Инновационный метод усиления и реконструкции фундаментов зданий и сооружений нанокомпозитными составами

Современное строительство требует использования высокопрочных и долговечных материалов, особенно при возведении фундаментов, которые являются основой любого здания. Возведение фундамента осложняется ограниченностью территории, особенностями грунта, необходимостью работы с близлежащими зданиями и выполнения работ в короткие сроки. Как опорная конструкция любого здания, фундамент испытывает огромные нагрузки, находясь под давлением всего расположенного над ним массива сооружения. Показатели прочности, несущая способность со временем ослабляются под влиянием ряда разрушающих факторов. Причин несколько, и они бывают естественной и техногенной природы. Дело доходит до нарушений целостности фундамента, разрушения бетонной защиты. Происходит осадка, возникают трещины. Только вовремя выполненное усиление фундамента остановит вертикальное распространение трещин по стенам, нежелательные деформации в виде перекошенных оконных и дверных блоков, проваливания полов.

Необходимость проведения работ по реконструкции зданий обусловлено снижением прочности материала фундамента при эксплуатации в основном за счет увеличения нагрузок на конструкции, появления трещин в стенах или фундаменте, деформации грунтов основания, проседания грунта или изменения его свойств (например, из-за подтопления или высыхания, возведения рядом с существующим зданием нового строительного комплекса).

Технологии упрочнения фундаментов имеют различные решения из-за учета их зависимости от раз-

Nanotechnologies in construction      2026; 18 (3):

Нанотехнологии в строительстве     341–348

Nanob

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

личных факторов. К ним относятся качество грунта, климатические условия, уровень подземных вод и сейсмичность района.

Существуют различные способы упрочнения фундаментов [1]. Наиболее перспективным из них является инъекционный метод, при котором вводят под давлением цементный раствор с различными добавками [2].

Преимуществами данного метода являются: минимальное вмешательство в конструкцию (не требуется проведение масштабных земляных работ); возможность проведения работ без остановки эксплуатации здания; высокая эффективность (инъекционные составы проникают в мельчайшие трещины и поры, обеспечивая комплексное укрепление фундамента и грунта); универсальность применения (подходит для различных типов фундаментов и грунтов); быстрота выполнения работ (занимает значительно меньше времени, чем традиционные методы реконструкции); долговечность результата (современные инъекционные составы обеспечивают длительный эффект усиления); экологичность (многие инъекционные материалы являются экологически безопасными и не оказывают негативного влияния на окружающую среду).

В настоявшее время для усиления фундаментов в процессе реконструкции в инъекционные растворы вводят различные добавки на основе полимерных композиционных материалов (далее ПКМ) и различных волокон, например, углеродных [3, 4].

Так, установлено, что добавки углеродных трубок (УНТ) и ПАВ при восстановлении железобетонных конструкций приводят к повышению их трещино-стойкости и повышению прочности на 115%.

Улучшение технологических параметров конструкций получено при добавках УНТ в структуру композитного бетона. Это позволяет снизить тре-щинообразование и повысить прочностные показатели бетона [5–8]. Для усиления эффективности использования добавок углеродных нанотрубок повышают адгезию гидрофильной матрицы бетона к гидрофобной поверхности нанотрубок путем повышения гидрофильности УНТ за счет их поверхностной модификации, обеспечивающей образование на поверхности УНТ полярных групп [9]. Такая задача решается использованием технологии жидкофазного окисления, например, в кислотной среде. Окисленные УНТ образуют стабильные дисперсии в водной среде, что позволяет достичь высокой равномерности распределения наполнителя в водной фазе и матрице [10–21].

Актуальной проблемой на сегодняшний день является определение рационального состава инъекционного раствора для повышения качества закрепления грунтов и усиления фундаментов зданий и сооружений, подлежащих реновации, без ударных, вибрационных и механических воздействий.

Технологическое качество инъекционных тампонажных растворов определяется легкой прокачкой насосами, небольшой плотностью, водо-твердым отношением, добавками пластификаторов и ускорителей твердения.

Использование инъекционного раствора определяется геологическими, гидрогеологическими условиями, технической возможностью предприятия, его эффективностью и экологической целесообразностью.

