Экспериментальные исследования деформационно-прочностных свойств песчаного грунта при его укреплении полиуретановыми составами
Автор: Шилова Т.В., Сердюков С.В., Дробчик А.Н.
Журнал: Горные науки и технологии @gornye-nauki-tekhnologii
Рубрика: Свойства горных пород. Геомеханика и геофизика
Статья в выпуске: 1 т.10, 2025 года.
Бесплатный доступ
При возведении и эксплуатации инженерных объектов, разработке месторождений твердых полезных ископаемых в ряде случаев необходимо улучшать свойства песчаных грунтов за счет их армирования полимерными составами. Анализ современных исследований показывает, что влияние расхода и способа обработки полиуретанами на приобретенные свойства рыхлых пород слабо изучено. В работе представлены результаты лабораторных исследований химического закрепления песчаного грунта полиуретановыми составами. Геоматериалы, обычно получаемые при армировании рыхлых пород высокоэластичными полимерами, имеют низкие прочностные свойства и стабильны лишь при незначительных нагрузках. Для повышения прочности предложена технология двухрастворной обработки песчаного грунта, включающая последовательное смешение породы с двухкомпонентным высокоэластичным медленно реагирующим составом и малым объемом быстротвердеющей однокомпонентной смолы. Цель работы - экспериментальное исследование зависимости деформационно-прочностных свойств песчаного грунта от способа смешения с полиуретановыми составами и объемного расхода полимера. Экспериментально протестированы стандартный однорастворный способ смешения образцов с высокоэластичной смолой в соотношении объемов с песком от 0,05 до 0,4 и двухрастворный, включающий дополнительную обработку быстротвердеющей однокомпонентной смолой в объеме 5 % от укрепляемого грунта. Влияние полиуретановых смол на свойства породы оценивали по результатам прочностных испытаний методом трехосного сжатия. Для определения содержания и распределения отвержденных полимеров в структуре рыхлой породы использовался метод электронно-сканирующей микроскопии. Установлено, что добавление быстротвердеющего полиуретанового состава в двухрастворном способе смешения приводит к формированию агрегатов отвержденного полимера, связывающих минеральные зерна без сплошного заполнения межзерновых пустот. Наличие таких агрегатов повышает прочностные характеристики песка до 5 раз, что в 1,3-3 раза больше, чем при стандартном однорастворном смешении с высокоэластичной смолой в объемном соотношении с укрепляемой породой до 0,3. Установлено, что в условиях трехосного сжатия геоматериал, полученный при двухрастворном способе смешения, выдерживает более значительные осевые деформации. В случае объемного соотношения смолы и породы более 0,3 прочность получаемого геоматериала не зависит от добавки быстродействующего состава. Практическая значимость полученных результатов состоит в повышении прочности песчаного грунта при его малообъемном укреплении высокоэластичными полиуретанами.
Грунт, песок, свойства, прочность, укрепление, технология, обработка, полиуретан, смола, геоматериал, испытание, трехосное сжатие, разрушение, деформация
Короткий адрес: https://sciup.org/140309499
IDR: 140309499 | УДК: 624.131.4:66.094.35:678.6 | DOI: 10.17073/2500-0632-2024-08-303
Experimental research of stress-strain properties of sandy soil when strengthened with polyurethane compounds
In a number of cases during construction and operation of engineering facilities, development of mineral deposits it is necessary to improve the properties of sandy soils by strengthening them with polymer compounds. Analysis of current research shows that the effect of flow rate and method of treatment with polyurethanes on the acquired properties of loose rocks is poorly understood. The paper presents the results of laboratory research of chemical strengthening of sandy soil with polyurethane compounds. Geomaterials typically produced by strengthening loose rock with highly elastic polymers have low strength properties and are stable under only minor loads. To improve the strength, a two-binder sandy soil treatment process is proposed, which includes sequential mixing of the soil with a two-component highly elastic slow-reacting compound and a small volume of a fast-curing one-component resin. The aim of the work is to experimentally investigate the dependence of strain and strength properties of sandy soil on the method of mixing with polyurethane compounds and the polymer volume flow rate. A standard one-component method of mixing samples with highly elastic resin at the resin-to-sand volume ratio from 0.05 to 0.4 and a two-component method including additional treatment with fast-curing one-component resin in the volume of 5% of the strengthened soil were experimentally tested. The effect of polyurethane resins on rock properties was evaluated by triaxial compression strength tests. Electron scanning microscopy was used to determine the content and distribution of cured polymers in the loose rock structure. It was found that the addition of a fastcuring polyurethane compound in the two-component mixing method leads to the formation of aggregates of cured polymer, binding mineral grains without continuous filling of intergranular voids. The presence of such aggregates improves the strength characteristics of sand up to 5 times that is 1.3-3 times more than at the standard one-component mixing with highly elastic resin at a resin-to-rock to be strengthened volume ratio up to 0.3. It was found that under triaxial compression conditions, the geomaterial obtained by the two-component mixing method withstands higher axial stresses. In case the volume ratio of resin to rock is more than 0.3, the strength of the produced geomaterial does not depend on the addition of the fast-curing compound. The study findings practical significance consists in increasing the strength of a sandy soil due to its low-volume strengthening with highly elastic polyurethanes.
