Пластиковые дренажные плиты с низкотемпературным наноспеканием гранул

Ляпидевская О.Б. Пластиковые дренажные плиты с низкотемпературным наноспеканием гранул. Нанотехнологии в строительстве. 2025;17(5):538–546. – EDN: IIWXTI.

Наиболее распространенным методом защиты подземных частей зданий от разрушающего воздействия грунтовых вод является использование различных гидроизоляционных биосодержащих рулонных или мастичных материалов в сочетании с дренажной гравийно-песчаной засыпкой. Однако данные методы являются весьма трудоемкими, а качество гидроизоляционной защиты подземных сооружений зачастую не соответствует необходимым требованиям. Из-за этого могут наблюдаться частые затопления подземных и заглубленных частей зданий. Такие явления не только ухудшают благоприятные тепловые и влажностные условия эксплуатации подземных помещений, но и могут привести к разрушению бетонных конструкций [1–8].

С целью улучшения качества защиты подземных конструкций появилось несколько направлений развития пристенных дренажных систем. К ним относятся рулонные полимерные сетки в сочетании с геотекстилем, синтетические маты с сыпучими минеральными или полимерными наполнителями, крупнопористые полимерные плиты с геотекстилем и многие другие [9–13].

Некоторые примеры многослойных дренажных материалов и систем представлены на рис. 1–4. Трех- слойная конструкция, состоящая из двух слоев гео-текстильного полотна, между которыми равномерно распределены небольшие кусочки синтетической резины, склеенные между собой в точках контакта, приведена на рис. 1. Недостатком такой конструкции является ее низкая коррозионная стойкость и ненадежность используемых клеев. Другим примером дренажной системы является конструкция, состоящая из двух плит, одна из которых перфорирована и контактирует с грунтом. Эти две плиты удерживаются вместе распорками, которые также служат в качестве водопропускного канала (рис. 2). Главным недостатком этой системы является сложность ее изготовления и недостаточная изученность фильтрационных характеристик.

Изолирующая пластиковая панель со специальными вырезами для отвода воды, защищенная от засорения грунтом геотекстильной тканью, показана на рис. 3. Другим примером дренажной плиты является гофрированный лист, изготовленный из синтетической смолы, с обеих сторон которого прикреплен геосинтетический материал (рис. 4). Эти два примера также достаточно сложны в изготовлении, кроме того, их нельзя использовать на глубине более 5 метров.

Для улучшения защиты сооружений от грунтовых вод и повышения долговечности подземных соору-

РАЗРАБОТКА НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рис. 1. Дренажная конструкция: 1 – геотекстильное полотно; 2 – склеенные между собой кусочки синтетической резины

Рис. 2. Дренажная система: 1 – стена; 2 – две плиты (нижняя плита перфорирована); 3 – грунт

Рис. 3. Дренажная панель: 1 – пластиковая панель;

2 – вырезы для отвода воды; 3 – геотекстильная ткань

Рис. 4. Дренажная плита: 1 – геотекстильное покрытие; 2 – гофрированный лист, изготовленный из синтетической смолы

жений были разработаны новые методы, в том числе сборные жесткие фильтрующие плиты для пристенного дренажа (рис. 5).

Первые сборные жесткие дренажные стеновые плиты были изготовлены из фильтрующего крупнозернистого бетона. Эти плиты обладают достаточно высокой водопроницаемостью (0,3–1,0 см/с) и высокой прочностью на сжатие (2,5–10 МПа) [14, 15]. Однако бетонные плиты обладают рядом недостатков. Они имеют большую массу, что затрудняет их транспортировку и установку. Кроме того, они обладают низкой устойчивостью к различным видам коррозии и не могут использоваться в районах с агрессивными грунтовыми водами [16].

В последние годы в качестве стеновых дренажных элементов стали широко использоваться многослойные полиэтиленовые рулонные листы с закругленными выступами и защитными слоями из гео-текстильных покрытий. Эти материалы обладают высокой прочностью и устойчивостью к агрессивным средам, а также выдерживают давление грунта до 0,05 МПа. Несмотря на ряд преимуществ перед защитными материалами, изготовленными на основе битумных композиций, полиэтиленовые листы име- ют ряд недостатков. Из-за высокой жесткости пластика довольно сложно качественно выполнить швы внахлест, что требует использования специальных мастик [17–20]. Качество работ не всегда соответствует необходимым требованиям, установленным стандартами, и со временем швы повреждаются, что приводит к протечкам и потере гидроизоляционной способности полиэтиленовых листов.