Основными компонентами инъекционного раствора используются цемент и бентонит, исполняющий роль пластификатора и стабилизатора вязкости.

Инновационное строительство предъявляет повышенные требования к используемым материалам, особенно в части их прочности, долговечности и устойчивости к внешним воздействиям. Это обусловлено как усложнением инженерно-геологических условий застройки, так и необходимостью обеспечения безопасности и надежности зданий и сооружений на протяжении всего их жизненного цикла. Фундаменты, являясь основой любого здания, воспринимают весь спектр нагрузок от вышележащих конструкций, а также испытывают постоянное воздействие грунтовых вод, сезонных перепадов температур, морозного пучения и агрессивных компонентов, содержащихся в почве. Поэтому повышение эксплуатационных характеристик фундаментных конструкций является одной из ключевых задач строительного материаловедения.

Традиционные цементные смеси, несмотря на широкое распространение и проверенную временем технологию, имеют ряд недостатков. К их числу относятся относительно низкая прочность на растяжение и изгиб, склонность к усадке и трещино-образованию, недостаточная водостойкость и подверженность коррозии в агрессивных средах. Эти ограничения снижают долговечность конструкций, требуют проведения дорогостоящих ремонтно-восстановительных работ и ограничивают область применения традиционных бетонов в сложных условиях эксплуатации. В связи с этим возникает объективная потребность в модификации цементных систем с целью придания им улучшенных физико-механических и эксплуатационных свойств.

Внедрение нанотехнологий в строительные материалы открывает принципиально новые возможности для создания композиционных материалов с заданными свойствами. Наноразмерные добавки, вводимые в цементную матрицу, способны активно влиять на процессы гидратации, структурообразо-вания и формирования контактной зоны между вяжущим и заполнителем. Благодаря высокой удель-

Nanotechnologies in construction      2026; 18 (3):

Нанотехнологии в строительстве     341–348

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Nanob

ной поверхности и повышенной реакционной способности наночастицы выступают в роли центров кристаллизации, ускоряя твердение и способствуя образованию более плотной и однородной микроструктуры цементного камня. Это, в свою очередь, приводит к повышению прочностных характеристик, снижению пористости и проницаемости, а также к улучшению деформативных свойств материала. [22–24].

Известно, что введение комплексной микроди-сперсной добавки кристаллогидратов сульфоалю-минатного клинкера (САК) и гиперпластификатора в состав цемента не только обеспечивает повышение прочности цементного камня, но и компенсирует усадочные деформации, обеспечивая высокую тре-щиностойкость и долговечность камня. Расширение цементного камня даже при небольших количествах комплексной добавки обеспечивает снижение расхода расширяющейся добавки при получении напрягающих цементов, что повышает экономические показатели их производства.

Для усиления грунтов для повышения устойчивости фундаментов зданий проводят инъектирования композитными растворами на различной основе.

Для этого в грунт, находящийся около фундамента, через предварительно пробуренные отверстия вводят инъектор, через который прокачивают раствор, происходит усиление массива грунта в радиусе 0,6–1,2 м вокруг инъектора (рис. 1).

Инъекциями композитного раствора путем модифицирования свойств искусственного основания можно снизить воздействие сейсмичности на устойчивость сооружений. Такое изменение достигается за счет упрочнения структуры и сплошности цементного камня и, как следствие, повышения его устойчивости к различным деформациям.

В композитных инъекционных растворах, кроме основного компонента –цемента, используются различные добавки, способные ускорять структу-рообразование и снижать его расход в рецептуре. К таким добавкам можно отнести алюмосиликатные нанотрубки (АНТ).

АНТ состоят в основном из оксидов кремния и алюминия, содержание которых достигает 75%. Они представляют собой полые трубки с внутренним диаметром 15 нм и внешним около 50 нм. На внутренней поверхности скрученной в спираль стенки находится оксид алюминия с отрицательным зарядом и на внешней – оксид кремния с положительным (рис. 2).

МЕТОДОЛОГИЯ

В работе использовали: цемент марки 500 , модифицированный бентонит, АНТ и жидкое стекло.

