влияние SSP на реакцию стресса-деформации торфа (без MICP): сравнение между случаями 8–12 и (B) сравнение UCS как с MICP, так и с контрольными случаями.

    Ряд предыдущих исследований показали, что сжимаемость торфяных отложений определяется многими факторами, такими как содержание воды, плотность, характеристики волокон, степень разложения и наличие неорганических минералов (Zulkifley et al., 2014; O ‘ Келли, 2017; Пол и Хусейн, 2020). Здесь основным механизмом дозировки SSP для повышения прочности торфа, возможно, является его уплотнение. На рисунке 6 показано изменение плотности в сухом состоянии (определенной после подготовки образцов) от дозировки SSP.Наблюдение показывает, что увеличение дозировки SSP уменьшило коэффициент пустотности и увеличило плотность торфа в сухом состоянии, и, таким образом, увеличило сопротивление сжатию, как показано на рисунке 5. В то же время образцы торфа приобрели дополнительную прочность, когда MICP был реализован вместе с дозировкой SSP (см. рисунок 4). Это может быть связано с образованием кристаллов карбоната кальция в зонах контакта частиц с частицами в результате гидролиза мочевины, который приводит к структурной целостности образца.

    РИСУНОК 6 . Изменение сухой плотности образцов с увеличением дозировки SSP.

    При высоком содержании воды и низкой плотности твердые частицы в торфе меньше взаимодействуют с соседними частицами (Chen et al., 2021). В результате эффективные связи карбоната кальция между соседними твердыми веществами были ограниченно достижимы, когда MICP индуцировался отдельно. Однако поправка SSP помогла преодолеть эту конкуренцию. По мере увеличения дозировки SSP от 0 до 50% эффективность MICP становилась более выраженной.Аналогичное наблюдение было также опубликовано Феном и Монтойей (2016), что более плотное исходное состояние почвы приводит к более высокой прочности при обработке MICP. Кроме того, по мере выполнения MICP молекулы воды постепенно расходуются. Например, торф, обработанный 50% SSP и MICP, показал начальное содержание воды около 55,0%, однако было обнаружено, что оно составляет около 48,5% после 7-дневного периода отверждения. Стоит отметить, что потребление воды во время процесса отверждения способствовало бы увеличению твердости торфа, что является желательным.

    Кроме того, кривые напряжение-деформация (рис. 5) показывают очевидные изменения в деформационном поведении торфа; добавка SSP повысила жесткость и изменила режим разрушения торфа с пластичного на хрупкий. На рис.7 представлены фотографии образцов деформированного торфа разных случаев сразу после испытаний на сжатие. Как и ожидалось, необработанный торф (рис. 7А) оставался очень мягким и демонстрировал вздутые и дискретные разрушения из-за отсутствия сцепления между частицами.Подобная деформация также наблюдалась ранее O’Kelly (2015) для сырого аморфного торфа. Когда MICP был реализован исключительно, разделения в образце не происходило во время сжатия (рис. 7B), что указывает на увеличение сил сцепления между частицами. Однако образец оказался недостаточно жестким, поэтому подвергся пластическому сжатию. Образцы, которые были обработаны только SSP (рисунки 7C, D), показали характер разрушения при сдвиге при сжатии, что, скорее всего, является деформационным поведением неорганической мягкой глины (Arpajirakul et al., 2021). С другой стороны, ни расщепление, ни явные локальные разрушения не наблюдались в образцах, обработанных путем интеграции MICP и SSP (рисунки 7E, F). Этот хорошо сохранившийся скелет служит доказательством того, что бактерии, которые были распределены по образцу, могут вызывать цементацию MICP между частицами во время обработки и повышать стойкость смеси SSP-торф.

    РИСУНОК 7 . Фотографии, демонстрирующие характер разрушения испытанных образцов торфа: (A) необработанный (случай 1.1), (B) , обработанные только MICP (случай 2), (C, D) , обработанные только 30 и 50% SSP (случай 10 и 12, соответственно) и (E, F) обработанные по MICP + 30% SSP и MICP + 50% SSP (случаи 5 и 7 соответственно).

    Влияние дозировки связующего на неограниченную прочность торфа при сжатии

    На рис. 8 сравниваются графики напряжения-деформации образцов, обработанных с использованием различных исходных композиций связующего, то есть концентрации ресурсов MICP в диапазоне от 0.От 5 до 2,0 моль / л. Как упоминалось ранее, UCS контрольного образца составляла 16,6 кПа. Из рисунка 8 видно, что образец с концентрацией связующего 1 моль / л имел оптимальное значение UCS около 50 кПа к концу 7 дней отверждения. Образцы, обработанные 2 моль / л, показали ослабление; измеренная UCS была меньше, чем даже UCS сырого торфа. Ожидалось, что увеличение начальной дозировки вяжущего улучшит упрочнение торфа, но вместо этого более высокие начальные концентрации показали противоположный эффект на жесткость образцов торфа, что согласуется с литературными данными (Chen et al., 2021). Это несоответствие можно объяснить несколькими факторами, такими как денатурация фермента и ингибирование активности уреазы. Мочевина – хорошо известный хаотропный агент, дестабилизирующий белок при высоких концентрациях (Cabrita and Bottomley, 2004; Yamaguchi and Miyazaki, 2014). Во время обработки концентрированной мочевиной 2 моль / л (случаи 15) гидрофобные взаимодействия в молекулах белка, возможно, были нарушены, что привело к снижению функциональности бактерий. Возможно, как отмечает Сафдар и др. (2021) указали на более высокие концентрации хлорида кальция (например,g., 2 моль / л) также может ингибировать гидролиз мочевины. Здесь результаты показывают, что для эффективной стабилизации торфяной почвы необходимо надлежащим образом определить концентрацию ресурсов MICP.

    РИСУНОК 8 . Влияние дозировки связующего вещества MICP на упрочнение обработанного аморфного торфа: сравнение между случаями 13–15.

    Влияние периода отверждения на неограниченную прочность на сжатие торфа

    На рисунке 9A показано изменение UCS с разными периодами отверждения (через 2, 7, 14 и 28 дней).Как показано, UCS увеличивается с увеличением периода отверждения. Например, к концу 2-дневного периода отверждения UCS оставался на уровне около 20 кПа и увеличился более чем на 100 кПа к концу 28-дневного периода отверждения. При обработке MICP упрочнение торфа имеет тенденцию происходить из-за образования CaCO 3 , который может уменьшить пустоты и цементировать органические частицы, а также частицы SSP. Поскольку содержание карбоната кальция в осадках увеличивалось с увеличением времени отверждения, образцы торфа постепенно становились более жесткими.

    РИСУНОК 9 . (A) Влияние продолжительности отверждения на упрочнение обработанного аморфного торфа: сравнение между случаями 16–19 и (B) сравнение содержания осажденного CaCO 3 .

