Расход цемента при цементации
Обновлено: 01.05.2024
Как правильно рассчитать расход цемента на 1 куб раствора: для стяжки, кладки, штукатурки, фундамента
Расход цемента на 1 куб раствора – величина, которую должен уметь высчитывать каждый мастер/застройщик и любой, кто планирует выполнять какие-либо виды ремонтно-строительных работ с использованием бетона. Ведь даже если не придется самостоятельно готовить раствор, нужно иметь возможность проконтролировать работников, все верно рассчитать, не допустить лишних финансовых затрат или использования бетона низкого качества.
Многих интересует вопрос о том, сколько мешков цемента на 1 куб раствора понадобится, ведь именно в такой таре поставляется порошок.
Мешки по 50 кг (реже 25, 40) считаются наиболее оптимальным вариантом для транспортировки, погрузки/выгрузки, хранения, приготовления бетона. Посчитать количество мешков, нужных для раствора, можно поэтапно: сначала определить объем бетона, потом посмотреть число килограммов цемента для его приготовления, после чего поделить получившееся значение на 50 кг.
Казалось бы, расчеты довольно простые и выполнить их может каждый. Но сложность заключается в том, что далеко не всегда можно быстро и точно определить нужное количество килограммов цемента. Добавлять «на глаз» точно не стоит, лучше использовать правила и нормативы ГОСТ, СНиП.
Правда, и тут возникают вопросы, ведь расход цемента на 1 м3 раствора зависит от множества факторов, которые обязательно учитываются.
Действующий СНиП или дедовский метод
Действующие правила дают довольно однозначный ответ на вопрос о том, сколько цемента на куб раствора может понадобиться. При этом, обычно в расчетах учитываются не только оптимальные объемы компонентов, но и их характеристики: фракция, чистота, влажность, плотность, качество и т.д.
Изучая нормы расхода материалов на куб бетона, следует также учитывать условия, в которых планируется выполнять работы. Так, СНиП предполагают, что замес бетона и работы осуществляются при температуре окружающего воздуха в +23 градусов, в условиях среднего уровня влажности. Все компоненты должны быть чистыми и с влажностью максимум 7%.
Цемент берется только свежий и только что купленный, так как в процессе хранения его плотность может меняться. С учетом всех этих нюансов мастера советуют закупать цемент в объеме, на 10-15% превышающем нормы. Сколько надо цемента на 1 куб раствора:- Марка цемента М400 – для раствора М200 – 490 килограммов
- Марка цемента М500 – для раствора М200 – 410 килограммов
- Марка цемента М400 – для раствора М150 – 400 килограммов
- Марка цемента М500 – для раствора М150 – 330 килограммов
В таблицах можно найти такие данные:
Готовя бетон, важно вычислить, сколько нужно щебня и песка на 1 м3 раствора, так как от этих компонентов зависят прочность, надежность, долговечность монолита и другие важные характеристики.
В таблице указан расход песка, щебня:
Готовя бетон, следует помнить о том, что все можно посчитать, исходя из общего веса кубического метра раствора. Но это не так. Исходя из того, что цемент производится чрезвычайно мелкого помола и он заполняет пустоты между зернами песка, он может не повышать общий объем бетона. Так, добавив 200 или 400 килограммов цемента, объем раствора (1 кубический метр) получают тот же.
Вода в смесь добавляется в количестве, равном половине массы (но не объема) цемента. Обязательно учитывается влажность песка – чем более влажный песок, тем меньше воды понадобится. Лучше всего заливать воду порционно и смотреть на консистенцию: когда она приобретет требуемую густоту, бетон будет готов к использованию.
Независимо от марки бетона, его консистенция должна быть оптимальной для работы. Согласно нормам, консистенцию определяют по величине осадки металлического конуса, который опускают в раствор.
Но, как правило, в условиях стройки возможности использовать этот метод нет. Поэтому обычно определяют визуально: густота раствора должна быть достаточной для комфортной укладки (заливки), выравнивания, удерживания в швах и опалубке.
От чего зависит расход цемента
Количество цемента, используемого в кубометре раствора, зависит от применяемого порошка и его свойств, а также технических характеристик, которым должен отвечать бетон. Пропорции могут достаточно сильно отличаться, в приготовлении бетона разных марок используют разные объемы цемента, песка, щебня, воды. Кроме того, точные значения меняются в зависимости от некоторых факторов.
Факторы, влияющие на расход цемента в 1м3:- Объем наполнителей в растворе – чем больше песка и щебня, тем больше кг цемента, который выступает в роли связующего компонента и скрепляет частицы наполнителя. Оптимальное соотношение сыпучих смесей считают именно по количеству цемента.