Рис. 1. Усиление фундамента. 1 – инъектор; 2 – фундамент; 3 – укрепленная зона

Рис. 2. Структура алюмосиликатных нанотрубок

Композитный раствор с В/Ц 2:1 готовили смешением бентонита с водой и добавками АНТ, после чего добавляли цемент и жидкое стекло. Для определения прочности смеси готовили образцы, которые извлекались из форм через сутки. Перед испытанием их хранили в помещении с температурой (20 ± 3) °С и относительной влажностью (65 ± 10)%. Образцы извлекали из формы и путем раздавливания кубиков находили прочность на прессе Controls 50-C0050/ CAL50 в течение 28 суток.

Исследовали структурообразования в композитных растворах с различным содержанием АНТ во времени. Содержание АНТ к массе цемента варьировалось от 0,000% (нулевой образец) до 0,450 %.

На рисунке 3 представлено структурообразова-ние композитного раствора с добавками АНТ при хранении с бентонитом марки П2Т2А через 1, 3, 7, 9, 14 и 28 суток хранения.

Исходя из проведенного исследования установлено, что на 7, 14, 21 и 28 сутки наибольшая прочность

Nanotechnologies in construction      2026; 18 (3):

Нанотехнологии в строительстве     341–348

Nanob

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 3. Прочность композитных растворов в зависимости от продолжительности хранения при различном содержании АНТ к массе цемента, %: 1 – 0,125; 2 – 0,100;

3 – 0,150; 4 – 0,250;

5 – 0,080; 6 – 0,300;

7 – 0,075; 8 – 0,400;

9 – 0,006; 10 – 0,450;

11 – 0,000

композитного раствора достигается при использовании добавок АНТ в количестве 0,125% к массе цемента.

С целью всестороннего анализа взаимосвязи между концентрацией модифицирующих добавок, продолжительностью выдержки и прочностными свойствами материала выполнена трехмерная аппроксимация экспериментальных данных. Построенная математическая модель устанавливает функциональную зависимость предела прочности Р (МПа) от двух независимых переменных: массовой доли добавки АНТ С (%) и временного параметра t (сутки), что формально выражается соотношением P = f ( C , t ) уравнения 1.

График, показанный на рисунке 4, может быть аппроксимирован следующей функцией:

f ( x , t ) = 0,2452 – 21,4025 x + 0,1539 t +

+ 424,2941 x ² + 1,0078 xt – 0,0071 t ² –

– 2,59 × 10 ³ x ³ – 3,985 x ² t – 0,0259 xt ² +

+ 1,1558 × 10 ⁴ t ³ + 6,1655 × 10 ³ x ⁴ + 6,7885 x ³ t +

+ 0,0527 x ² t ² + 4,5646 × 10 ^–4 xt ³ – 5,023 ×

× 10 ³ x ⁵ – 9,0763 x ⁴ t + 0,0907 x ³ t ² – 0,0016 x ² t ³ . (1)

Приведенная выше функция описывает график с достаточной точностью, на это указывает коэффициент детерминации, равный 0,72191, который говорит о том, что функция описывает график с хо-

Рис. 4. Прочность композитных растворов в зависимости от продолжительности хранения при различном содержании АНТ к массе цемента

Nanotechnologies in construction      2026; 18 (3):

Нанотехнологии в строительстве     341–348

Nanob

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 5. Прочность композитного раствора при различной концентрации модификатора через 28 суток

рошей точностью — она улавливает основную закономерность данных.

На основе полученных экспериментальных данных на рисунке 5 рассчитана скорость структуроо-бразования композитного раствора для изучаемых концентраций добавок АНТ. На основе полученных данных построен график зависимости скорости структурообразования композитных растворов от содержания модификатора.

Экспериментально и графически подтверждено, что введение добавки АНТ в дозировке 0,125% от массы цемента приводит к существенному улучшению прочностных характеристик композиционного материала: прочность возрастает в 2,8 раза относительно контрольного образца без добавок. Данный эффект обусловлен комплексным воздействием добавки на процессы гидратации цемента: формирование более плотной и однородной микроструктуры цементного камня, образование дополнительных кристаллических фаз, упрочняющих матрицу [25].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Установлено, что с увеличением содержания модификатора нарастание прочности композиционного материала происходит по сложной нелинейной закономерности.