    Количественная оценка осажденного CaCO 3 часто является важной частью исследований по улучшению почвы, связанных с MICP. Большинство исследователей оценили количество CaCO 3 методом промывки кислотой; широко распространены два подхода: (i) измерение разницы между сухой массой почвы до и после растворения CaCO 3 (Neupane et al., 2015) и (ii) измерение давления газа CO 2 , выделяемого во время реакции CaCO 3 с HCl (Fukue et al., 2011; Gowthaman et al., 2021a). Однако методы кислотной промывки менее применимы к почвам, которые уже состоят из карбонатов по своей минералогии. Поскольку компонент SSP представляет собой CaCO 3 , определение осажденного CaCO 3 путем промывки кислотой здесь было очень сложной задачей. В качестве альтернативы, ионы Ca 2+ , присутствующие в торфе до и после отверждения, оценивали количественно, и разницу рассматривали как вклад в кристаллизацию.На Фигуре 9В показано расчетное содержание CaCO 3 после 7 и 28 дней отверждения вместе с теоретическим максимумом. Измерения показали, что содержание осадков к концу 28-дневного периода отверждения составило около 3,6% (т.е. 0,036 г / г торфа), что в 1,5 раза выше по сравнению с количеством осадков, выпавших после 7-дневного периода отверждения. Важно отметить, что количество осадков, достигнутое за 28 дней, составило около 55% от теоретического максимума, который мог выпасть (∼6.5% по весу). Разницу в конверсии можно объяснить денатурацией микробной уреазы. Многие предыдущие исследования показали, что активность бактерий начинает снижаться через 1-2 недели, что, вероятно, связано со следующими причинами: дефицит питательных веществ, нехватка кислорода и протеолиз (Whiffin 2004; Gowthaman et al., 2019). В результате неполного гидролиза мочевины достигнутое содержание CaCO 3 (3,6%) было значительно ниже максимально возможного значения (6.5%). Тем не менее, подтверждено, что усиление UCS обычно выше для более высокого содержания осадков.

    Характеристика микроструктуры

    СЭМ-изображения, представленные на Фигуре 10, иллюстрируют морфологию как необработанного, так и обработанного аморфного торфа. Необработанный торф, показанный на Фигуре 10А, имел сложную текстуру, и компоненты было трудно различить при наблюдении. Отсутствие видимых растительных остатков / мусора в скоплении дополнительно указывало на высокую степень разложения аморфного торфа.В торфе, обработанном MICP, на поверхностях и вокруг них был виден слой кристаллов неправильной формы (рис. 10В). Кристаллы были небольшими и, скорее всего, имели ромбоэдрическую форму. Однако эти цементации MICP в точках соединения органических частиц незначительно улучшили UCS обработанной матрицы. Как подчеркивается Canakci et al. (2015), разрушение органической матрицы, как правило, происходит из-за слабых органических частиц, а не из-за связей карбоната кальция, когда возникает напряжение.Таким образом, даже после обработки на торфе было получено плохое улучшение.

    РИСУНОК 10 . Микрофотографии необработанного торфа (A), , (B), торфа, обработанного только MICP, (C), торфа, обработанного только SSP, и торфа (D) , обработанного MICP + SSP.

    Распределение SSP в торфе показано на рисунке 10C, из которого видно, что смешанные пластинчатые частицы SSP (в диапазоне от 0,1 до 1 мм) были разбросаны по торфу. Однако добавление SSP само по себе также маловероятно, чтобы привести к жесткому каркасу торфа, то есть достигнутая UCS была менее 40 кПа, что соответствует дозировке 50% SSP, которая все еще ниже типичного порогового значения в 50 кПа.В основном это можно объяснить отсутствием связывающего эффекта. Кроме того, в большинстве мест наблюдались огромные промежутки между частицами SSP, указывающие на слабое развитие силовой цепи карбоната кальция. В то же время, когда MICP был интегрирован вместе с SSP, каркас оказался улучшенным, как и ожидалось (рис. 10D). Снова отчетливо наблюдались ромбоэдрические кристаллы, которые образовывали мосты не только между частицами почвы, но также между SSP и частицами почвы, и в конечном итоге приводили к более прочной почве с UCS более 50 кПа.

    Фактически, термин «связность» был бы более подходящим здесь для обсуждения усиления торфа. Для торфа, чтобы получить достаточную прочность на сжатие, необходимо улучшить удельное сопротивление каркаса (Wong et al., 2013). В случае ПК образование пористого цементного геля (состоящего из гидрата кремнезема кальция, эттрингита и гашеной извести) продолжает прорастать через поровые пространства и развивает связность торфяной почвы, тем самым повышая ее общее сопротивление сжатию (Zulkifley et al. al., 2014). Здесь, хотя кристаллы карбоната кальция образуются вокруг и / или между частицами торфа, общая связность, достигаемая в скелете, очень ограничена, что также согласуется со случаем, обработанным только SSP. Вышеупомянутая концепция была хорошо подтверждена путем картирования распределения кальция в торфе (на основе анализа EDX), который является заменителем карбоната кальция (см. Рисунок 11). Обнаружение в комбинированном случае Торф + MICP + SSP выявило значительное увеличение общей связности жесткого карбоната кальция (кальций был обнаружен в желтом цвете) через органическую матрицу и кремнезем (кремнезем был обнаружен в красном цвете) (Рисунок 11) .Графики зависимости интенсивности от энергии можно найти на дополнительном рисунке S3. В частности, SSP большого размера с большей вероятностью может быть связан кристаллизацией MICP. В результате развития этой цепи образцы смогли противостоять высоким сжимающим усилиям и показали меньшую деформацию. Стоит отметить, что авторы считают, что дальнейшее увеличение содержания SSP в лечении приведет к более высокому UCS, что может быть сопоставимо с традиционными методами лечения.

    РИСУНОК 11 .СЭМ-изображения необработанного и обработанного торфа, а также EDX-анализ, показывающий распределение кремнезема и кальция в торфе (область, выделенная красным и желтым цветом соответственно).

    Рентгеноструктурный анализ подтвердил, что основными минералами, присутствующими в сыром торфе и SSP, были кварц и кальцит, соответственно (см. Рисунки 12A, B). Фактически, присутствие кварца очень часто встречается в торфяных месторождениях в зависимости от окружающей геологии торфяников, и предыдущие исследования также свидетельствовали о наличии кварца в торфяных почвах (Paul and Hussain, 2020).Из фиг. 12C, D можно видеть, что полиморф карбоната кальция, который минерализовался во время MICP, был кальцитом. Следует отметить, что даже несмотря на то, что типом осадков был кальцит, типичные более крупные кластеры не были обнаружены при анализе SEM; но вместо этого была захвачена неидентифицируемая микроструктура меньшего размера (рис. 12C). Это могло быть связано с влиянием органического вещества, тормозившего рост кристаллов. В нескольких предыдущих исследованиях сообщалось, что содержание органического вещества частично истощает поступающие ионы Ca 2+ , ингибируя реакции цементации (Venda Oliveira and Neves, 2019; Chung et al., 2020). Тем не менее осажденный кальцит является ответственным материалом, который помогает связывать органические вещества и SSP вместе.

    РИСУНОК 12 . Репрезентативный XRD-анализ минералогических характеристик сырого торфа (A) , (B) SSP, (C) аморфного торфа, обработанного MICP, и (D) , обработанного MICP + SSP аморфного торфа.

