Экологические риски химического закрепления в городском строительстве

Для того чтобы оценить экологический риск применения специального способа - химического закрепления грунтов в городском подземном строительстве - необходимо рассмотреть современные тенденции развития этого способа.

Химического укрепления - это искусственное преобразование строительных свойств естественных грунтов их химической обработкой различными реагентами, основанной на реакциях взаимодействия реагентов между собой или с участием химически активной части грунтов. Такое закрепление грунтов обеспечивает необратимость и долговечность приобретенных ими свойств. Химическое укрепление делится на два типа:

Инъекционное закрепление грунтов - когда реагенты в виде растворов или газов вводятся в грунты в условиях их естественного залегания и без нарушения их структуры, нагнетанием под давлением;

Буросмесительное закрепление грунтов , когда оно осуществляется с нарушением их естественной структуры механическим перемешиванием грунтов с цементами или другими реагентами и добавками, с применением специальных механизмов.

Инъекционное закрепление распространяется на грунты, обладающие определенной водопроницаемостью, включая песчаные, крупнообломочные, трещиноватые скальные и полускальные грунты, а также просадочные лессовые грунты.

Буросмесительное закрепление распространяется в принципе на все нескальные грунты, включая глинистые, независимо от их водопроницаемости. Так как инъекционное закрепление наиболее распространено, то в данной статье оно будет рассмотрено более подробно.

В практике существует достаточно много видов химического укрепления таких как глинизация, битумизация, электроосмос. Остановимся на двух основных видах, которые представляют наибольшую опасность для окружающей среды – это смолизация и силикатизация. Для начала выясним, что они из себя представляют:

Силикатизация - Закрепление грунтов на основе растворов силиката натрия независимо от применяемых отвердителей

Смолизация – Закрепление грунтов на основе синтетических смол в смеси с отвердителями (кислоты и кислотные соли).

Схемы применения этих способов очень схожи. Сутью этих методов является введение под давлением растворов в породу, с помощью иньектора. Нагнетание закрепляющих реагентов в грунты осуществляется насосами, сжатым воздухом из специальных пневмобаков или из газовых баллонов.

Область применения химукрепления в городском строительстве весьма разнообразна. Этот способ могут применять как для вновь строящихся объектов в слабых грунтах, так и для реконструкции фундаментов уже существующих зданий и сооружений. Этот способ имеет ряд преимуществ по сравнению с замораживанием или кессонным способом. Он отличается простотой выполнения, меньшими сроками реализации, а так же не требует дополнительных работ ( проведение выработок, или иных земляных работ).

Однако, большинстве случаев, химические методы укрепления породных массивов сопряжены с риском миграции химических веществ из применяемых материалов в окружающую среду. Основным риском является отравление подземных вод, омывающих подземное сооружение, а так же возможность отравление воздуха в подземных сооружениях через несущие и ограждающие конструкции. [1]

На интенсивность миграции компонентов полимерных растворов влияют: рецептура и технология химукрепления, скорость протекания процессов деструкции, продолжительность эксплуатации, время контакта укрепляемого массива с водой, температура, физико-химические свойства среды.

Температура окружающей среды играет важную роль в миграции вредных веществ в массив, например повышение температуры воды на 2060 ºC оказывает более сильное воздействие на процесс. Из физикохимических свойств на риск миграции может повлиять щелочность и кислотность среды. Но основным фактором все же является удельная поверхность фильтрации материала. Чем больше удельная поверхность фильтрации грунта, тем больше контакты фильтрата с данным полимером, тем сильнее миграция вредных веществ в окружающую среду. [1]

Полимерный материал	Мигрирующий компонент
Карбамидные растворы (фенопласт)	Формальдегид Окисляющие вещества Бромирующиеся вещества
Эпоксидный состав	Дефениленпропан Эпихлоргидрин Полиэтиленполиамины

Все вещества, приведенные в табл. 1, как мигрирующие компоненты, весьма токсичны, при несоблюдении каких либо правил могут нанести непоправимый вред окружающей среде, а, следовательно, человеку, прежде всего рабочим на объекте. Причем болезни несут скрытый характер и могут проявиться не сразу. Поражение легкий, почек, печени, а так же раздражение слизистых. Многие из этих веществ запрещены в странах ЕС и США, из-за концерагенности и токсичности.

Экологический риск применения полимерных материалов при инъекционном упрочнении пород, вмещающих подземное сооружение, оценивается при полной идентификации всех мигрирующих компонентов, которая, однако, недостаточна для прогноза потенциальной опасности. Поэтому для оценки экологического риска применения полимерных материалов при инъекционном укреплении массива, вмещающего подземный объект, используется критерий – допустимое количество миграции (ДКМ) в модельную среду. Для веществ, ДКМ которых в настоящее время не установлены, количественными критериями токсичности служат допустимые уровни (ДУ) миграции химических веществ из полимерных материалов в воду или предельно допустимые концентрации (ПДК) для воды водоемов.