Определена оптимальная концентрация АНТ, при которой прочность композитного раствора через 28 суток хранения достигает максимального значения. Она соответствует 0,125% к объему раствора. При больших и меньших концентрациях модификатора прочность композитного раствора имела тенденцию к уменьшению прочности.

Повышение прочности композитной системы, по-видимому, происходит за счет появления новой дополнительной фазы, обладающей повышенной твердостью, обеспечивающей лучшее сцепление ее с продуктами гидратации модифицированной бентонито-цементной системы.

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что модифицирование композитного раствора АНТ при нормальных условиях приводит к аномальным изменениям в структуре, повышает его прочность и изменяет кинетику струк-турообразования.

Приведенные решения позволяют значительно изменять структурно-механические свойства основания. Использование композитного раствора с добавкой АНТ в зависимости от глубины обработки существующего основания решит вопрос с устойчивостью фундаментов. Планируются исследования, направленные на доказательство возможности использования других техногенных отходов в рассмотренной сфере применения.

ВЫВОДЫ

Предложенный механизм процесса структуроо-бразования цементной матрицы композитного раствора заключается в модифицировании структуры композитного раствора АНТ с образованием новых центров кристаллизации в фазовом растворе цементного камня. В результате такого преобразования образуется композитная система с повышенной плотностью и прочностью, что позволяет использовать ее для снижения воздействия различных деформаций.

Выявлены значения оптимальной концентрации наноалюминийсодержащей добавки, которая максимально увеличивает прочность композитной системы. Аппроксимирующая плоскость, представляющая собой двухфакторную регрессионную модель экспериментальных данных, представлена на рисунке 4. Аппроксимирующая функция плоско-

Nanotechnologies in construction      2026; 18 (3):

Нанотехнологии в строительстве     341–348

Nanob

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

сти, зависящая от времени и концентрации, представляет собой полином со степенью по x , равной 5, а по t , равной 3 (рис. 4). Эти результаты реализованы в программе MathWorks MATLAB. Установлено, что максимальная скорость структурирования композитной системы имеет место при добавке 0,125% АНТ. Появление такого эффекта можно объяснить образованием новой фазы цементного камня, обладающей повышенной адгезией.

Введение в КР оптимальной концентрации добавки АНТ позволит использовать ее в качестве композитного раствора для повышения устойчивости фундаментов.

Таким образом, результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что применение композитных растворов, модифицированных алюмосиликатными нанотрубками (АНТ), представляет собой перспективное направление в области строительного материаловедения и технологии возведения зданий и сооружений. Введение наноразмерных добавок позволяет целенаправленно влиять на процессы структурообразования цементных систем, обеспечивая формирование более плотной и однородной микроструктуры композита. Это, в свою очередь, способствует повышению прочностных характеристик материала, снижению его водопоглощения и улучшению деформативных свойств.

Полученные в работе экспериментальные данные подтверждают потенциал модифицированных композитных растворов для обеспечения долговременной надежности и эксплуатационной безопасности зданий и сооружений. Формирование в структуре материала дополнительных кристаллических фаз, обладающих повышенной твердостью и устойчивостью к внешним воздействиям, создает предпосылки для увеличения срока службы усиленных конструкций.

Вместе с тем для полноценного внедрения разработанных составов в практику строительного производства необходимы дальнейшие исследования, направленные на изучение долгосрочной стабильности свойств модифицированных растворов в условиях агрессивных сред. Особого внимания заслуживают вопросы коррозионной стойкости композитов при воздействии сульфатных, хлоридных и биогенных факторов, а также оценка их морозостойкости в условиях переменного водонасыщения. Целесообразным представляется также проведение натурных испытаний опытных участков усиления фундаментов с мониторингом напряженно-деформированного состояния в течение длительного периода эксплуатации.

Кроме того, перспективным направлением дальнейших исследований является оптимизация составов композитных растворов с учетом экономической эффективности и экологической безопасности, включая возможность использования вторичных сырьевых ресурсов в качестве компонентов модифицирующих добавок. Решение указанных задач позволит расширить область применения разработанной технологии и обеспечить ее внедрение в практику строительства и реконструкции зданий различного назначения.