    Бактерии, продуцирующие уреазу, в большом количестве обнаружены в почвах (Mitchell and Santamarina, 2005).Однако процесс MICP (т.е. гидролиз мочевины) высвобождает побочные продукты аммония, которые нежелательны для гео-окружающей среды (Mohsenzadeh et al., 2021). Загрязнение ионами аммония приведет к подкислению грунтовых вод и / или водоемов, что в конечном итоге скажется на жизни растений и животных. В частности, высокое содержание водного аммиака в поверхностных водах усиливает цветение токсичных водорослей, истощает растворенный кислород и приводит к токсичности в водной среде, которая вредна для водной микрофлоры (Keykha et al., 2019). Следовательно, для успешного инженерного применения требуются средства / методы для удаления побочных продуктов аммония из пластов, обработанных MICP, что, вероятно, было бы сложным процессом в промышленном масштабе.

    Возможность применения предлагаемого метода в промышленных масштабах требует тщательной оценки с различных точек зрения. В целом, неразрушающие методы являются убедительными передовыми методами и предпочтительнее в инженерно-геологической инженерии. Однако аморфные торфяники, вероятно, будут проблемой для снабжения бактериями и реагентами из-за их менее открытой пористой структуры и гидравлической проводимости. Таким образом, смешивание на месте может быть наиболее подходящим способом реализации.Подобно тому, что было продемонстрировано в пилотном масштабе, бактерии, реагенты и питательные вещества могут быть внесены в торфяники с помощью механических смесителей, которые обычно использовались для смешивания ПК. Принимая во внимание проблемы, жизнеспособность бактериальных клеток в условиях стресса, связанного с промышленным смешиванием, была главной проблемой. Однако недавняя работа подтвердила возможность использования грамположительных бактерий (например, Sporosarcina sp.), Которые имеют толстые клеточные стенки для потенциальной защиты от прокола / лизиса в процессе промышленного смешивания (Duraisamy, 2016).Следует отметить, что при существующей инфраструктуре предлагаемое смешивание может быть менее осуществимым. Долговечность CaCO 3 в кислой среде торфа является еще одной часто вызываемой проблемой (Gowthaman et al., 2021b). Однако корректировка pH, выполненная на ранней стадии обработки (с использованием CaO 2 ), может дать положительный результат, обеспечивая ее долговечность и стойкость.

    Заключение

    MICP – это один из новых методов улучшения почвы, который в последнее время привлекает значительное внимание для стабилизации различных почв.Работа, представленная в этом исследовании, была разработана для оценки жизнеспособности использования SSP для улучшения механических свойств аморфного торфа, обработанного MICP. Программа оценки основывалась в основном на испытаниях на неограниченное сжатие, анализе SEM, EDX и XRD, и на основании результатов исследования можно было сделать следующие выводы.

    Использование CaO 2 (удобрение) показало высокий потенциал регулирования pH кислого аморфного торфа. Результаты показали, что 1% (по весу) может повысить pH торфа, чтобы обеспечить желаемую среду для гидролиза мочевины.Было очевидно, что традиционный подход MICP привел к образованию кристаллов карбоната кальция, что привело к цементации между органическими частицами. Однако увеличение UCS не было значительным. Было показано, что предлагаемый подход с включением SSP повышает UCS выше порогового значения UCS, необходимого для перевозки самосвалов по торфяникам. Улучшение может быть связано с увеличением плотности, а также развитием прочной связи по всему обрабатываемому торфу.Результаты также показали, что UCS увеличивается с увеличением содержания SSP и увеличением периода отверждения, в то время как оптимальная концентрация ресурсов MICP для лечения, как было установлено, составляет 1 моль / л. Например, UCS торфа, обработанного 50% SSP и 1 моль / л MICP, показал UCS более 100 кПа после 28 дней отверждения, что примерно в 6,5 раз выше, чем у необработанного торфа. Авторы считают, что увеличение количества циклов перемешивания приведет к дальнейшему увеличению UCS, и это оставлено на будущее.Анализы SEM и EDS показали, что присутствие SSP и минерализованного карбоната кальция внутри торфа поддерживает основной механизм упрочнения, то есть повышение связности карбоната по всему торфу. В результате каркас стал устойчивым к сжатию, и режим разрушения образца перешел от вздутия / дискретного разрушения к разрушению при сдвиге. Анализ XRD подтвердил, что образовавшийся полиморф карбоната кальция был кальцитом.

    Заявление о доступности данных

    Необработанные данные, подтверждающие выводы этой статьи, будут предоставлены авторами без излишних оговорок.

    Вклад авторов

    Все перечисленные авторы внесли прямой интеллектуальный вклад в представленную работу. В частности, SG разработал исследование, провел лабораторные эксперименты и написал рукопись; МК провел лабораторные эксперименты и проанализировал результаты испытаний; KN поддержал интерпретацию данных и рецензировал рукопись; SK осуществил первичный надзор, рассмотрел и утвердил его для публикации.

    Финансирование

    Эта работа была частично поддержана Японским обществом содействия науке (JSPS) KAKENHI (номер гранта 19H02229).

    Конфликт интересов

    Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

    Благодарности

    Авторы хотели бы поблагодарить Исследовательский институт гражданского строительства для холодных регионов (Саппоро, Япония) за их поддержку, особенно во время полевых работ, отбора проб и экспериментов. Кроме того, это исследование было частично поддержано JSPS KAKENHI (номер гранта 19H02229).

    Дополнительные материалы

    Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenvs.2021.6

    /full#supplementary-material

    Ссылки

    Aiken, TA, Квасны, Дж., И Ша, В. (2020). Устойчивость геополимерных связующих золы-уноса к органическим кислотам. Mater. Struct. 53, 115. doi: 10.1617 / s11527-020-01549-x

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Arpajirakul, S., Pungrasmi, W., и Ликитлерсуанг, С. (2021). Эффективность микробиологического осаждения кальцита в природных глинах для улучшения почвы. Construction Building Mater. 282, 122722. doi: 10.1016 / j.conbuildmat.2021.122722

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Benhelal, E., Zahedi, G., and Hashim, H. (2012). Новый дизайн для экологически чистого и экономичного производства цемента. J. Clean. Prod. 22, 60–66. doi: 10.1016 / j.jclepro.2011.09.019

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Cabrita, L.Д., и Боттомли, С. П. (2004). «Экспрессия и рефолдинг белков – Практическое руководство по получению максимальной отдачи от инклюзионных тел» в Ежегодном обзоре Biotechnology . Редактор М. Р. Эль-Гевели (Амстердам: Elsevier), 31–50. DOI: 10.1016 / s1387-2656 (04) 10002-1

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Canakci, H., Sidik, W., and Halil Kilic, I. (2015). Влияние бактериального осаждения карбоната кальция на сжимаемость и сопротивление сдвигу органического грунта. Почвы и фундаменты 55, 1211–1221. doi: 10.1016 / j.sandf.2015.09.020

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Chen, M., Gowthaman, S., Nakashima, K., and Kawasaki, S. (2021). Оценка механической прочности торфяной почвы, обработанной биоцементацией с использованием волокон. Geomate 20, 121–127. doi: 10.21660 / 2021.78.Gx162

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Cheng, L., and Cord-Ruwisch, R. (2014). Масштабные эффекты улучшения почвы за счет осаждения кальцита, вызванного микробами, за счет поверхностной перколяции. Geomicrobiology J. 31, 396–406. doi: 10.1080 / 014