- Марка цемента, который используется в замесе бетона – по мере того, как увеличивается цифра, повышается прочность создаваемых конструкции/здания. Марка итоговой смеси ниже в 1.5-2 раза марки цемента, ведь в составе работают еще гравий/щебень/шлак и песок.
- Требуемая марка раствора, который нужно приготовить – не только цемент, но и бетон делят на марки, каждая из которых обладает определенными характеристиками и параметрами. Лишь после определения с маркой бетона можно понять, сколько нужно цемента на 1 куб. Так, к примеру, для получения смеси М100 с использованием цемента М500 нужно смешать часть вяжущего, 5.8 частей песка, 8.1 часть щебня. А вот для получения раствора М450 пропорция выглядит так: 1/1.4/2.9.
- Плотность цемента – также играет немаловажную роль. Показатель зависит от марки цемента, средний равен 1300 кг/м3.
Таким образом, расход цемента и песка, щебня напрямую зависит от марки цемента (используемого в замесе) и марки бетона, который нужно получить в итоге.
Разновидность и марки смесей
Марка цемента и бетона – это два разных показателя. Из цемента марки М400 может получиться бетон разных марок, что зависит от килограмм цемента на 1м3, объема наполнителей. Как правило, для приготовления раствора определенной марки берут цемент марки в 1.5-2 выше.
В условиях производства можно найти цемент марки М100, но обычно он не используется ввиду минимальной прочности. Наиболее популярные марки цемента – М400 и М500, которые используются в приготовлении растворов М100-М600. Для определенных работ актуальны и другие виды.Марка цемента указывается на упаковке в маркировке – обозначается буквой М и цифрами. Марка – это прямой показатель прочности материала. В растворе прочность зависит от марки и объема используемого цемента. Чем выше марка бетона, тем труднее работать с ним, но и прочность будет выше, как и остальные эксплуатационные характеристики.
Где применяется бетон разных марок:- М100 – реализация подготовительного этапа разных работ (часто бетон кладут тонким слоем на подушку из песка под фундамент)
- М150 – фундамент для небольших зданий, стяжка и заливка основания в качестве чернового слоя, бетонирование дорожек
- М200 – заливка садовых дорожек, фундаментов, отмосток, бетонной стяжки в гаражах и жилых помещениях
- М250/М300 – создание монолитного фундамента, лестниц, заборов, подпорок, плит перекрытия средней нагрузки, отмосток
- М350 – заливка ответственных конструкций (плиты перекрытия, монолитный фундамент, колонны, ригели, чаши бассейнов и т.д.)
- М400 – строительство денежных хранилищ, мостов, гидротехнических конструкций, объектов со специальными требованиями
- М450/М500/М550 – те же цели, что и марка М400, также плотины, дамбы, метро
- М600 – используется в возведении объектов, предполагающих особую стойкость к воздействию агрессивных факторов, требующих максимальной прочности (железобетонные мосты, сооружения спецназначения, объекты гидротехнического типа и т.д.).
Нормы расхода для разных растворов
В зависимости от того, для чего нужен бетон, в 1 м3 раствора может содержаться различный объем цемента. В современном строительстве бетонный раствор используют для реализации четырех задач: заливка фундамента, кладка строительных блоков, заливка стяжки и выполнение штукатурки. Для каждого из указанных видов работ предполагается приготовление определенного типа раствора с указанным объемом цемента.
Самый большой расход цемента на куб раствора получается в приготовлении смеси для кладки или штукатурки. Для заливки фундамента или стяжки актуально использование крупных наполнителей (гравий, щебень, шлак), что понижает расход цемента. На назначение раствора указывает марка (от нее зависят свойства бетона и основные характеристики).
Расчет цемента на куб бетона по ГОСТу:На штукатурку
Стандартный штукатурный раствор готовят из 3 частей песка и 1 части цемента. Если слой выполняют с толщиной не больше 12 миллиметров, то на 1 квадратный метр штукатурки отвешивают 1.6 килограмма цемента марки М400 и 1.4 килограмма цемента марки М500. Объемы раствора на кубический метр кладки рассчитать можно так: 1м2 х 0.012 м = 0.012 м2 = 12 литров.
На кладку
Для квадратного метра кирпичной кладки толщиной в один кирпич понадобится минимум 75 литров раствора М100. Пропорция цемента марки М400 и песка составляет 1:4. Таким образом, расход цемента на кладку кирпича составляет 250 килограммов на кубометр песка. Сколько кубов раствора понадобится в общем, считают по величине здания.