Таблица 2

Соединение	ДКМ	ДУ
Алкофен БП	2,0	-
Алкофен В	2,0	-
Беназол П	2,0	-
Беназон ОМ	2,0	-
Бисфенол А	0,01	-
Фосфит НФ	4,0	-
Гексаметилендиамин	0,01	-
Диоктилсебацинат	4,0	-
Диоктилфталат (диизооктилфталат)	2,0	2,0
Капролактам	0,6	5,0

Малеиновыцй ангидрид	0,5	5,0
Меламин	1,0	-
Метиловый спирт	1,0	-
Метилметакрилат	0,25	-
Нитрит акриловой кислоты	0,05	-
Полиэтиленполиамин	0,01	-
Стирол	0,01	-
Гексаметилентетрамин (утропин)	2,0	-
Фенол	0,001	-
Формальдегид	0,1	-
Фталевый ангидрид	0,2	0,5
Дибутилфталат	0,25	2,0
Эпихлоргидрин	0,1	-
Терефталевая кислота	-	5,0
Бутилацетат	-	0,8
Тетрагидрофуриловый спирт	-	3,0
Свинец Pb2+	-	0,05
Цинк Zn2+	-	0,3
Медь Cu2+	-	1,0
Титан Ti4+	-	4,0

В табл. 2 приводятся ДКМ и ДУ для некоторых соединений, выделяющихся из материалов химического укрепления и представляющих опасность загрязнения природной среды. Используя данные табл. 2 была оценена степень экологического риска при использовании карбамидных и эпоксидных смол в качестве инъекционного средства [1].

Результаты анализа влияния миграции формальдегида и фенола из карбамидных составов на заражение вод и вмещающего подземное сооружение породного массива приведены в табл. 3 [1].

Проведенный анализ показал, что главным условием для миграции вредных веществ из инъектируемого полимерными составами грунта является удельная поверхность пор и капиллярных каналов, по которым фильтруется вода или удельная поверхности фильтрации грунта. Именно этот показатель определяет степень уплотнения массива при химическом укреплении, соответствующую отсутствию выноса вредных веществ в окружающую среду в концентрациях, превышающих ПДК. Удельная поверхность пор определяет характер фильтрации воды через укрепленный массив через коэффициент проницаемости среды.

Предельный коэффициент фильтрации укрепленного массива.

Превышение этого значения может привести к недопустимой миграции вредных веществ в окружающую среду. Оно состоит из:

2 Сn

K_k =∝ ²

y ² τµ Q_ф ^2.

∝ - единица миграциис единицыповерхности С - постояннаяКозени n - эффективная пористость

τ - коэффициеент извилистости поровыхканалов µ - динамическая вязкостьводы Q - количеств оводы

Исходя из табличных значений и значимости коэффициента фильтрации укрепленного массива, можно сделать вывод, что химическое укрепление является достаточно вредным способом и использование его должно быть крайне аккуратным. Прежде всего, должно соблюдаться правильное соотношение всех присутствующих компонентов в смеси, это поможет предотвратить излишнее выделение вредных компонентов в окружающую среду. И не менее важным остается контроль над температурой окружающей среды, изменение которой может вызвать изменение состава смеси и выброс наиболее вредных веществ в атмосферу. Следуя основным правилам способ химического укрепления можно применять в городском строительстве, при аварийных ситуациях или при высокой необходимости. Во всех остальных случаях следует выбирать более безопасный способ укрепления породного массива.

Таблица 3

Оценка степени экологического риска при использовании карбамидных и эпоксидных смол [1]

Состав, концентрация	Отвердитель	Удельная поверхность пор укрепленного грунта, м2/м3	ФОРМАЛЬДЕГИД				ФЕНОЛ
			Миграция (мг) в течение, ч		Концентрац ия в окружающе м массиве, мг/л	ДК М, мг/л	Миграция (мг) в течение, ч		Концентраци я в окружающем массиве, мг/л	ДКМ, мг/л
			1	24			1	24
МФ-17, 60	Щавелевая кислота, 3,5	0,5 ⋅ 103	0,041	0,204	2,4 ⋅ 10-4	0,1	0,011	0,054	0,6 ⋅ 10-4	0,001
ММ-2, 100	То же, 15	0,23 ⋅ 103	0,009	0,043	2,1 ⋅ 10-3	0,1	0,002	0,011	0,1 ⋅ 10-4	0,001
МФА, 70	То же, 4	1,2 ⋅ 103	0,234	1,172	1,3 ⋅ 10-3	0,1	0,06	0,137	0,3 ⋅ 10-3	0,001
Крепитель К, 100	То же, 12	0,24 ⋅ 103	0,01	0,049	5,6 ⋅ 10-5	0,1	0,003	0,013	0,16 ⋅ 10-2	0,001
МФФА, 100	Щавелевая кислота 0,7, хлорид 0,5	2,06 ⋅ 103	0,69	3,46	3,4 ⋅ 10-3	0,1	0,176	0,898	9 ⋅ 10-4	0,001
То же	То же	1,58 ⋅ 103	0,376	1,887	1,9 ⋅ 10-3	0,1	0,193	0,493	5 ⋅ 10-5	0,001
МФ-17, 40	Щавелевая кислота, 4	1,18 ⋅ 103	0,79	3,96	1,1 ⋅ 10-3	0,1	0,202	1,03	2,08 ⋅ 10-4	0,001
МФ-17, 40	То же, хлорид 0,5	0,64 ⋅ 103	0,067	0,34	1 ⋅ 10-4	0,1	0,018	0,09	2,4 ⋅ 10-5	0,001