    .2013.836579

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Cheng, L., Shahin, M.A., and Cord-Ruwisch, R. (2014). Биоцементация песчаной почвы с использованием микробиологически индуцированного карбонатного осаждения для морской среды. Géotechnique 64, 1010–1013. doi: 10.1680 / geot.14.T.025

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Chung, H., Kim, S.H., and Nam, K. (2020). Применение вызванного микробами осаждения кальцита для предотвращения потери почвы из-за дождя: влияние размера частиц и содержания органических веществ. Журнал почв и отложений 11, 114. doi: 10.1007 / s11368-020-02757-2

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    ДеЙонг, Дж. Т., Мортенсен, Б. М., Мартинес, Б. К., и Нельсон, Д. К. (2010). Биопосредованное улучшение почвы. Ecol. Англ. 36, 197–210. doi: 10.1016 / j.ecoleng.2008.12.029

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Дами, Н. К., Редди, М. С., и Мукерджи, А. (2013). Биоминерализация карбонатов кальция и их инженерное применение: обзор. Фронт. Microbiol. 4, 1–13. doi: 10.3389 / fmicb.2013.00314

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Duraisamy, Y. (2016). Повышение прочности и жесткости биоцементированного сиднейского песка. Кандидатская диссертация . Сидней: Сиднейский университет.

    Фэн К. и Монтойя Б. М. (2016). Влияние удержания и уровня цементации на поведение вызванных микробами песков, осажденных кальцитом, при монотонной дренированной нагрузке. Дж.Geotechnical Geoenvironmental Eng. 142, 04015057. doi: 10.1061 / (ASCE) GT.1943-5606.0001379

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Fujita, M., Nakashima, K., Achal, V., and Kawasaki, S. (2017). Цельноклеточная оценка уреазной активности Pararhodobacter Sp. Изолировано от периферийной прибрежной породы. Biochem. Англ. J. 124, 1–5. doi: 10.1016 / j.bej.2017.04.004

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Fukue, M., Ono, S.-I., and Sato, Y.(2011). Цементация песков из-за микробиологического осаждения карбонатов. Почвы и фундаменты 51, 83–93. doi: 10.3208 / sandf.51.83

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Gowthaman, S., Iki, T., Nakashima, K., Ebina, K., and Kawasaki, S. (2019). Технико-экономическое обоснование стабилизации почвы на склонах с помощью микробных карбонатных осадков (MICP) с использованием местных бактерий, изолированных из холодного субарктического региона. SN Заяв. Sci. 1, 1480. DOI: 10.1007 / s42452-019-1508-y

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Gowthaman, S., Nakashima, K., and Kawasaki, S. (2021b). Анализ устойчивости биоцементированной почвы склонов под воздействием кислотных дождей. J. Отложения почвы 12, 14. doi: 10.1007 / s11368-021-02997-w

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Gowthaman, S., Nakashima, K., and Kawasaki, S. (2021a). Влияние циклов смачивания и сушки на долговечность биоцементированного грунта откоса скоростной автомагистрали. Внутр. J. Environ. Sci. Technol. 139, 105–116. doi: 10.1007 / s13762-021-03306-1

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Gowthaman, S., Nakashima, K., and Kawasaki, S. (2020). Стойкость к замораживанию-оттаиванию и отклик на сдвиг цементированной почвы откосов, обработанной микробно-индуцированным осаждением карбонатов. Почвы и фундаменты 60, 840–855. doi: 10.1016 / j.sandf.2020.05.012

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Hayashi, H., Nishimoto, S., and Takahashi, M.(2011). Полевое исполнение ПВД совмещенного с укрепленной насыпью на торфяном грунте. Почвы и фундаменты 51, 191–201. doi: 10.3208 / sandf.51.191

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Хебиб С. и Фаррелл Э. Р. (2003). Некоторые опыты стабилизации ирландского торфа. Кан. Геотех. J. 40, 107–120. doi: 10.1139 / t02-091

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Хуат, Б. Б. К., Арун, П., Асади, А., и Сина, К. (2014). Геотехника органических почв и торфа .Бока-Ратон: CRC Press. DOI: 10.1201 / b15627

    CrossRef Полный текст

    Хуат, Б. Б. К. (2004). Проектирование органических и торфяных почв . Серданг, Малайзия: University Putra Malaysia Press.

    Ислам, М. Т., Читтури, Б. С. С. и Бербанк, М. (2020). Оценка применимости биостимулированного осаждения карбоната кальция для стабилизации глинистых почв. J. Mater. Civil Eng. 32, 1–11. doi: 10.1061 / (ASCE) MT.1943-5533.0003036

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Иванов, В., Стабников В., Стабникова О., Кавасаки С. (2019). Экологическая безопасность и биобезопасность в строительной биотехнологии. World J. Microbiol. Biotechnol. 35, 26. doi: 10.1007 / s11274-019-2598-9

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    JIS (1994). Методы химического анализа известняка (JIS M 8850) . Саппора: Японская ассоциация стандартов.

    Калантари Б. (2010). Стабилизация тропического волокнистого торфа с использованием обычного портландцемента и добавок .Бока-Ратон: CRC Press.

    Кавасаки С., Акияма М. (2013). Повышение безграничной прочности на сжатие песчаных образцов, цементированных кальциево-фосфатным соединением, путем добавления различных порошков. Почвы и фундаменты 53, 966–976. doi: 10.1016 / j.sandf.2013.10.013

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Кейха, Х. А., Хуат, Б. Б. К., Асади, А., и Кавасаки, С. (2012). Электробиогрутинг и его проблемы. Внутр. J. Electrochem. Sci. 7, 1196–1204.doi: 10.1680 / envgeo.13.00068

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Кейха, Х.А., Асади, А., и Зареян, М. (2017). Факторы окружающей среды, влияющие на прочность на сжатие почвы, обработанной кальцитовыми осадками с микробиологическим воздействием. Geomicrobiology J. 34, 889–894. doi: 10.1080 / 014

    .2017.12

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Кейха, Х.А., Мохамадзаде, Х., Асади, А., и Кавасаки, С. (2019). Бактерии, продуцирующие карбонаты, не содержащие аммония, как экологически чистый биостабилизатор почвы. Геотек. Тестовое задание. J. 42, 20170353. doi: 10.1520 / GTJ20170353

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Лин, Х., Сулейман, М. Т., Браун, Д. Г., и Кавазанджян, Э. (2016). Механическое поведение песков, обработанных микробиологически индуцированным карбонатным осаждением. J. Geotechnical Geoenvironmental Eng. 142, 1–13. doi: 10.1061 / (ASCE) GT.1943-5606.0001383

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Месри, Г. и Аджлуни, М. (2007). Инженерные свойства волокнистых торфов. J. Geotech. Geoenviron. Англ. 133, 850–866. doi: 10.1061 / (asce) 1090-0241 (2007) 133: 7 (850)

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Митчелл, Дж. К., и Сантамарина, Дж. К. (2005). Биологические соображения в геотехнической инженерии. J. Geotech. Geoenviron. Англ. 131, 1222–1233. doi: 10.1061 / (asce) 1090-0241 (2005) 131: 10 (1222)