Воду берут в объеме половины веса цемента. Так, если замешивать раствор с использованием ведер, получается так: 1 ведро цемента марки М500, 4 ведра песка, 7 литров воды.Для фундамента
Чтобы приготовить раствор для заливки фундамента, необходимо все верно рассчитать. Обычно используют раствор марки М100-М300. Прочности М100 достаточно для малоэтажных строений, М150 и М200 подойдет для здания в несколько этажей. Чем выше марка, тем прочнее будет строение. Для замеса берут цемент М300/М400 (1 часть вяжущего и 3 части песка) либо М500 (1 часть вяжущего и 5 песка).
- М50 (на базе цемента М400) – 380 килограммов
- М100 (на базе цемента М300) – 214 килограммов
- М200 (на базе цемента М400) – 286 килограммов
- М300 (на базе цемента М500) – 382 килограмма
Такие расчеты актуальны, если смесь готовится по пропорции: 1 часть цемента, 2-4 части песка, 3 части щебня/гравия.
Для стяжки
Пропорция для замеса такая: 1 часть цемента и 3 части песка. Тут можно привести пример правильных расчетов. Итак, нужно залить поверхность 3 на 4 квадратных метра (12 получается) с толщиной слоя 30 миллиметров.
Этапы выполнения расчетов:- Определение нужного объема бетонного раствора: 12 м2 х 0.03 м = 0.36 м3.
- Выбор марки бетона – берем М200, готовим из цемента М500, которого нужно 410 килограммов.
- Подсчет числа мешков цемента: 410 кг х 0.36 м3 = 148 кг / 50 = 3 мешка (почти).
- Сколько нужно песка: 1600 кг/м3 (вес кубометра смеси) х 0.36 м3 (нужное количество смеси) = 576 х 0.75 (доля песка в бетоне) = 432 килограмма. На куб раствора песка уйдет около 1200 килограммов.
Сколько купить мешков цемента
Чтобы понять, сколько мешков цемента понадобится для приготовления смеси, используют пропорции и объем. Так, если готовят замес для стяжки пола и используют пропорцию 1:4, получается, что цемента нужно четверть куба. Насыпная плотность вяжущего показывает, что в литре содержится 1.4 килограмма.
Четверть куба – 250 литров. Их нужно умножить на 1.4 – получается 350 килограммов цемента. В мешке обычно 50 килограммов – для приготовления куба нужно 350 / 50 = 7 мешков по 50 кг (или 14 по 25 кг).Расход вяжущего допускается считать и по-другому. Так, если толщина стяжки составляет 10 сантиметров, то для одного квадрата нужно 0.1 кубометра раствора. В нем содержится в 10 раз меньше цемента, чем в кубе: 350 кг / 10 = 35 килограммов. Для стяжки толщиной в 5 сантиметров нужно 35 / 2 = 17.5 килограммов цемента.
Стоит помнить, что норма расхода цемента зависит также и от активности вяжущего. Обычно ее определяют экспериментально, в процессе замеса контрольных образцов, при испытании на прочность. Но на объекте сделать это невозможно, поэтому следует ориентироваться на срок годности материала. Чем свежее, тем лучше, так как со временем цемент может терять до 20% активности в месяц. Подержав на складе мешки с цементом М500 около трех месяцев, можно уже работать с маркой М400.
Приготовленный по технологии и с правильным расходом цемента бетон способен выдерживать все нагрузки, демонстрировать оптимальные параметры и свойства, гарантируя долговечность и надежность конструкций.
Способ цементации слабых грунтов
Изобретение относится к области строительства, в частности к способам цементации слабых грунтов при подготовке и реконструкции оснований фундаментов зданий и сооружений. Технический результат - улучшение физико-механических характеристик цементосодержащего раствора, предназначенного для введения в закрепляемый грунт, расширение сырьевой базы производства цементационных растворов и снижение материальных и трудовых затрат при закреплении грунта. В способе цементации слабых грунтов, включающем приготовление водной суспензии цемента с тонкодисперсным минеральным компонентом и введение в грунт приготовленной суспензии, в качестве тонкодисперсного минерального компонента используют карбонатный шлам химводоподготовки для котельных установок теплоэлектростанций ТЭС или теплоэлектроцентралей ТЭЦ, который вводят в состав твердой фазы водной суспензии цемента перед приготовлением указанной суспензии в количестве 10-35 мас.% от массы твердой фазы, определяя максимальное значение его количества по формуле
где В/Ц - водоцементное отношение водной суспензии цемента без добавления карбонатного шлама, составляющее 0,44-0,86. 6 табл.
Изобретение относится к строительству и может быть использовано для укрепления слабых грунтов при подготовке и реконструкции оснований фундаментов зданий и сооружений.
