Цементация грунтов

Цементно-грунтовая технология основана на смешивании до однородного состояния цемента и естественного грунта при установленном содержании воды и уплотнении с целью придания укреплённому грунту определённых свойств: прочности, устойчивости, морозостойкости и т. д. [4].

Впервые в России цемент для укрепления грунтов был применён для устройства садовых дорожек [1]. После революции первые опыты по укреплению грунтов портландцементом были проведены в 1927 году на опытных дорожках Ленинградского дорожно-исследовательского бюро.

Лабораторные исследования по укреплению грунтов цементом проводились также ЦИАТ и ДорНИИ. Положительные результаты исследований позволили выполнить укрепление грунта цементом под асфальтобетонные покрытия на подъездных путях к территории Всесоюзной сельскохозяйственной выставки. В послевоенный период начинается широкое внедрение цементогрунтов в дорожном и аэродромном строительстве [3]. Цементно-грунтовые основания были применены взамен щебёночных и песчаных слоёв на автомагистралях Москва — Харьков (1946–1949), Москва — Ленинград (1949), Москва — Рязань (1950) и др. Решающее значение для развития метода укрепления грунтов цементами имели работы В. М. Безрука, который в результате многолетних исследований разработал теоретические и практические рекомендации укрепления грунтов цементами [1–3, 6]. Как отмечает Безрук, на эффективность укрепления грунтов цементом оказывает исключительно важное влияние химико-минералогический состав цементов, генезис, состав и свойства грунтов, в частности их заселённость и состав обменных катионов. Введение в цементно-грунтовые смеси некоторых веществ (например, мылонафта, саапстока и др.), образующих с продуктами гидролиза цемента гидрофобные и другие вещества, заполняющие поры, может в ряде случае придавать им повышенную водопроницаемость. С 80-х годов прошлого века успешно велись работы по укреплению грунтов цементами комплексным методом, предусматривающим направленное влияние на процессы цементации грунтов. Но об этом ниже.

За границей, цементно-грунтовые технологии начали развиваться также в первой половине XX века. В 20-х годах в США из цементогрунтов делали покрытия просёлочных дорог [4]. После II мировой войны этот метод получил распространение в Англии, Бельгии, Голландии и других европейских странах. Так, в Голландии, начиная с 1956 года, было укреплены десятки миллионов квадратных метров почвы. Почти всюду она была песчаной и поэтому данная технология получила название пескоцементной. В 80-х годах прошлого века в ФРГ ежегодно около 1 млн. т цемента расходовалось на стабилизацию песков на севере страны (портовые сооружения Гамбурга, складские площадки), при строительстве просёлочных дорог. Во Франции эту технологию начали применять с 1972 года благодаря активности цементных компаний [4].

Во большинстве зарубежных публикациях отмечается, что укрепление грунтов с помощью цемента или смеси цемента с известью для покрытий просёлочных дорог, вместо каменной наброски уплотняемой механическим путём, представляется весьма экономичным решением [4]. Из цементогрунтов, помимо просёлочных дорог, можно сооружать покрытия складских площадок, стоянок автомашин, постели оснований железных дорог, каналов, оснований отдельных типов зданий, а также грунтов, предназначенных для возведения больших земляных плотин. Видимо, большой интерес для строительно-дорожных фирм и читателей журнала представляет цементно-грунтовая технология производства работ.

Попытаемся вкратце осветить этот вопрос.

До начала работ по укреплению грунта необходимо провести в лаборатории его предварительный анализ, а затем, во время работ, осуществлять постоянный контроль. Грунты различаются в основном по их природе, гранулометрии и содержанию воды.

Грунт может быть более или менее связным, содержать в разной пропорции суглинки и глину.

При высоком содержании глины применяют так называемое смешанное укрепление, при котором в грунт предварительно добавляют известь (2–5 %) для улучшения хлопьеобразования и, в конечном итоге, рассыпания грунта при проходе машин. Грунты, содержащие сульфаты (более 1%), могут быть опасны, поскольку сульфат вступает в реакцию с цементом. В этом случае необходимо применять либо цемент с низким содержанием трёхкальциевого алюмината (цемент, предназначенный для морских работ), либо цемент с высоким содержанием минеральных добавок (золы-уноса, доменного шлака, пуццоланов). Особенно нужно быть осторожным, когда дело касается частичного осушения влажного или насыщенного водой грунта после дождей. Это делается с помощью негашёной извести или путём аэрирования грунта «рыхлителем».

грунты, содержащие сульфаты (более 1%), могут быть опасны, поскольку сульфат вступает в реакцию с цементом

Обычно испытания грунта проводят с целью определения основных характеристик грунта: предел текучести, предел пластичности, гранулометрическая кривая и др.; устанавливают оптимальный расход воды и цемента. Расход цемента может меняться в пределах 4–12 % в зависимости от грунта. Чаще всего он составляет 6–20 %. Для примера в табл. 2 приводятся данные, взятые из нормативных документов Германии.

Таблица 2. Расход цемента в зависимости от характера грунта

При укреплении пластичного суглинка применяют смесь извести (2–3 %) и цемента [4]. Кроме того, для пластичных грунтов проводят испытания на замораживание. При покрытии просёлочных работ цементогрунтом работу производят в несколько этапов.

1 этап. Выравнивание и очистка грунта с целью устранения органических веществ (дёрн, трава, корни и т. п.) и последующая планировка. Если грунт чрезмерно сухой, производят его увлажнение для выравнивания содержания и достижения однородности состава. Распределение цемента и извести по поверхности производят при небольших объёмах ручных работ, или с помощью навесного механизма — «распределитель» вяжущего.

2 этап. Перемешивание. Перемешивание грунта с вяжущим производят в несколько последовательных проходов машины (4–6 раз до получения однородной смеси) (рис. 1). Такая машина снабжена горизонтальными дисками или горизонтальными либо вертикальными лопатками. Обычно толщина цементно-грунтового слоя составляет 15–35 см.

3 этап. Профилирование и уплотнение. Профилирование полотна производят автогрейдерами. После этого грунт уплотняют несколькими проходами пневмо- или виброкатка. Степень уплотнения должна достигнуть не менее 90 % полученного на образце в лаборатории. После уплотнения цементогрунта катком приступают к окончательной планировке дорожного полотна.

4 этап. Завершающим этапом является защита дорожного покрытия пластиковой плёнкой или другим накрывочным материалом с последующим укрытием слоём песка. Подобная защита необходима для того, чтобы избежать испарения воды из обработанной почвы, и, кроме того, для предохранения дорожного полотна от дождя. Примерно такая же технология применяется для укрепления оснований шоссе некоторых типов. Только в этом случае выровненный и спланированный грунт смешивают с песком.