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Mohsenzadeh, A., Aflaki, E., Gowthaman, S., Nakashima, K., Kawasaki, S., и Эбади, Т. (2021). Двухэтапный процесс обработки для управления производимыми побочными продуктами аммония в процессе уреолитической биоцементации. Внутр. J. Environ. Sci. Technol. 2021, 112. doi: 10.1007 / s13762-021-03138-z

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Муджа Д., Шахин М. А. и Ченг Л. (2017). Современный обзор биоцементации с помощью микробно-индуцированного осаждения кальцита (MICP) для стабилизации почвы. Geomicrobiology J. 34, 524–537.doi: 10.1080 / 014

    .2016.1225866

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Neupane, D., Yasuhara, H., Kinoshita, N., and Ando, ​​Y. (2015). Распределение минерализованного карбоната и метод его количественного определения в ферментно-опосредованном осаждении кальцита. Почвы и фундаменты 55, 447–457. doi: 10.1016 / j.sandf.2015.02.018

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Noto, S. (1991). Справочник по торфяным технологиям . Хоккайдо, Япония: Исследовательский институт гражданского строительства, Бюро развития Хоккайдо.

    О’Келли, Б.С. (2015). Эффективное испытание торфа на прочность. Environ. Геотехника 2, 33–44. doi: 10.1680 / envgeo.13.00112

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    О’Келли, Б.С. (2017). Измерение, интерпретация и рекомендуемое использование лабораторных прочностных свойств волокнистого торфа. Geotechnical Res. 4, 136–171. doi: 10.5194 / se-2016-164-rc1

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Омореги, А. И., Паломбо, Э. А., и Ниссом, П. М. (2020). Биопреципитация карбоната кальция, опосредованная уреолизом: обзор. Environ. Англ. Res. 26, 200379. doi: 10.4491 / eer.2020.379

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Пол, А., Хусейн, М. (2020). Цементная стабилизация индийского торфа: экспериментальное исследование. J. Mater. Civil Eng. 32, 04020350. doi: 10.1061 / (ASCE) MT.1943-5533.0003363

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Rowe, R.K., and Taechakumthorn, C.(2008). Совместное воздействие PVD и арматуры на насыпи на чувствительных к скорости грунтов. Геотекстиль и геомембраны 26, 239–249. doi: 10.1016 / j.geotexmem.2007.10.001

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Safdar, M.U., Mavroulidou, M., Gunn, M.J., Garelick, J., Payne, I., and Purchase, D. (2021). Инновационные методы благоустройства грунта под фундамент торфяного болота железнодорожной набережной. Géotechnique 2020, 1–14. doi: 10.1680 / jgeot.19.sip.030

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Сато, А., Кавасаки, С., Хата, Т., и Хаяси, Т. (2016). Возможность отверждения торфяных почв с помощью микробов. Geomate 10, 2071–2076. doi: 10.21660 / 2016.22.5353

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Шарма М., Сатьям Н. и Редди К. Р. (2021 г.). Влияние циклов замораживания-оттаивания на технические свойства биоцементного песка при различных условиях обработки. Eng. Геология. 284, 106022. doi: 10.1016 / j.enggeo.2021.106022

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Тан, К.-S., Yin, L.-y., Jiang, N.-j., Zhu, C., Zeng, H., Li, H., et al. (2020). Факторы, влияющие на производительность почвы, обработанной микробным осаждением карбонатов (MICP): обзор. Environ. Науки о Земле. 79, 94. doi: 10.1007 / s12665-020-8840-9

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    ван Паассен, Л. А., Гоуз, Р., ван дер Линден, Т. Дж. М., ван дер Стар, В. Р. Л. и ван Лосдрехт, М. К. М. (2010). Количественная оценка биопосредованного улучшения почвы с помощью уреолиза: крупномасштабный эксперимент с биогрундой. J. Geotech. Geoenviron. Англ. 136, 1721–1728. doi: 10.1061 / (ASCE) GT.1943-5606.0000382

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Венда Оливейра, П. Дж. И Невес, Дж. П. Г. (2019). Влияние содержания органических веществ на процесс ферментативной биоцементации на крупнозернистых почвах. J. Mater. Civil Eng. 31, 1–11. doi: 10.1061 / (ASCE) MT.1943-5533.0002774

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Whiffin, V. S. (2004). Микробный CaCO 3 Осаждение для производства биоцемента .Западная Австралия: докторская диссертация Университета Мердока.

    Виффин, В. С., ван Паассен, Л. А., и Харкс, М. П. (2007). Микробное осаждение карбонатов как метод улучшения почвы. Geomicrobiology J. 24, 417–423. doi: 10.1080 / 014

    701436505

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Вонг, Л.С., Хашим, Р., и Али, Ф. (2013). Повышенная прочность и пониженная проницаемость стабилизированного торфа: основное внимание уделяется применению каолина в качестве пуццолановой добавки. Construction Building Mater. 40, 783–792. doi: 10.1016 / j.conbuildmat.2012.11.065

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Сюй, Дж., Моррис, П. Дж., Лю, Дж., И Холден, Дж. (2018). PEATMAP: уточнение оценок глобального распределения торфяников на основе метаанализа. Катена 160, 134–140. doi: 10.1016 / j.catena.2017.09.010

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ямагути, Х., Миядзаки, М. (2014). Методы рефолдинга для восстановления биологически активных рекомбинантных белков из тел включения. Биомолекулы 4, 235–251. doi: 10.3390 / biom4010235

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Zulkifley, M. T. M., Ng, T. F., Raj, J. K., Hashim, R., Bakar, A. F. A., Paramanthan, S., et al. (2014). Обзор стабилизации торфа тропических низменностей. Бык. Англ. Геол. Environ. 73, 733–746. doi: 10.1007 / s10064-013-0549-5

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Zulkifley, M. T. M., Ng, T. F., Raj, J. K., Hashim, R., Гани А., Шуиб М. К. и др. (2013). Определения и инженерные классификации низинных тропических торфов. Бык. Англ. Геол. Environ. 72, 547–553. doi: 10.1007 / s10064-013-0520-5

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Экспериментальные исследования проницаемости и механизма повреждения цементированного грунта в кислой и щелочной среде

    1. Введение

    Цементированный грунт – это стабилизированный грунт, образованный путем смешивания естественного мягкого грунта с цементным тестом (или порошком) в определенной пропорции, которая в основном зависит от механического перемешивания [1, 2].Обладая преимуществами простоты строительства, короткого периода строительства, низкой проницаемости и высокой прочности [3, 4], цементированный грунт широко используется в подпорных стенах откосов, армировании откосов, укреплении фундамента плотины, строительстве земляного полотна, резервуарах и облицовках мелководных озер. , гидроизоляция котлована в водонепроницаемых завесах, противофильтрационных стенах и др. [5-8]. Тем не менее, большая часть цементированного грунта, используемого в непроницаемых инженерных сооружениях, находится в прямом контакте с агрессивной средой, например.г. грунтовые воды часто содержат определенную концентрацию Mg 2+ , Ca 2+ , SO 4 2-, Cl и CO 3 2-. Эти коррозионные растворы могут привести к снижению прочности и долговечности цементированных грунтовых материалов [9, 10].