Известен способ цементации грунтов, заключающийся во введении в грунт через инъектор или пробуренную скважину твердеющего раствора на основе портландцемента под давлением 0,1-0,5 МПа (см., например, Ржаницин Б.А. Химическое закрепление грунтов в строительстве. - М.: Стройиздат, 1986).
В то же время цементно-водные суспензии обладают низкой седиментационной устойчивостью. Кроме того, прочность на сжатие цементно-грунтового камня, образующегося при инъекции закрепляющего раствора, является недостаточно высокой - до 1-2 МПа (Камбефор А. Инъекция грунтов. - М.: Энергия, 1971). Одна из причин относительно низкой прочности закрепленного грунтового массива заключается в том, что затвердевшая цементная матрица при тех значениях В/Ц, которые обычно применяются в цементно-водных суспензиях, обладает значительной пористостью и подвержена усадочным деформациям и, следовательно, имеет склонность к трещинообразованию (Джантимиров Х.А., Юдович Б.Э. и др. Совершенствование геотехнических цементационных материалов на основе гидравлических вяжущих. / Научные труды Межд. науч. конф. по бетону и железобетону. - М.: Дипак, 2005. Т.3, с.497-504).
Для повышения качества цементации грунта используют цементно-песчаные растворы, однако их применение эффективно лишь для пород с удельным водопоглощением не менее 3 л/мин (Гончарова Л.В. Основы искусственного улучшения грунтов. - М.: МГУ, 1973). Считается, что при меньших значениях водопоглощения почти весь песок остается на границе закрепляемого массива, и поэтому вглубь массива по-прежнему проникает лишь цементно-водная суспензия с величиной В/Ц>1 (Джантимиров Х.А., Юдович Б.Э. и др. Совершенствование геотехнических цементационных материалов на основе гидравлических вяжущих. / Научные труды Межд. науч. конф. по бетону и железобетону. - М.: Дипак, 2005. Т.3, с.497-504).
Как следует из вышеизложенного, в способе цементации слабых грунтов, включающем введение в грунт цементирующего раствора, указанный раствор должен обладать при наименьшем из возможных значений величины В/Ц достаточно большой проникающей способностью, зависящей от дисперсности частиц твердой фазы раствора и его седиментационной устойчивости. Для реализации этих требований в состав цементно-водной суспензии вводят, например, тонкодисперсные минеральные компоненты: золы уноса ТЭС (Камбефор А. Инъекция грунтов. - М.: Энергия, 1971), бентонитовые глины, тонкомолотые известняки, песчаники и доменные шлаки (Инъекционное упрочнение горных пород / Ю.З.Заславский, Е.А.Лопухин и др. - М.: Недра, 1984), тонкомолотый кварцевый песок (RU 2054502, 20.02.1996) и другие.
Однако механическая прочность закрепленных грунтов, полученных путем введения модифицированных цементно-водных суспензий, остается недостаточно высокой (4-5 МПа). Одна из причин этого - недостаточная прочность цементационного раствора. Как показали лабораторные исследования прочностных свойств дробленых изверженных пород, заинъектированных цементными растворами, предел прочности при одноосном сжатии образцов породы убывает с ростом водоцементного отношения инъекционного раствора точно так же, как и предел прочности самого раствора после отверждения (Инъекционное упрочнение горных пород / Ю.З.Заславский, Е.А.Лопухин и др. - М.: Недра, 1984).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ цементации слабого грунта, включающий инъекцию в грунт закрепляющего раствора - водной суспензии цемента с высокодисперсным минеральным наполнителем, в качестве которого используют микробиологически активированный пресноводный озерный ил при следующем соотношении компонентов, мас.%:
(RU 2098554, E02D 3/12, 12.10.1997).
Однако механическая прочность цементно-песчаного камня, образовавшегося в грунте в результате инъекции закрепляющего раствора, остается недостаточно высокой. Кроме того, получение микробиологически активированного ила требует большого времени (24-30 час) и сложного технологического оборудования (например, термостатного шнекового смесителя), что усложняет и удорожает закрепление грунта.
Задачей изобретения является разработка способа цементации слабых грунтов при помощи введения в грунт закрепляющего раствора с повышенными седиментационной устойчивостью и механической прочностью, расширение сырьевой базы для производства цементационных растворов и снижение материальных и трудовых затрат при закреплении грунтов способом цементации.
Сущность изобретения состоит в том, что в способе цементации слабых грунтов, включающем приготовление водной суспензии цемента с тонкодисперсным минеральным компонентом и введение в грунт приготовленной суспензии, в качестве тонкодисперсного минерального компонента используют карбонатный шлам химводоподготовки для котельных установок теплоэлектростанций ТЭС или теплоэлектроцентралей ТЭЦ, который вводят в состав твердой фазы водной суспензии цемента перед приготовлением указанной суспензии в количестве 10-35 мас.% от массы твердой фазы, определяя максимальное значение его количества по формуле
где В/Ц - водоцементное отношение водной суспензии цемента без добавления карбонатного шлама, составляющее 0,44-0,86.