Таким образом, анализ материалов, используемых для дренажных систем, показал необходимость разработки новых эффективных материалов для защиты подземных сооружений, которые были бы лишены упомянутых выше недостатков.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

С целью создания эффективной и долговечной дренажной системы с высокой водопропускной способностью и устойчивостью к агрессивным средам нами была сделана попытка разработать пластиковые плиты с крупнопористой структурой. Такая структура плит была создана путем спекания сферических гранул пенополистирола в точках контакта с образованием в промежутках между ними

РАЗРАБОТКА НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рис. 5. Подземная конструкция с применением фильтрационных плит: 1 – подземная часть стены;

2 – гидроизоляционное покрытие; 3 – фильтрующие пристенные плиты; 4 – дренажная труба; 5 – гравийная смесь; 6 – грунт; 7 – гравий открытой (межзерновой) пористости. При этом само спекание происходит на наноуровне. Возникающие внутримолекулярные взаимодействия создают прочное сцепление гранул между собой без искажения их формы. Процесс «склеивания» гранул в предлагаемых условиях можно назвать наноспеканием. Разработка технологии была основана на исследовании влияния различных факторов, таких как время вспенивания и спекания, температура, а также размер гранул, на основные свойства дренажного пенополистирола: водопропускную способность, межзерновую пористость, прочность на сжатие и другие [21, 22].

Как обсуждалось в наших предыдущих исследованиях [21–23], время вспенивания гранул зависит от их размера и составляет от 200 до 300 секунд. Наноспекание гранул происходит при температуре 98 °C, а продолжительность процесса спекания – 60 секунд. Дальнейшее повышение температуры или времени спекания может привести к деформации гранул. Кроме того, были определены следующие физические и механические свойства материала: средняя плотность составила 18 кг/м3, а прочность на сжатие – 0,09–0,11 МПа. Для обеспечения необходимой защиты подземных сооружений от грунтовых вод и создания теплового и влажностного режи- ма эксплуатации зданий рекомендуются следующие размеры дренажных плит: 1000×500×100 мм [23].

В ходе работы были определены структурные характеристики пластиковых плит из фильтрационного пенополистирола: характерный диаметр пор и межзерновая пористость. Для определения структурных характеристик мы изготовили серии образцов различного гранулометрического состава и получили плоские сечения пористого материала (шлифы), которые затем подвергли компьютерной обработке.

Характерным диаметром пор фильтрующего пенополистирола был выбран размер пор, соответствующий 70% его содержания в материале ( D ₇₀).

Водопропускная способность материалов с различным гранулометрическим составом была определена с использованием цилиндрических образцов диаметром и высотой 10 см. Перед испытанием боковые стороны образцов покрывали герметизирующим материалом. Для измерения количества воды, просачивающейся через образец при различных градиентах напора, использовалось устройство, представленное на рис. 6. Чтобы уменьшить влияние кольматации воздуха, заполнение образцов производилось медленно, а поток фильтрации направлялся снизу вверх.

Для контроля давления использовались два водосливных резервуара с постоянным уровнем воды. Водосливные резервуары перемещались вертикально каждые 10 минут. Потеря напора в образцах измерялась как разность показаний пьезометров. Измеряя уровень воды в пьезометрах, мы также определяли расход воды при перепадах в диапазоне от 0,05 до 1,0.

Градиент напора ( J ) был рассчитан по формуле (1):

J = ∆ H / l ,                                      (1)

где ∆ H – потеря напора в образце, см; l – высота образца, см.

Скорость фильтрации ( V ) была определена по формуле (2):

V = Q / A ,                                    (2)

где Q – расход воды, cм³/с; A – поперечное сечение образца, cм².

Основываясь на полученных результатах, нами был построен график зависимости скорости фильтрации V от градиента напора J и определена зависимость между водопропускной способностью материала и градиентом напора. Как обсуждалось в наших предыдущих исследованиях [22, 23], в режиме ламинарного течения и при низких скоростях потока воды существует линейная зависимость между скоростью фильтрации и градиентом давления

РАЗРАБОТКА НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рис. 6. Устройство для определения водопропускной способности образцов материала: 1 – водосливные резервуары; 2 – пьезометры; 3 – образец; ∆ H – потеря напора в образце

в мелкопористой среде. В этом случае может быть применен закон Дарси (формула 3):

• V = К_ф• J ,                                     (3)

где К_ф – коэффициент фильтрации, cм/с; J – градиент напора.