    В последние годы исследователи изучили свойства цементированной почвы со многих сторон. Lohani et al. [11] изучали влияние содержания воды и возраста выдержки на прочность цементированного грунта на сжатие.Бушра и др. [12] изучали влияние различного содержания цемента и ограничивающего давления на прочность цементированного грунта на сдвиг. Арвинд и др. [13] проанализировали микроструктуру цементированного грунта с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD) и сканирующей электронной микроскопии (SEM) для изучения прочностных свойств цементного композитного грунта из летучей золы. Festugato L. et al. [14] изучили прочность на сжатие и растяжение цементированного грунта, армированного волокном, и установили функциональную взаимосвязь между прочностью на сжатие, прочностью на изгиб и длиной волокна.Большинство исследователей приняли стандартные испытания на проницаемость цементированного грунта при отверждении в окружающей среде и изучили влияние возраста выдержки, содержания цемента и добавок на проницаемость. Chen et al. [15-18] изучали механические свойства и проницаемость цементированного грунта в условиях промерзания и оттаивания. Fan et al. [19] изучали влияние качества воды на проницаемость цементированного грунта. Юань и др. [20] исследовали коэффициент проницаемости цементированного грунта при изменении ограничивающего давления.Донг и др. [21] использовали ортогональный эксперимент для анализа изменения коэффициента проницаемости с различным содержанием цемента, бентонита и летучей золы. Джи Дж. Л. и др. [22] изучали характеристики проницаемости и модель прогноза цементированного грунта, содержащего песок. Хорошо известно, что большинство цементированных грунтов на водонепроницаемых объектах контактируют с грунтовыми водами [23]. Большинство грунтовых вод содержат агрессивные среды, которые могут привести к снижению непроницаемости зацементированного грунта и даже к разрушению.В слое почвы, содержащем коррозионные грунтовые воды, следует обращать внимание не только на безопасное использование цементированного грунта, но и на влияние строительных процедур [24]. Загрязнение грунтовых вод оказывает большое влияние на качество свай, особенно при строительстве с использованием порошковых струйных свай, в которых непосредственно используются грунтовые воды [25-27]. Исследователи уделяют повышенное внимание механическим свойствам зацементированного грунта и проводят эксперименты в конкретных химически загрязненных средах с различными химическими растворами, концентрациями, значениями pH и т. Д.[28-30].

    Однако сообщений о проницаемости зацементированного грунта в агрессивной среде мало. В практическом машиностроении неизбежен контакт с агрессивной средой зацементированного грунта. Чтобы соответствовать этой инженерной реальности, было проведено испытание на проницаемость цементированного грунта в различных кислых и щелочных средах, и было исследовано изменение коэффициента проницаемости цементированного грунта. Кроме того, на микроскопическом уровне был проанализирован механизм проницаемости цементированного грунта в кислой и щелочной среде.Эта работа обеспечивает технические параметры непроницаемости и долговечности для проектирования и применения проектов непроницаемых цементированных грунтов, которые имеют большое инженерное значение.

    2. Программа испытаний

    Для анализа влияния кислой и щелочной среды на проницаемость зацементированного грунта были проведены лабораторные испытания на проницаемость зацементированного грунта с различным содержанием цемента и значениями pH, со временем отверждения 7 дней, 15 дней, 30 дней и 60 дней. . Ненарушенная почва, использованная в эксперименте, представляла собой ил, взятый с дорожной базы в городе Шэньян, Ляонин.В естественном состоянии почва была мягко-пластичной. Здесь представлены основные физико-механические показатели илов: естественная влажность 16,5%, естественная плотность 18,8 кН / м 3 , предел жидкости 20,0%, предел пластичности 16,3%, индекс пластичности 3,75 и индекс жидкости 0,07. Опытный грунт сушили на воздухе, измельчали ​​и пропускали через сито 5 мм.

    2.1. Пропорция замешивания цементированного грунта

    Шлаковый портландцемент 32,5 был использован в испытании. Цемент и ил помещали в блендер и равномерно перемешивали до содержания 7%, 10% и 13%.Смесь разливали в формы с верхним диаметром 80 мм, нижним диаметром 70 мм и высотой 40 мм. Образцы зацементированного грунта были хорошо уплотнены вибрацией, пронумерованы, извлечены из формы через 24 часа и помещены в предварительно сконфигурированные растворы с различными значениями pH для отверждения. Температура в лаборатории составляла от 22 ° C до 28 ° C. Отверждаемые образцы показаны на рис. 1 (а).

    2.2. Испытания на проницаемость цементированного грунта в средах с различным pH

    (1) Соляная кислота и гидроксид натрия использовались для настройки растворов с различным pH.

    (2) После извлечения из формы образцы зацементированного грунта выдерживали в растворах с различным pH (pH = 2, pH = 4, pH = 9, pH = 10, pH = 13). Значение pH контролируется ежедневно во время отверждения. Когда он колеблется более чем на 0,5, в раствор немедленно добавляют соляную кислоту или гидроксид натрия для поддержания постоянного значения pH.

    (3) В соответствии с Процедурами расчета пропорций смеси цементированного грунта (JGJT 233-2011) были выполнены экспериментальные требования, испытания на проницаемость образцов цементированного грунта.Основным оборудованием было устройство для проникновения, как показано на рис. 1 (б).

    Рис. 1. Отверждение образцов зацементированного грунта и аппаратов пенетрации

    а) Отверждение образцов

    б) Проникающий аппарат

    3. Результаты испытаний и анализ
    3.1. Расчет коэффициента проницаемости цементированного грунта

    Уравнение коэффициента проницаемости цементированного грунта:

    где kT – коэффициент проницаемости цементированного грунта (см / с) при температуре воды T ° C, V – объем экссудационной воды (мл) за интервал времени t, h – высота образца (см), p – приложенное давление фильтрации (МПа), A – площадь поперечного сечения образца (см 2 ), t – временной интервал (с), а γw – плотность воды (Н / см 3 ).

    Испытание на проницаемость проводилось при стандартной температуре воды 20 ° C. Коэффициент проницаемости при стандартной температуре:

    где k20 – коэффициент проницаемости образца (см / с) при стандартной температуре, – коэффициент динамической вязкости при температуре воды T ° C (кПа · с), а ηT – коэффициент динамической вязкости при 20 ° C. (кПа · с). Эти конкретные значения были даны JGJT 233-2011 процедурами расчета пропорций смешивания цементного грунта.

    3.2. Влияние разного времени отверждения на проницаемость цементированного грунта

    Испытания на проницаемость образцов зацементированного грунта были проведены соответственно после периодов выдержки в 7 дней, 15 дней, 30 дней и 60 дней. В кислой среде (pH = 2) коэффициент проницаемости цементированного грунта с содержанием цемента 7% постепенно снижался в течение начального времени отверждения (7-30 дней). Его коэффициент проницаемости достиг минимума через 30 дней, снизившись на 67,42% по сравнению с его значением после 7 дней отверждения.После этого коэффициент проницаемости постепенно увеличивался, показывая U-образное изменение, увеличиваясь на 14,25% за 60 дней по сравнению с 7 днями. Результаты показывают, что в кислой среде цементированный грунт с низким содержанием цемента не может противостоять кислотной коррозии. Напротив, коэффициент проницаемости цементированного грунта с содержанием цемента 10% или 13% постепенно снижался со временем отверждения относительно 7 дней на 32,05% и 85,31%, соответственно, через 60 дней.

    В кислой среде (pH = 4) проницаемость цементированной почвы показывает ту же тенденцию, что и для pH = 2.Как показано на рис. 3, коэффициент проницаемости цементированного грунта с содержанием цемента 7% достиг минимума через 30 дней, снизившись на 72,88% по сравнению с 7 днями. После этого коэффициент проницаемости постепенно увеличивался, показывая V-образное изменение. Напротив, коэффициенты проницаемости цементированного грунта с содержанием цемента 10% и 13% постепенно уменьшались на 71,48% и 94,65%, соответственно, через 60 дней.

    Рис. 2. Изменение коэффициента проницаемости в среде pH = 2

    Фиг.3. Изменение коэффициента проницаемости в среде pH = 4

    Изменение коэффициента проницаемости цементированного грунта с различным содержанием цемента в различных щелочных средах (pH = 9, pH = 10 и pH = 13) показано на рис. 4, 5 и 6. В щелочной среде с pH = 9 коэффициент проницаемости цементированного грунта с содержанием цемента 7%, 10% и 13% снизился на 87,67%, 89,81% и 97,73% соответственно за 60 дней. .В щелочной среде с pH = 10 коэффициент проницаемости снизился на 96,98%, 94,30% и 95,35% соответственно за то же время. В щелочной среде с pH = 13 он снизился на 96,80%, 93,58% и 98,50% соответственно за это время. Эти результаты показывают, что непроницаемость зацементированного грунта улучшается с увеличением времени отверждения в щелочной среде.

    Рис. 4. Изменение коэффициента проницаемости в среде pH = 9

    Фиг.5. Изменение коэффициента проницаемости в среде pH = 10

    3.3. Влияние различных значений pH на проницаемость цементированного грунта

    Как показано на рис. 7, 8 и 9, коэффициенты проницаемости цементированного грунта с содержанием цемента 7%, 10% и 13% постепенно уменьшались по мере увеличения значения pH. После периодов отверждения в течение 7 дней, 15 дней, 30 дней и 60 дней из кислой среды (pH = 2) в щелочную среду (pH = 13) коэффициент проницаемости постепенно уменьшался.В щелочной среде (pH = 13) коэффициенты проницаемости показали, что K7d> K15d> K30d> K60d, что указывает на то, что щелочные условия способствуют реакции гидратации и способствуют внутреннему уплотнению против пор, что приводит к улучшению непроницаемости цементированного грунта. . Следовательно, кислая среда оказывает коррозионное воздействие на цементированный грунт. Чем ниже pH, тем больше коэффициент проницаемости зацементированного грунта.

    Фиг.6. Вариация коэффициента проницаемости в среде pH = 13

    Рис. 7. Изменение коэффициента проницаемости при содержании цемента 7% в зависимости от pH

    Рис. 8. Изменение коэффициента проницаемости при содержании цемента 10% в зависимости от pH

    Рис. 9. Изменение коэффициента проницаемости при содержании цемента 13% в зависимости от pH

    3.4. Влияние разного содержания цемента на проницаемость цементированного грунта

    Как показано на рис. 10 и 11, в кислой среде (pH = 2 и pH = 4) коэффициент проницаемости цементированного грунта с разным возрастом отверждения постепенно снижался с увеличением содержания цемента. В кислой среде (pH = 2) при возрасте выдержки 7 дней, 15 дней, 30 дней и 60 дней коэффициент проницаемости цементированного грунта с содержанием цемента 13% снизился на 92,36%, 81,41%, 94,45% и 98,90% соответственно по сравнению с цементным грунтом с содержанием цемента 7%.Точно так же в кислой среде (pH = 4) оно снизилось на 81,92%, 91,57%, 93,49% и 97,50%, что показывает, что в кислой среде увеличение содержания цемента увеличивает устойчивость цементированного грунта к кислотной коррозии.

    Как показано на рис. 12, 13 и 14, в щелочной среде (pH = 9, pH = 10 и pH = 13) коэффициент проницаемости цементированного грунта с разным возрастом отверждения постепенно снижался с увеличением содержания цемента. В щелочной среде (pH = 9) при возрасте выдержки 7 дней, 15 дней, 30 дней и 60 дней коэффициент проницаемости цементированного грунта с содержанием цемента 13% снизился на 83.54%, 89,50%, 92,84% и 96,97% соответственно по сравнению с цементным грунтом с содержанием цемента 7%. Аналогичным образом, в щелочной среде с pH = 10 и pH = 13 коэффициент проницаемости уменьшился соответственно на 68,74%, 58,04%, 93,33% и 51,91% для pH = 10 и 68,27%, 75,15%, 94,98% и 85,18% для pH = 13. Это показывает, что в щелочной среде увеличение содержания цемента способствует реакции гидратации и непроницаемости зацементированного грунта.

    Фиг.10. Изменение коэффициента проницаемости в зависимости от содержания цемента в среде pH = 2

    Рис. 11. Изменение коэффициента проницаемости в зависимости от содержания цемента в среде pH = 4

    Рис. 12. Изменение коэффициента проницаемости в зависимости от содержания цемента в среде pH = 9

    Фиг.13. Изменение коэффициента проницаемости в зависимости от содержания цемента в среде pH = 10

    Рис.14. Изменение коэффициента проницаемости в зависимости от содержания цемента в среде pH = 13

    4. Анализ влияния кислой и щелочной среды на проницаемость цементированного грунта
    4.1. Анализ макроповреждений воздействия pH на цементную почву

    Поверхностное повреждение образцов цементированного грунта показано на рис.15 для периодов отверждения 60 дней при pH = 2, pH = 4, pH = 9, pH = 10 и pH = 13. Среди них, в кислой среде, образцы цементированного грунта с содержанием цемента 7% были серьезно повреждены по сравнению с другим, и их поверхности казались рыхлыми. Поверхность образцов цементированного грунта с содержанием цемента 13% изменилась очень мало. Эти наблюдения показывают, что кислая среда влияет на образцы цементированного грунта с более низким содержанием цемента. В щелочной среде поверхность образцов не выглядела сломанной или рыхлой, а образцы цементированного грунта с различным содержанием цемента изменились очень мало.Эти наблюдения показывают, что щелочная среда не вызывает повреждения образцов.