Характеристика исходных материалов
1. Портландцемент. Для реализации предлагаемого способа цементации слабых грунтов в качестве вяжущего применяли бездобавочный портландцемент М400 Новороссийского цементного завода «Пролетарий», Определение его свойств производили по методикам ГОСТ 310.1-76 «Цемента. Методы испытаний. Общие положения», ГОСТ 310.2-76 «Цементы. Методы определения тонкости помола», ГОСТ 310.3-76 «Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема», ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения пределов прочности при изгибе и сжатии».
2. Тонкодисперсный минеральный компонент. В качестве тонкодисперсного минерального компонента был использован карбонатный шлам химводоподготовки, который является отходом производства на ТЭЦ или ТЭС, образуется при умягчении гашеной известью речной воды, отбираемой на технологические цели, осаждается и в виде водной суспензии сбрасывается в отвал. В карбонатном шламе присутствуют в основном углекислый кальций СаСО3 (72-75%), гидрооксид магния Mg(OH)2, (5,0-5,5%), оксид кремния SiО2 (2,0-2,5%), а также оксиды железа и алюминия.
Испытания карбонатного шлама производили в соответствии с критериями оценки свойств добавок, применяемых при изготовлении цемента по ГОСТ 24640-91 «Добавки для цементов. Классификация».
Результаты испытаний исходных материалов приведены в табл.1.
Примеры реализации изобретения
1. Приготовление цементационных растворов и образцов цементно-шламового камня для механических испытаний
Технологические параметры цементационных растворов: водоцементное отношение В/Ц=0,4-1,2, содержание карбонатного шлама в составе твердой фазы 0-50%.
Отдозированные воду, портландцемент и карбонатный шлам последовательно загружали в лабораторный турбулентный смеситель емкостью 50 литров со скоростью вращения ротора 620 об/мин и смешивали в течение 3 мин. Подвижность раствора контролировали вискозиметром и при необходимости корректировали путем добавления воды или твердых компонентов.
Приготовленные смеси выливали в металлические формы размером 7,07×7,07×7,07 см и выдерживали в течение 28 сут в нормальных условиях.
2. Определение свойств цементационных растворов Испытания цементационных растворов проводили по методикам:
- ГОСТ 5202-86 «Растворы строительные. Методы испытаний» - при определении подвижности и прочности на сжатие при раскалывании;
- ГОСТ 310.6-85 «Цементы. Методы определения водоотделения» - при определении водоотделения.
Кроме того, определение подвижности растворов производили при помощи вискозиметра Суттарда ВС-1 (ТУ 25-06.393-80).
Анализ полученных экспериментальных данных производили в соответствии с положениями ГОСТ 24640-91.
3. Результаты испытаний
3.1. Для изучения влияния карбонатного шлама химводоподготовки на водоотделение цементационных растворов приготавливали водные суспензии с различным содержанием шлама в смеси с цементом: от 10 до 30%. Масса твердой фазы во всех растворах была одинакова 350 г, а водотвердое отношение равнялось 1. Составы цементационных растворов, используемые в заявляемом способе цементации слабых грунтов, и значения величин их водоотделения приведены в табл.2.
Из представленных данных видно, что карбонатный шлам существенно уменьшает водоотделение суспензий. Например, стандартное водоотделение цементно-водной суспензии равняется 16,7%, а при замене части портландцемента карбонатным шламом (10 мас.%) оно уменьшилось до 8,5% и далее закономерно снижалось. Удельная поверхность карбонатного шлама равна 7800 см 2 /г, что в 2,44 раза превышает удельную поверхность цемента. Таким образом, средний размер частиц шлама существенно меньше, чем частиц цемента, как и истинная плотность этого материала, и поэтому добавка шлама замедляет оседание частиц цемента в воде. Это позволяет в ряде случаев изменять квалификацию цементосодержащих инъекционных растворов. Так цементно-водные суспензии с Ц/В≤1,5 (В/Ц≥0,67) относятся к нестабильным растворам (Камбефор А. Инъекция грунтов. - М.: Энергия, 1971). По нашим данным, водоотделение состава с В/Ц=0,67 через 120 минут равно 9,0%, но при замене части цемента карбонатным шламом в количестве 30 мас.% становится равным 1,8%, что характерно для стабильных инъекционных растворов.
