Влияние раствора гидроксида натрия на морозное пучение глинистого грунта

Наибольшему пучению подвержены пылеватые глинистые грунты, в глинистой фракции которых преобладают минералы типа гидрослюды и каолинита, в составе обменных катионов которых в значительном количестве содержатся Н+-ион и двухвалентные катионы [1].

Так в непучинистой монтмориллонитовой глине при введении в поглощающий комплекс многовалентных катионов кальция, алюминия, железа (Са2+, Al3+, Fe3+) происходит агрегирование, повышается содержание пылеватой фракции, улучшаются капиллярные свойства. В условиях возможности дополнительного поступления влаги происходит ее интенсивная миграция и пучение грунта при промерзании. Наоборот, при замене двухвалентных катионов и Н-иона одновалентными (Na+, К4) в сильнопучинистых пылеватых суглинках и каолинитовой глине пучение резко уменьшается [1].

В связи с разработкой способа снижения пу-чинистости глинистых грунтов рассмотрено «защелачивание» грунта, заключающееся в нагнетании водного раствора щелочи (NaOH) с добавкой извести (СаО).

У глинистых минералов в щелочной среде происходит дополнительная диссоциация поверхностных структурных гидроокислов (по сравнению с нейтральной средой) по типу [2]

[MJ-OH-+ [М]-О-Н+ (1) с последующим обменом Н+ на Na+ из раствора щелочи и образованием воды

[М] - О - fT + NaOH [М] - О - Na++ Н2О. (2) Процессы диссоциации поверхностных ОН - групп и обмена Н+ на Na+ растут с увеличением концентрации раствора щелочи. При низких концентрациях раствора (< 1 н) поглощение грунтом щелочи в основном контролируется обменными реакциями и физико-химическим процессом увеличения емкости обмена твердых частиц. По мере роста концентрации раствора наряду с обменными физико-химическими протекают химические процессы частичного растворения кристаллической решетки минералов твердой фазы грунта и выделение из растворов значительно менее растворимых химических соединений, по отношению к которым контактирующий раствор оказывается пересыщенным. В отсутствие пересыщения новых соединений в растворе образовывается мало, поскольку срастание частиц и их агрегатов за счет новой фазы происходит лишь при достаточно высоких концентрациях раствора (> 1 н).

Формирование прочности дисперсных грунтов при обработке их щелочными растворами высокой концентрации связано с возникновением новых вяжущих веществ на контактах частиц грунта, образованных из продуктов разрушения алюмосиликатного ядра глинистых, некоторых первичных и типоморфных минералов. Так, внедрение 011 -иона щелочи в координационную сферу атомов А1 и Si алюмосиликатов приводит к разрушению связей Si-O-Al, а затем и Si-O-Si с выходом из решетки в раствор оксидов кремния и алюминия (на примере каолинита) [3]:

Al2Si2O5(OH)4 + NaOH -> NaAl(OH)4 «H2O +

+ 2Na2OSiO2MH2O, (3) или

Строительные материалы, изделия и конструкции

AbSi2O5(OH)4 + Ю(ОН)’ -> 2 SiO44" +

+ 2А1(ОИ)4 + ЗН2О (4) с последующим формированием по конденсационному механизму новой твердой фазы гидроалюмосиликатов натрия содалитоподобного типа [4]:

28ЮЛ + 2А1(ОН)4~ + 2Na+ ->

-> [Ка2ОА12О3-28Ю2]иН2О. (5)

Согласно исследованиям МГУ и БашНИИстроя, результатом обработки глинистых грунтов раствором гидроксида натрия является увеличение модуля деформации в 8-10 раз, сцепления в 1,5-2 раза, угла внутреннего трения в 1,5-2 раза. Изменяются физико-химические свойства. Так верхний предел пластичности возрастает на 30^10 %, а число пластичности снижается примерно в 2 раза, в результате чего грунты сохраняют твердое состояние в широком диапазоне влажности. Катионы кальция в системе «глинистый грунт — раствор NaOH» приводят к созданию дополнительных соединений типа гидрогранатов, гидросиликатов кальция, кальцита, способных цементировать песчаные и пылеватые частицы грунта и принимать участие в создании жесткой конденсационно-кристаллизационной структуры, что обуславливает еще большее его упрочнение [5].