    Рис.15. Повреждение поверхности образцов с разным содержанием цемента в разных средах.

    pH = 2

    б) pH = 4

    в) pH = 9

    г) pH = 13

    4.2. Анализ микромеханизма воздействия pH на цементный грунт

    С помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) и анализа энергетического спектра образцы, увеличенные в 3000 раз, представлены на рис.16, 17 и 18. Изображения показывают, что цементный гель существовал между поверхностью частицы и межкристаллитным слоем при отверждении в кислой среде. Нарезанные поверхности образцов с содержанием цемента 7% и 10% показали кристаллизацию сотового гидрата, который был прикреплен к поверхности волокнистого гелевого материала, образовавшегося в результате реакции гидратации зацементированных частиц. При отверждении в кислой среде участки образца с содержанием цемента 7% показали большую рыхлую область. Отрезки образцов с содержанием цемента 10% оказались относительно более компактными в рыхлой зоне с уменьшенным размером пор.Срезы образца с содержанием цемента 13% были полны мелких частиц, в которых мелкие частицы и весь срез связаны друг с другом. На срезанной поверхности было небольшое количество игольчатых кристаллов. Цементированный грунт имел зернисто-мозаично-гелевую структуру. Скелет имел форму частицы. В месте соединения между частицами скелета и гелем было много крошечных пор, большинство из которых имели длинную плоскую форму и неравномерный размер, и они были соединены друг с другом. Размеры пор на участках цементного грунта с содержанием цемента 13% уменьшились по сравнению с таковыми с содержанием цемента 7% и 10%.Это указывает на то, что увеличение содержания цемента может улучшить стойкость к кислотной коррозии. Когда цементированный грунт выдерживался в кислой среде (pH = 2 и pH = 4), цементированные продукты гидратации разлагались H + , что вызывало разложение внутренних наполнителей. Образцы оксида Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , K 2 O и Na 2 O также разложились под действием H + , что привело к внутренней рыхлости и появлению большое количество пор внутри образцов.Эти макроскопические эффекты отражают то, что поверхность образцов становится рыхлой (как показано на рис. 15), прочность на сжатие уменьшается, а проницаемость увеличивается.

    Как показано на рис. 19, 20 и 21, в щелочной среде с pH = 10 участки почвы с содержанием цемента 7%, увеличенные в 3000 раз, показывают, что эти участки цементированной почвы не имеют явно рыхлых участков по сравнению с участками в сильно кислой среде отверждения. Частицы были четко различимы, и к частицам было прикреплено множество игольчатых кристаллов.Эти частицы показали твердую цементацию игольчатыми кристаллами, составляющими каркас, внедренный в контактную структуру. Прочность образцов повысилась. Это показывает, что в отличие от кислой среды, реакция внутренней гидратации цемента образцов была достаточной в щелочной среде. При тех же условиях отверждения участки с содержанием цемента 10% и 13% были относительно плотнее, кристаллизация гидратов значительно усилилась, а кристаллическая структура была более объемной. Мелкие частицы и игольчатые кристаллы состояли из крупных частиц в структуре стержневой системы, распределенной в почве.Отрезки с содержанием цемента 13% были относительно плотнее. Следовательно, гидратация увеличивалась, что усиливало цементацию. Следовательно, образуется зернисто-мозаично-гелевая структура.

    Рис.16. Сканирующая электронная микроскопия и энергетический спектр 7% цемента в среде pH = 2

    а) Сканирующая электронная микроскопия

    б) Энергетический спектр

    Фиг.17. Сканирующая электронная микроскопия и энергетический спектр 10% цемента в среде pH = 2

    а) Сканирующая электронная микроскопия

    б) Энергетический спектр

    Рис.18. Сканирующая электронная микроскопия и энергетический спектр содержания цемента 13% в среде pH = 2

    а) Сканирующая электронная микроскопия

    б) Энергетический спектр

    Фиг.19. Сканирующая электронная микроскопия и энергетический спектр 7% -ного содержания цемента в среде pH = 10

    а) Сканирующая электронная микроскопия

    б) Энергетический спектр

    Рис.20. Сканирующая электронная микроскопия и энергетический спектр 10% цемента в среде pH = 10

    а) Сканирующая электронная микроскопия

    б) Энергетический спектр

    Как показано на рис.22, 23 и 24, в щелочной среде с pH = 13 участки с 7% содержанием цемента, увеличенные в 3000 раз, показали, что степень плотности составляет 13%> 10%> 7%. По сравнению с другими условиями окружающей среды, степень плотности участков, содержащих цемент, увеличивалась с разным размером частиц во взаимной цементации. На участках с содержанием цемента 7% крупные и мелкие частицы слиплись друг с другом, и пористость значительно уменьшилась. Участки с содержанием цемента 10% и 13% не показали явной пористости, что указывает на то, что повышение pH способствует гидратации цемента.Соответствующим макроскопическим проявлением было повышение как прочности на неограниченное сжатие, так и непроницаемости образцов.

    Рис.21. Сканирующая электронная микроскопия и энергетический спектр содержания цемента 13% в среде pH = 10

    а) Сканирующая электронная микроскопия

    б) Энергетический спектр

    Фиг.22. Сканирующая электронная микроскопия и энергетический спектр 7% -ного содержания цемента в среде pH = 13

    а) Сканирующая электронная микроскопия

    б) Энергетический спектр

    Рис.23. Сканирующая электронная микроскопия и энергетический спектр 10% цемента в среде pH = 13

    а) Сканирующая электронная микроскопия

    б) Энергетический спектр

    Фиг.24. Сканирующая электронная микроскопия и энергетический спектр содержания цемента 13% в среде pH = 13

    а) Сканирующая электронная микроскопия

    б) Энергетический спектр

    5. Выводы

    В данной статье представлена ​​серия лабораторных имитационных испытаний, в ходе которых измерялась проницаемость грунтов с различным соотношением цемента. СЭМ и анализ энергетического спектра также проводились для цементированной почвы в кислой и щелочной среде.Основные выводы:

    1) В кислой среде с pH = 2 и 4 коэффициент проницаемости цементированного грунта с содержанием цемента 7% постепенно снижался в начальный период отверждения между 7 и 30 днями, достигая минимума через 30 дней. Затем коэффициент проницаемости постепенно увеличивался. Однако коэффициенты проницаемости цементированного грунта с содержанием цемента 10% и 13% постепенно уменьшались с увеличением времени отверждения. Кислая среда оказывает огромное влияние на коэффициент проницаемости цементированного грунта с низким содержанием цемента.Увеличение содержания цемента помогает противостоять коррозии цементированного грунта из-за кислотности.

    2) В щелочной среде с pH = 9, 10 и 13 коэффициент проницаемости цементированного грунта постепенно снижался с увеличением времени отверждения, а его непроницаемость постепенно увеличивалась.

    3) В кислой или щелочной среде коэффициент проницаемости цементированного грунта постепенно снижался с увеличением содержания цемента, а его непроницаемость постепенно увеличивалась.

    4) При содержании цемента 7%, 10% и 13% коэффициент проницаемости цементированного грунта постепенно снижался по мере увеличения pH (pH = 2 → 4 → 9 → 10 → 13), а его коэффициент проницаемости постепенно уменьшался.

    5) Анализ механизма повреждения показал, что в кислой среде цементированный грунт с низким содержанием цемента демонстрировал рыхление поверхности, цементированная гидратация была недостаточной, а кристаллизация гидрата образовывала сотовую структуру. Внутренние поры соединены между собой.Макроскопическое проявление, соответствующее вышеизложенному, – это увеличение проницаемости. С увеличением содержания цемента и pH кристаллизация гидратов значительно увеличивалась. Было замечено, что мелкие частицы и иглы, состоящие из крупных частиц, распространяются в почве. Тело структурной единицы показало структуру воссоединения, что сыграло положительную роль в цементировании. Возникла гранулированная мозаично-гелевая структура с макроскопическим проявлением улучшенной непроницаемости.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.