3.2. Механическая прочность образцов затвердевших цементационных растворов измерялась через 28 суток хранения в нормальных условиях. В табл.3 представлены результаты ее измерения для составов с В/Ц, равным 0,47. Это водоцементное отношение характеризует свойства цементного камня, образовавшегося при последовательном введении в закрепляемый грунт компонентов цементационного раствора, описанного в способе закрепления слабых грунтов - прототипе (RU 2098554). Из табл.3 следует, что в широком диапазоне концентраций карбонатного шлама прочность цементного камня, образовавшегося при затвердевании цементно-шламовой водной суспензии, значительно превышает прочность материала-прототипа.
Возможность повышения механической прочности затвердевшего цементационного раствора была исследована авторами предлагаемого изобретения и для других значений В/Ц, которые обычно используются на практике при закреплении несвязанных грунтов - аллювиальных отложений и техногенных массивов (насыпных оснований) при подготовке стройплощадок (табл.4, 5, 6). В этих таблицах составы цементационных растворов выбраны таким образом, что они имеют одинаковую подвижность (для составов в табл.4 она соответствует подвижности цементно-водной суспензии с В/Ц=0,4, в табл.5 - подвижности цементно-водной суспензии с В/Ц=0,54, а в табл.6 - подвижности цементно-водной суспензии с В/Ц=0,7).
Для каждого состава, содержащего добавку карбонатного шлама, указан его аналог - состав цементно-водной суспензии без добавления шлама с такой же величиной В/Ц, как и у заявляемого состава. Во всех рассмотренных случаях предел прочности при одноосном сжатии модифицированных образцов превышает прочность цементно-водных суспензий без добавки карбонатного шлама. Как и для других тонкодисперсных минеральных компонентов, повышение механической прочности может быть связано со снижением общей пористости цементного камня, а также с упрочнением контактной зоны между частицами цемента и минерального компонента определенного химического состава (Добавки в бетон: Справ. Пособие / В.С.Рамачандран, Р.Ф.Фельдман и др. - М.: Стройиздат, 1988). В нашем случае оба этих фактора действуют одновременно. Действительно, средний размер d частиц карбонатного шлама (d≈3 мкм) значительно меньше, чем цемента, а основным минералом карбонатного шлама является кальцит. Поэтому межзерновые (d>10 мкм) поры и частично межмикроагрегатные (10≤d<1 мкм) поры в цементном камне при добавлении карбонатного шлама будут заполняться, а взаимодействие минералов цемента с кальцитом в ходе гидратации цемента приводит к образованию гидросиликатов кальция высокой основности, у которых ребра радикала [Si2O7] 6- соизмеримы с ребрами элементарных ячеек кальцита и гидрооксида кальция, что обеспечивает высокую прочность цементно-шламовой композиции (Гончарова Л.В. Основы искусственного улучшения грунтов. - М.: МГУ, 1973).
Результаты измерений в табл.4, 5 и 6 авторы предлагаемого изобретения приводят потому, что, во-первых, использованное в прототипе значение В/Ц для цементационного раствора не является, по нашему мнению, оптимальным для выбранного состава закрепляемого грунта - песка крупного по ГОСТ 8736-93 (в описании изобретения-прототипа указано, что содержание фракции с диаметром частиц 1-0,5 мм в песке равно 3%, 0,5-0,25 мм 60%, 0,25-0,1 мм 32% и 0,1 0,05 мм - 5%). По другим данным (Конюхов Д.С. Строительство городских подземных сооружений мелкого заложения. - М.: Архитектура-С, 2005), для таких закрепляемых грунтов используются цементно-водные суспензии с существенно большими величинами В/Ц.
Во-вторых, результаты испытаний свойств цементационных растворов при различных значениях В/Ц позволяют установить предельные (минимальное и максимальное) значения содержания карбонатного шлама, при которых происходит увеличение прочности цементного камня. Минимальная концентрация карбонатного шлама в составе твердой фазы раствора одинакова для всех значений В/Ц и равна 5 мас.% (табл.4, пример 1, табл.5, пример 1, табл.6, пример 1). При меньшем содержании карбонатного шлама увеличение механической прочности незначительно и не соответствует критерию ГОСТ 24640-91. Наибольшее содержание карбонатного шлама (35 мас.%) в составе карбонатного шлама, приведенное в формуле предлагаемого изобретения, получено для исходного раствора с В/Ц=0,4 (табл.4, пример 5), которое является минимально возможным для инъекционных цементосодержащих растворов (Гончарова Л.В. Основы искусственного улучшения грунтов. - М.: МГУ, 1973). При большем содержании карбонатного шлама повышение механической прочности по сравнению с раствором с одинаковой величиной В/Ц, не содержащим добавки, становится несущественным (табл.4, примеры 6, 7).