В высокопористой среде скорость потока воды может значительно изменяться в зависимости от величины и направления, даже при низких градиентах давления. В таких случаях линейный закон больше не работает и следует использовать формулу Прони (многочлен второй степени) (формула 4):

J = aV + bV ²,                                   (4)

где J – градиент напора; a – эмпирический коэффициент, характеризующий водопроницаемость материала; b – эмпирический коэффициент инерционного сопротивления; V – скорость фильтрации, cм/с.

Используя полином второй степени, была выведена эмпирическая формула для расчета коэффициента фильтрации фильтрационного пенополистирола (Кф, см/с) (формула 5):

V               0 01P^-2'³

Кф = - (1+ •——---------- ■ 7), (5)

• *₽ J ^v O.6758D²_o-2.7873D_7o+3.3O23   ⁷

где P – межзерновая пористость, доли единицы; J – градиент напора; V – скорость фильтрации, cм/с; D ₇₀ – характерный диаметр пор, см.

Одним из важнейших условий обеспечения стабильности дренажной системы является ее устойчивость к засорению частицами грунта засыпки, т.е. стойкость к кольматации.

Для исследования кольматации пластиковых дренажных плит из фильтрующего пенополистирола при контакте с различными типами грунтов было использовано устройство, показанное на рис. 2. Ход испытания заключался в следующем: на образец насыпали слой грунта толщиной 1,0 см, а затем сверху в устройство подавали воду. Каждые 2 часа с помощью пьезометров измеряли изменения уровня воды. Коэффициент фильтрации определялся после заполнения межзерновых пустот фильтрационного пенополистирола грунтом до тех пор, пока не был достигнут постоянный поток воды.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате проведенных исследований были определены следующие показатели дренажных пластиковых плит из фильтрационного пенополистирола: структурные характеристики (зерновой состав вспененных гранул, характерный диаметр пор, межзерновая пористость) и коэффициент фильтрации. Полученные данные представлены в табл. 1.

Результаты, представленные в табл. 1, показывают, что на водопропускную способность материала существенное влияние оказывают его структурные характеристики. Так, в зависимости от гранулометрического состава, характеристического диаметра

РАЗРАБОТКА НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Таблица 1. Структурные характеристики и коэффициент фильтрации фильтрационного пенополистирола

Номер партии образца Зерновой состав вспененных гранул Характерный диаметр пор (D70), мм Межзерновая пористость, % Коэффициент фильтрации, см/с мм % 1 7–8 100 2,2 22,0 2,30 2 7–8 50 1,71 18,9 1,90 5–7 50 3 5–7 100 1,55 31,0 1,60 4 5–7 50 1,23 27,9 1,10 3–6 50 5 7–8 33 1,12 15,8 0,88 3–6 33 2–3 33 6 2–3 100 0,64 19,7 0,59 7 7–8 25 0,43 9,5 0,44 5–7 25 3–6 25 2–3 25 пор и межзерновой пористости значения коэффициента фильтрации варьируются в широких пределах – от 2,30 до 0,44 см/с.

Для образцов с различным зерновым составом была установлена зависимость скорости фильтрации от градиента напора (рис. 7).

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что даже при небольших перепадах давления линейная зависимость между скоростью фильтрации V и градиентом напора J не наблюдается. Скорость фильтрации пластиковых дренажных плит растет с увеличением диаметра вспененных гранул пенополистирола и размера пор.

В ходе работы были также проведены суффозион-ные исследования с целью разработки рекомендаций по подбору гранулометрического состава фильтрационного пенополистирола при работе пластиковых дренажных плит в различных грунтах.

Анализируя показатели, представленные в табл. 1, а также дополнительные исследования, проведенные в наших ранних работах [21–23], можно сделать следующие заключения.

Для пристенных дренажных систем, контактирующих со связными грунтами, можно рекомендовать пластиковые плиты со всеми испытанными составами фильтрационного пенополистирола (№ 1–7) с размером гранул от 2,0 до 8,0 мм. При этом специальная дополнительная защита геотекстильными оболочками не требуется. Так, однослойные пластиковые плиты из фильтрационного пенополистирола составов № 1–7 рекомендуется применять в следующих грунтах: глинах с числом пластичности I_p > 17,

Рис. 7. Зависимость скорости фильтрации от градиента напора: 1–7 – номера партий образцов

суглинках с I_p ≤17, а также супесях с I_p <7. Составы № 5–7 возможно применять в связных пылеватых

РАЗРАБОТКА НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ грунтах. Для дренажных систем, контактирующих с несвязными грунтами – крупнозернистыми и среднезернистыми песками, – также рекомендуется применять однослойные дренажные плиты состава № 1.

Кроме того, в работе были рассмотрены варианты применения двухслойных плит.

Двухслойные конструкции рационально использовать в пылеватых песках с размером частиц > 0,03 мм: в качестве слоя, прилегающего к грунту, применять составы № 4–7, а в качестве слоя, примыкающего к защищаемой поверхности, – составы № 1–3. Для систем, контактирующих с мелкозернистыми песками, также рекомендуется применять двухслойные плиты. В качестве слоя, прилегающего к грунту, следует применять составы № 2–7, а слоя, примыкающего к защищаемой поверхности, – состав № 1. В пылеватых песках с частицами < 0,03 мм следует использовать однослойные плиты любых составов с обязательной защитой геотекстильным полотном. Толщина однослойных плит принимается равной 100 мм, двухслойных – по 50 мм каждый слой.

Составы фильтрационных плит, рекомендуемые к применению для однослойных и двухслойных дре-

нажных конструкций в различных грунтах, приведены в табл. 2.

Исследования кольматирующего действия различных грунтов на пластиковые дренажные плиты из фильтрационного пенополистирола проводились с использованием четырех типов грунтов: крупнозернистого песка, мелкозернистого песка, супеси и суглинка. Полученные значения представлены в табл. 3.

В ходе эксперимента было определен начальный и конечный (через 90 суток) коэффициент фильтрации образца фильтрационного пенополистирола при контакте с различными типами грунтов.

Как следует из результатов, представленных в табл. 3, вследствие частичной кольматации межзерновых пустот фильтрационных плит грунтом засыпки водопропускная способность образцов материала уменьшилась на 30–80% по сравнению с начальным коэффициентом фильтрации и в зависимости от типа используемого грунта. В то же время конечный коэффициент фильтрации дренажных плит превышает коэффициент фильтрации грунта засыпки более чем в 70 раз, что в полной мере удовлетворяет необходимым условиям обеспечения

Таблица 2. Рекомендуемые составы для однослойных и двухслойных конструкций

Вид конструкции		Связные грунты		Несвязные грунты
		Глины, суглинки, супеси	Связные пылеватые грунты	Крупно, среднезернистые пески	Мелкозернистые пески	Пылеватые пески с частицами > 0,03 мм	Пылеватые пески с частицами < 0,03 мм
Однослойные плиты		Составы № 1–7	Составы № 5–7	Состав № 1	–	–	Составы № 1–7 с защитой гео-текстильным полотном
Двухслойные плиты	Слой, прилегающий к грунту	–	–	–	Составы № 2–7	Составы № 4–7	–
	Слой, примыкающий к защищаемой поверхности	–	–	–	Состав № 1	Составы № 1-3	–

Таблица 3. Значения коэффициента фильтрации дренажных плит, изготовленных из фильтрационного пенополистирола, в зависимости от типа грунта засыпки

Номер серии образцов	Начальный коэффициент фильтрации, см/с	Коэффициент фильтрации, см/с, после проведения испытаний с различными грунтами в течение 90 дней
		Крупнозернистый песок Кф = 0,058 см/с	Мелкозернистый песок Кф = 0,006 см/с	Супесь Кф = 0,0007 см/с	Суглинок Кф= 0,0001 см/с
2	1,9	1,49	1,33	0,82	0,44
5	0,88	0,78	0,59	0,45	0,27
7	0,44	0,33	0,30	0,22	0,12

РАЗРАБОТКА НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ дренирующего эффекта при всех реальных условиях работы дренажных систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенных исследований позволяют нам сделать следующие выводы. Фильтрационные свойства пластиковых дренажных плит в значительной степени зависят от структурных характеристик материала, таких как гранулометрический состав, характерный диаметр пор и межзерновая пористость. Варьирование указанными факторами в процессе производства может быть достигнуто с применением технологии низкотемпературного наноспекания, что позволит получать фильтрационный пенополистирол с различной макропористой устойчивой структурой. На основании полученных данных можно сделать вывод, что в результате ча-

стичной кольматации пор фильтрационного пенополистирола грунтом засыпки водопропускная способность пластиковых дренажных плит уменьшилась. В зависимости от типа используемого грунта засыпки этот показатель снизился в 1,5–4,5 раза по сравнению с исходным коэффициентом фильтрации. В то же время величина конечного коэффициента фильтрации позволяет использовать дренажные пластиковые плиты из фильтрационного пенополистирола в контакте как со связными, так и с несвязными грунтами.

Таким образом, дренажные пластиковые плиты из фильтрационного пенополистирола с использованием низкотемпературного наноспекания гранул обладают высоким коэффициентом фильтрации, достаточной прочностью и химической стойкостью и могут быть использованы в качестве эффективного пристенного дренажа зданий и сооружений.