Эксперимент был поставлен, с целью выявления снижения степени пучинистости грунта после его обработки водным раствором гидроксида натрия с добавкой негашеной извести. Гидроксид натрия NaOH и негашеная известь СаО удовлетворяют требованиям ГОСТ 2263-79 и ГОСТ 9179-77.

В лабораторных исследованиях использовался сильнопучинистый легкий пылеватый суглинок ( е^ = 0,09), отобранный из тела земляного полотна, со следующими свойствами: число пластичности 1_Р = 8, максимальная плотность 1,66 г/см³, оптимальная влажность W_opl = 20 %.

Применены растворы гидроксида натрия 2,5-7,5 н концентрации (плотность 1,11-1,27 г/см3). Добавка извести варьировалась от 0 до 1 % от объема раствора.

Образцы грунта изготавливались по ГОСТ 22733-2002 в кольцах (диаметр 100 мм, высота 150 мм). Образцы в кольцах устанавливались меж ду двумя перфорированными пластинами из оргстекла, скрепленными между собой болтовым соединением для предохранения грунта от деформаций набухания. Образцы помещались в герметично закрывающуюся емкость, в которую наливался раствор гидроксида натрия на 2-3 мм ниже поверхности грунта. Образцы выдерживались в растворе в течение 30 суток. После этого срока образцы в кольцах помещались в установку для определения относительной деформации морозного пучения Еу^ по методике ГОСТ 28622-90:

е,_л = hd"¹, (6) где h - вертикальная деформация образца грунта в конце испытания, мм; d - фактическая толщина промерзшего слоя образца грунта, мм.

Рассмотрено влияние на пучение грунтов трех факторов: концентрации раствора гидроксида натрия (х^, дозировки извести (х2) и коэффициента уплотнения грунта (х3).

В связи с многофакторностью решаемой задачи, а также ожидаемой нелинейности исследуемых зависимостей, для ее решения был использован полный факторный эксперимент (ПЭФ 23) ортогонального планирования второго порядка. При ортогональном планировании коэффициенты полинома определяются независимо друг от друга -вычеркивание или добавление слагаемых в функции отклика не изменяет значения остальных коэффициентов полинома [6] (см. таблицу).

По результатам эксперимента и оценки значимости коэффициентов регрессии получена адекватная зависимость (см. рисунок):

Еуй = 2,966 - 0,47 Ixj -0,437х2 -0,298х3 -

• - 0,206х² -0,1 Зх₂ - 0,42xf - 0,11 3xjX₃ -

• —0,163х₁х₂х₃ . (7)

Значимость коэффициентов регрессии оценивалась критерием Стьюдента при 5 %-ном уровне значимости, адекватность математической модели критерием Фишера ( Fq₀₅ =2,7 >  F= 0,57).

Из полученных данных следует, что обработка легкого пылеватого суглинка с коэффициентом

Условия планирования эксперимента

Факторы	Единица измерения	Код	Интервал варьирования	Уровни и плечи звездных точек
				-1,215	-1	0	+ 1	+1,215
Концентрация раствора гидроксида натрия	н	X,	2,05	2,5	2,95	5	7,05	7,5
Дозировка извести	% от объема раствора гидроксида натрия	х2	0,41	0	0,09	0,5	0,91	1
Коэффициент уплотнения грунта	д.ед.	х3	0,04	0,90	0,91	0,95	0,99	1,00

Самойленко А.Б., Шестаков В.Н.

уплотнения 0,9-1,0 раствором NaOH 3-4 н концентрации с добавкой извести 0,2-0,3 % от объема раствора, позволяет снизить его относительную деформацию морозного пучения в три раза.

6th, д.ед.

Зависимость относительной деформации морозного пучения Ср, суглинка легкого пылеватого от концентрации раствора NaOH и добавки извести СаО при коэффициенте уплотнения грунта:---0,90;---1,00;

1 - изолиния относительной деформации морозного пучения равной 0,01; 2 - 0,02; 3 - 0,03

В результате обработки глинистого грунта раствором оговоренного состава степень его мо-

Влияние раствора гидроксида натрия на морозное пучение глинистого грунта розного пучения снижается до слабопучинистого, что позволяет, в соответствии со СНиП 2.05.02-85, применять его в рабочем слое земляного полотна.