Установленные пределы содержания карбонатного шлама (5-35 мас.%) в составе твердой фазы цементационного раствора при минимально возможном водосодержании (В/Ц=0,4) определяют тем самым пределы содержания каждого из компонентов в составе цементационного раствора:
| портландцемент | 41,7-66,9 |
| карбонатный шлам | 3,4-22,3 |
| вода | остальное |
(см. табл.4). При содержании цемента более 66,9 мас.% относительное содержание карбонатного шлама уменьшается за установленный предел (5 мас.%), и, как было показано, увеличение прочности цементного камня становится незначительным. Минимальное содержание цемента (41,7 мас.%) в равноподвижных растворах с исходным значением В/Ц=0,4 (табл.4, пример 5) определяется максимально возможным содержанием карбонатного шлама по отношению к цементу (35 мас.%).
Большое количество полученных экспериментальных данных позволяет предложить математическую формулу, которая для каждого значения В/Ц раствора определяет величину максимальной концентрации Cm (в мас.%) карбонатного шлама, при которой происходит повышение механической прочности затвердевшего цементационного раствора по сравнению с аналогичным составом цементно-водной суспензии:
где В/Ц - водоцементное отношение цементно-водной суспензии.
Например, для В/Ц=0,4 Сm=35 мас.%, для В/Ц=0,54 Сm=25,2≈25 мас.%, для В/Ц=0,7
Сm=14 мас.%, что соответствует экспериментальным данным.
Эта формула может быть использована не только при определении состава инъекционных цементных растворов, но и других видов цементосодержащих материалов, в частности строительных растворов и бетонов.
Положительный эффект от использования предлагаемого изобретения состоит, во-первых, в увеличении механической прочности закрепляемого грунтового массива, что приводит к снижению производственных затрат на закрепление грунта оснований, так как позволяет уменьшить количество вводимого в грунт раствора и, следовательно, время проведения этой технологической операции. Кроме того, как следует из полученных результатов (табл.4, пример 2 и табл.3, пример 4; табл.6, пример 2 и табл.5, пример 5; табл.6, пример 6 и табл.4, пример 7), в тех случаях, когда инъекционные растворы, приготовленные без добавления карбонатного шлама и в которых часть цемента заменена на карбонатный шлам, имеют одинаковую прочность, то экономия цемента может составить от 12 до 15 мас.%. Снижение расхода цемента и расширение сырьевой базы для производства закрепляющих растворов открывает новые возможности при выполнении геотехнических работ в строительстве.
Наконец, использование карбонатного шлама в составе инъекционных растворов представляет собой одно из решений важной проблемы утилизации техногенных отходов предприятий энергетики.
Способ цементации слабых грунтов, включающий приготовление водной суспензии цемента с тонкодисперсным минеральным компонентом и введение в грунт приготовленной суспензии, отличающийся тем, что в качестве тонкодисперсного минерального компонента используют карбонатный шлам химводоподготовки для котельных установок теплоэлектростанций - ТЭС или теплоэлектроцентралей - ТЭЦ, который вводят в состав твердой фазы водной суспензии цемента перед приготовлением указанной суспензии в количестве 10-35 мас.% от массы твердой фазы, определяя максимальное значение его количества по формуле
где В/Ц - водоцементное отношение водной суспензии цемента без добавления карбонатного шлама, составляющее 0,44-0,86.
5.2 Выбор технологических параметров
5.2.1 Основные технологические параметры для устройства грунтоцементного элемента по струйной технологии должны обеспечивать заданные в проекте геометрические габариты и прочностные показатели свойств грунтоцемента.
5.2.2 Для определения технологических параметров производства работ в проекте должны указываться следующие данные:
- диаметр грунтоцементного элемента м;
- суммарный (полный) расход цемента на 1 пог. м закрепляемого грунта кг/м;
- давление нагнетания раствора, МПа;
- водоцементное отношение WC.
5.2.3 Расход цемента зависит от решаемой задачи, типа грунта, необходимой прочности и может составлять для струйной цементации от 450 до 600 укрепленного грунта в песчаных грунтах и от 560 до 800 - в глинистых грунтах.
Для глубинного перемешивания расход цемента может назначаться по таблицам Е.1 и Е.2 и подтверждаться результатами лабораторных и опытных работ.
5.2.4 Давление нагнетания раствора определяет энергию струи и радиус ее действия. Предел достигаемого давления ограничен мощностью используемых насосов и герметичностью линии.
5.2.5 Водоцементное отношение раствора рекомендуется применять в диапазоне от 0,8 до 1,2 для регулирования времени набора прочности и размыва грунта для струйной цементации и 0,5-0,7 - для глубинного перемешивания. Допустимо применение химических добавок для регулирования вязкости раствора.
5.2.6 При наличии фильтрационных течений, которые могли бы размыть новообразованный грунтоцементный элемент, необходимо применять добавки, ускоряющие схватывание раствора (например, жидкое стекло или кальций хлор). Рекомендуемый объем добавок составляет 1% - 2% от массы цемента и уточняется на этапе опытных работ.
5.2.7 Обычно устройство грунтоцементных элементов по методу струйной цементации сопровождается выходом грунтоцементной пульпы на поверхность. Объем пульпы зависит от свойств грунта, расхода цемента и времени размыва грунта и составляет 30% - 70% от объема закаченного раствора для однокомпонентной технологии и 70% - 90% для двухкомпонентной технологии.
В проекте следует указывать требования о необходимости постоянного обеспечения выхода грунтоцементной пульпы на поверхность в ходе производства работ. Следует учитывать, что в случае отсутствия выхода пульпы на поверхности она может заполнить существующие полости в грунте (старые коммуникации или подвалы старых зданий) и привести к вертикальным или горизонтальным гидроразрывам.
5.2.8 При применении струйной технологии устройства ГЦЭ в проекте рекомендуется проанализировать необходимость применения комплексных химических добавок.
Примечание - В отдельных случаях применение добавок позволяет увеличивать эффективный диаметр получаемого грунтоцементного элемента на 10% - 15%, повышать однородность грунтобетона и снижать водоцементное отношение раствора с 1,0 до 0,7-0,8 при неизменном применяемом оборудовании и обычных режимах его работы.
6 Расчет грунтоцементных конструкций
6.1 Основные указания по расчету грунтоцементных армированных конструкций
6.1.1 Расчет армированных грунтоцементных конструкций должен быть выполнен в соответствии с ГОСТ 27751, СП 24.13330 и СП 22.13330 по предельным состояниям:
первой группы
а) по прочности материала закрепленного массива;
б) по предельному сопротивлению грунта основания закрепленного массива;
в) по потере общей устойчивости усиленных оснований при их расположении на склонах или при устройстве ограждений котлованов.
второй группы
а) по осадкам укрепленных оснований от вертикальных нагрузок;
б) по перемещениям укрепленных оснований от действия горизонтальных нагрузок и моментов.
6.1.2 Расчет армированных грунтоцементных конструкций должен проводиться с использованием апробированного и сертифицированного программного обеспечения на основании математических моделей, описывающих механическое поведение укрепленного массива. Допускается прямое определение усилий в армирующих элементах, если в расчетную область армирующие элементы и грунтоцемент введены раздельно.
6.1.3 При составлении расчетной модели должны учитываться грунтовые условия площадки строительства и ее гидрогеологический режим. Расчетная модель должна учитывать особенности механического поведения укрепленного массива. Допускается описывать механическое поведение грунтоцемента как линейными, так и нелинейными моделями.
6.1.4 Расчет армированных грунтоцементных конструкций по несущей способности необходимо выполнять на основные и особые сочетания нагрузок, по деформациям - на основные сочетания.
6.1.5 Расчет неармированных грунтоцементных конструкций по прочности материала выполняется по СП 63.13330 с учетом формулы (5.6) как для неармированных бетонных конструкций. При этом принимается расчетное сопротивление на сжатие, определенное для грунтоцемента. Расчетное сопротивление на растяжение принимается равным нулю.
6.1.6 При расчете армированных грунтоцементных конструкций в качестве геометрических параметров должны использоваться: отметки и уклоны поверхности грунта, уровней подземных вод, слоев грунта, котлованов и выемок в грунте; размеры грунтоцементных конструкций и элементов и их положение. При устройстве постоянных грунтоцементных конструкций следует учитывать, что отклонения геометрических размеров элементов, выполняемых по струйной технологии, фактически могут существенно отличаться от заданных проектом значений.
6.1.7 Армированные грунтоцементные конструкции рассчитывают по прочности на действие изгибающих моментов, продольных сил, поперечных сил, крутящих моментов. Расчеты проводятся на основании требований раздела 6.9 СП 22.13330.2016 и СП 63.13330.
6.1.8 При использовании метода струйной цементации на этапе проектирования в качестве предварительной оценки расхода цемента для достижения проектной прочности грунтоцемента допустимо использовать диаграммы, приведенные на рисунке 6.1. Для точной оценки прочностных свойств на опытном участке следует выполнять предварительные исследования характеристик укрепленного грунта в зависимости от содержания цемента.
Примечания
2 Прочность грунтоцемента, получаемого по двухкомпонентной технологии, следует принимать на 10% - 15% меньше значений, указанных на графике.
Читайте также: