Способ инъекционного уплотнения бетонных и железобетонных конструкций и тампонажные растворы для его осуществления

 

Изобретение относится к способам восстановления водонепроницаемости и повышению прочности ограждающих конструкций из бетона и железобетона, преимущественно заглубленных сооружений. Сущность изобретения: согласно способу по изобретению нагнетание осуществляют в глубину конструкций через группы точечных инъекторов, закрепленных в предварительно пробуренных скважинах конструкции и находящихся между собой в гидравлической связи в пределах уплотняемой ее части, в три последовательных стадии нагнетания, с интервалами между стадиями, равными времени отверждения ранее нагнетенного раствора, причем на первой и второй стадиях используют тампонажный раствор одинакового состава, но с различным водоцементным отношением, содержащий портландцемент, микрокремнезем, ПАВ, кварцевый песок фракций менее 0,140 мм и (0,140-0,315) мм и дополнительно комплексную минеральную добавку - продукт совместного помола алюминатного цемента марки "500" с содержанием трехкальциевого алюмината 12-15% от массы цемента, сульфоалюмината кальция и кварцевого песка фракции не выше 0,140 мм, в соотношении 1:1:1. На заключительной стадии нагнетания используют тампонажный раствор, содержащий портландцемент, кварцевый песок фракции менее 0,140 мм, микрокремнезем с удельной поверхностью (25-35)·10³см²/г, ПАВ, молотый кварцевый песок с уд.поверхностью (3,5-4,5)·10³ см²/г и дополнительно указанную комплексную минеральную добавку. Способ осуществляют для каждой стадии нагнетания смесей в определенной последовательности. После выполнения операций заключительной стадии извлекают из скважин, а скважины заглушают путем заполнения их объема бетонной смесью, состава, мас. % : портландцемент марки "500" 35,5-40,5; микрокремнезем 1,5-3,5; молотый кварцевый песок 7,5-9,5; кварцевый песок фракций (0,140-0,315) мм 43,5-54,0; указанная комплексная минеральная добавка 4,5- 5,5; вода - остальное, после чего выполняют все стадии уплотнения для группы инъекторов следующей очереди. При необходимости после инъекционных работ наносят защитноотделочное покрытие конструкции путем торкретирования на ее поверхность бетонной смеси либо штукатурного раствора. 3 с. и 1 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к эксплуатации и реконструкции ограждающих конструкций заглубленных и наземных сооружений, в особенности, к способам восстановления водонепроницаемости и повышению прочности дефектных бетонных и железобетонных конструкций, преимущественно заглубленных сооружений, без проведения наружных работ, связанных со вскрытием и обратной засыпкой сооружений, и без прекращения действующих в них технологических режимов.

Целью изобретения является расширение области применения способа, сокращение времени и стоимости производства работ по герметизации ограждающих конструкций на основе тампонажных растворов, обеспечивающих равнопрочное уплотнение конструкции в целом.

Известен инъекционный способ заделки фильтрующих трещин, включающий нагнетательное устройство для подачи тампонажной смеси за обделку конструкции и установку приспособления для внедрения тампонирующего состава в трещины, в качестве которой используют герметизирующий пластырь с вакуум-насосом, причем заделка трещин производится путем вовлечения тампонирующего состава в трещины после нагнетания его за обделку [1] Недостатком этого способа является ограниченная область его применения, когда ремонту подвергают только дефекты обделки, но не самой конструкции, а в качестве тампонажной смеси используют нестойкий к воде и малопрочный материал глинистую суспензию.

Известен способ заделки щелей в бетонных сооружениях, преимущественно гидротехнических, включающих нагнетание в полость щели с помощью сжатого воздуха порошкообразного вяжущего и введение в него воды для отверждения, причем нагнетание вяжущего ведут с перерывами, длительность которых зависит от времени его схватывания, отверждения и обратного заполнения щели водой, до обеспечения полной заделки полости [2] Недостатком данного способа цементации является неоднозначность определения давления воздуха, требуемого для вытеснения воды из щелей и зависящего от гидростатических нагрузок на фильтрующую щель, т.е. от ее местоположения по отношению к уровню воды; техническая сложность каждого цикла "подача воздуха подача вяжущего отверждение порошка обратное заполнение щели водой", а также неопределенность с количеством таких циклов. Кроме того, этот способ применим только для ликвидации сосредоточенных течей воды через сквозные щели.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому результату к способу является известный способ цементации бетонных конструкций, включающий последовательное нагнетание цементного раствора с добавкой и отверждением, причем нагнетание и отверждение осуществляют при воздействии магнитного поля, а раствор содержит цемент, тонкомолотый магнетит и воду [3] Недостатком этого способа является сложность и ограниченная область его применения, требующая использования прижимных камер с магнитами (электромагнитами), применение которых не всегда возможно по технологическим и конструктивным особенностям сооружений. Кроме того, этот способ эффективен лишь для уплотнения конструкции в ее поверхностном слое, т.е. не решает задачи герметизации конструкции на всю ее глубину одновременно с ее прочностным усилием.

Общим недостатком известных способов [1-3] является то, что все они, решая локальные задачи герметизации конструкций в местах сосредоточенных течей путем тампонажа соответствующих дефектных мест (щелей, свищей, отверстий, каверн), не исключают возможности образования в таких конструкциях новых дефектов вследствие сохранения механизма разрушения и снижения прочности под воздействием эксплуатационных нагрузок.

Известен тампонажный раствор, содержащий тонкомолотые цемент, магнетит и воду [3] Недостатком раствора является его сравнительно невысокие значения прочности, ограничивающие область его применения, а также необходимость специального оборудования для применения раствора в известном способе [3] Наиболее близким к заявленным тампонажным смесям по совокупности существенных признаков и техническому результату является тампонажный раствор, включающий цемент, воду, ПАВ, мочевиноформальдегидную смолу, бентонитовый глинопорошок и глинистый инертный заполнитель [4] Недостатком такого раствора является присутствие в его составе смолы, которая при приготовлении раствора с ПАВ и другими компонентами образует устойчивую пену, исключающую возможность заполнения дефектных мест и пор конструкции без воздухововлечения при нагнетании, что создает противоположный эффект при сплошной цементации конструкции на всю его глубину. Кроме того, присутствие в растворе глинистых заполнителей не обеспечивает достаточной прочности камня.

Предлагаемые тампонажные растворы содержат высокодисперсные наполнители и заполнители мелких фракций, которые способствуют повышению прочности и плотности и в сочетании с ПАВ позволяют создавать растворы с требуемыми технологическими и реологическими характеристиками. В то же время указанные заполнители и наполнители не исключают трещинообразования за счет действия усадочных напряжений, а ПАВ снижает скорость твердения бетона в начальный период.

Для устранения этих недостатков тампонажные растворы содержат активную комплексную минеральную добавку (КМД) продукт совместного помола алюминатного цемента марки не ниже "500" с содержанием трехкальциевого алюмината 12-15% от массы цемента, сульфоалюмината кальция и кварцевого песка фракции не выше 0,140 мм, взятых в соотношении компонентов КМД Ц С А П 1 1 1 соответственно, с удельной поверхностью после помола (4,5-5,0) · 10 см² /г.

Механизм действия КМД в смеси заключается в нейтрализации снижения скорости твердения (присутствия ПАВ) и усадочных напряжений твердеющего бетона (присутствия тонкодисперсных наполнителей и заполнителей). Это достигается тем, что высокодисперсные частицы компонентов КМД в процессе гидратации образуют кристаллы гидросульфоалюминатов высокосульфатной фазы и низкоосновных гидросиликатов кальция, которые расширяют формирующийся каркас цементного камня и уплотняют его структуру, теп самым нейтрализуют усадочное трещинообразование. В то же время неакционноактивные частицы КМД способствуют связыванию воды затворения, сокращению индукционного периода цементного теста, ускоряя начало интенсивного кристаллообразования, т.е. усиливают скорость твердения и набора прочности в начальный период. Регулирование этими процессами осуществляется дозировкой компонентов КМД, тонкостью их помола и корректировкой содержания смеси с учетом КМД.

Присутствие кварцевого песка при приготовлении КМД совместным домолом ее компонентов обеспечивает требуемую тонкость помола частиц добавки, препятствует их коагуляции, активизирует частицы вследствие раскрытия новых активных центров зерен и формирования поверхностно ориентированных кристаллов. Это позволяет использовать ее как добавки с заданным и регулируемым воздействием на свойства тампонажных растворов.

Готовят тампонажные растворы по раздельной технологии с использованием скоростного турбулентного смесителя и низкооборотного смесителя, при этом предусматривают окончание их приготовления за 10-15 мин до начала инъектирования.

Способ инъекционного уплотнения бетонных конструкций и тампонажные растворы для его осуществления обеспечивают достижение следующих технических результатов: восстановление водонепроницаемости бетонных и железобетонных конструкций до значений W 16, повышение прочности материала конструкций на 25-45% сокращение сроков производства работ до 35% снижение стоимости работ на 25-30% проведение работ без выключения конструкций из эксплуатационных нагрузок, исключение наружных работ по вскрытию ограждающих конструкций и обратной их обваловке, сохранение технологических режимов действующих предприятий.

Это достигается тем, что в способе инъекционного уплотнения, включающем последовательное нагнетание и отверждение тампонируемых растворов, нагнетание их осуществляют через группы точечных инъекторов, герметично закрепляемых в уплотняемой части конструкции в специально подготовленных скважинах, находящихся в пределах каждой группы инъекторов в гидравлической связи между собой и выполненных как в местах дефектов, так и в остальных участках площади конструкции таким образом, что после выполнения всех операций нагнетания вначале через первую группу инъекторов, затем через вторую и т.д. по завершении операций инъектирования в последней группе скважин герметизации и уплотнению подвергается вся конструкция в целом по глубине и площади, при этом операции нагнетания в скважины каждой группы проводят через соответствующие ей инъекторы в три последовательные стадии с интервалами между ними, равными времени отверждения ранее поданных в конструкцию растворов, причем на первой и второй стадии используют предлагаемый раствор одинакового состава, но с различным водоцементным отношением, а на заключительной стадии используют другой предлагаемый раствор. Параметры нагнетания (давление системы нагнетания, продолжительность и очередность операций) выбирают исходя из установленных ранее значений удельного водопоглощения конструкции, ее размеров и степени дефектности при условии, что скважины данной группы имеют одинаковые или близкие значения водопоглощения, и их суммарное значение не превышает производительности нагнетательного оборудования.

Способ осуществляют следующим образом.

После подготовки конструкции к глубинному уплотнению, включая закрепление в скважинах первой группы инъекторов, сборки и подключения к ним нагнетательной линии, проведения гидравлического опробования, определения удельного водопоглощения конструкции выбирают (назначают) параметры нагнетания: рабочее давление, максимально допустимое давление, очередность и длительность операций нагнетания, продолжительность выдержки рабочего давления по достижении постоянного расхода поглощаемого раствора, время снижения давления и отключения системы нагнетания, время отверждения раствора, его состав и водоцементное отношение, после чего выполняют первую стадию уплотнения.

Для этого в нагнетательную емкость загружают тампонажный раствор с максимальным водоцементным отношением, равным 0,65-0,85, в зависимости от удельного водопоглощения конструкции, и плавно в течение 15-20 с повышают давление нагнетания, контролируя начавшееся поглощение смеси конструкцией, до рабочего давления, установленного ранее при гидравлическом опробовании линии и равного 2,0-6,0 кг/см², и нагнетание проводят при этом давлении с постоянным расходом тампонажного раствора в конструкцию на уровне 0,01-0.05 л/мин в течение 3-10 мин, после чего в течение 10-12 с плавно снижают давление нагнетания до нуля, при этом используют тампонажный раствор с указанным водоцементным отношением, включающий портландцемент марки "500", микрокремнезем, заполнитель, ПАВ и указанную выше комплексную минеральную добавку, при следующем содержании компонентов, мас. портландцемент марки "500" 35,5-40,5; микрокремнезем S_уд.= (25-35) · 10³см²/г 1,5-3,5; кварцевый песок фракции (0,140-0,315) мм 35,0-38,0; кварцевый песок фракции менее 0,140 мм 25,0-35,0; ПАВ 0,25-1,5; указанная комплексная минеральная добавка 4,5-5,5; вода остальное.

По истечении времени, необходимого для отверждения инъектированного раствора, проводят вторую стадию нагнетания для этой же группы инъекторов, для чего повторяют вышеуказанные операции с теми же параметрами нагнетания и в той же последовательности, как и для предыдущей стадии, но при этом вышеуказанный раствор используют с минимальным водоцементным отношением, равным 0,35-0,55, и по завершении второй стадии нагнетания выдерживают конструкцию до отверждения поданного раствора.

После достижения требуемого отверждения выполняют операции заключительной третьей стадии уплотнения в той же последовательности, как и в операциях первой стадии, при этом используют раствор, содержащий портландцемент марки "500", заполнитель, микрокремнезем, молотый кварцевый песок, ПАВ, воду и указанную комплексную минеральную добавку при следующем содержании компонентов, мас. портландцемент марки "500" 30,5-33,5; микрокремнезем, S_уд= (25-35)·10³см²/г 1,5-3,5; молотый кварцевый песок, S_уд= (3,5-4,5)·10³см²/г 30,5-33,5; ПАВ 0.5-2,0; кварцевый песок фракции менее 0,140 мм 25,0-35,0; указанная комплексная минеральная добавка 2,5-4,5; вода остальное.

По завершении заключительной стадии, разборки нагнетательной системы и отверждения тампонированного состава извлекают инъекторы данной группы скважин, а скважины заглушают путем заполнения их объема бетонной смесью состава, мас. портландцемент марки "500" 35,0-40,5; микрокремнезем S_уд= (25-35)·10³см²/г 1,5-3,5; молотый кварцевый песок S_уд= (3,5-4,5)·10³см²/г 7,5-9,5; кварцевый песок фракции (0,140-0,315) мм 43,5-54,0; комплексная минеральная добавка - продукт совместного помола алюминатного цемента марки "500" с содержанием С₃А 12-15% массы цемента, сульфоалюмината кальция и кварцевого песка фракции менее 0,140 мм в соотношении 1:1:1 4,5-5,5; вода остальное.

После этого выполняют все стадии нагнетания в порядке, указанном для первой стадии, для последующей очереди скважин (группы инъекторов).

Достижение требуемого технического результата контролируют после первой и второй стадии нагнетания на месте проведения работ, а после проведения третьей стадии инъектирования в лабораторных условиях.

В зависимости от степени дефектности, характера повреждений и размеров конструкции способ предоставляет возможность без снижения достигаемых результатов проводить уплотнение с сокращенным количеством стадий нагнетания. В этом случае выполняют операции первой и третьей стадии нагнетания либо второй и третьей стадии для каждой из групп инъекторов. Однако во всех вариантах производства работ, в том числе и при сокращении количества выполняемых стадий, размещение инъекторов в дефектных местах и вне их в пробуренных на конструкции скважинах осуществляют из условия, что расстояния между ними обеспечивают гидравлическую связь всех инъекторов данной группы, а суммарное водопоглощение не превышает производительности системы нагнетания.

В специфических условиях эксплуатационных воздействий на конструкции, обусловленных повышенной относительной влажностью, капиллярным подсосом агрессивной жидкости,воздействием вредных газов и пыли, после инъекционного уплотнения проводят дополнительные работы в целях усиления эффекта герметизации конструкций. В этих целях осуществляют нанесение защитных покрытий конструкций торкретированием под давлением на их поверхность торкретбетонных смесей с добавками.

Осуществление способа инъекционного уплотнения с использованием предложенных тампонажных растворов обеспечивает восстановление плотности и полной монолитностиб

Формула изобретения

1. Способ инъекционного уплотнения ограждающих бетонных и железобетонных конструкций, преимущественно заглубленных, включающий нагнетание внутрь конструкции раствора и отверждение его, отличающийся тем, что нагнетание осуществляют для всей конструкции поочередно через группы точечных инъекторов, закрепленных в предварительно пробуренных в уплотняемой части конструкции скважинах, находящихся в гидравлической связи между собой, и проводят его последовательно в каждой группе инъекторов в три стадии с промежуточными выдержками между стадиями, равными времени отверждения ранее нагнетенного раствора, причем на первых двух стадиях нагнетают растворы состава, мас.

Портландцемент марки "500" 35,5 40,5 Микрокремнезем с удельной поверхностью (25 35) · 10³ см²/г 1,5 3,5 Кварцевый песок фракцией менее 0,140 мм 25,0 35,0 Кварцевый песок фракций (0,140 0,315) мм 35,0 38,0
ПАВ 0,25 1,5
Комплексная минеральная добавка продукт совместного помола до удельной поверхности (4,5 5,0) · 10³ см²/г алюминатного цемента марки "500" с содержанием C₃A 12 15% от массы цемента, сульфоалюмината кальция и кварцевого песка фракции менее 0,140 мм в соотношении 1 1 1 4,5 5,5
Вода Остальное
но при этом водоцементное отношение раствора, нагнетаемого на первой стадии, составляет 0,65 0,85, на второй 0,35 0,55, а на третьей стадии нагнетают раствор состава, мас.

Портландцемент марки "500" 30,5 33,5
Микрокремнезем с удельной поверхностью (25 35) · 10³ см²/г 1,5 3,5
Молотый кварцевый песок с удельной поверхностью (3,5 4,5) · 10³ см²/г 30,5 33,5
Кварцевый песок фракции менее 0,140 мм 25,0 35,0
ПАВ 0,5 2,0
Комплексная минеральная добавка продукт совместного помола до удельной поверхности (4,5 5,0) · 10³ см²/г алюминатного цемента марки "500" с содержанием С₃А 12 15% от массы цемента, сульфоалюмината кальция и кварцевого песка фракции менее 0,140 мм в соотношении 1 1 1 2,5 4,5
Вода Остальное
причем на каждой стадии нагнетания растворов вначале в течение 15 20 с плавно повышают давление до рабочего, равного 2 6 кг/см², и нагнетание при рабочем давлении проводят в течение 3 10 мин с постоянным поглощением раствора на 0,01 0,5 л/мин с последующим снижением давления в течение 10 - 12 с до нуля, и после завершения процесса заключительной стадии нагнетания и отверждения раствора инъекторы извлекают из скважин, а скважины заглушают путем заполнения их объема бетонной смесью состава, мас.

Портландцемент марки "500" 35,5 40,5
Микрокремнезем с удельной поверхностью (25 35) · 10³ см²/г 1,5 3,5
Молотый кварцевый песок с удельной поверхностью (3,5 4,5) · 10³ см²/г 7,5 9,5
Кварцевый песок фракции (0,140 0,315) мм 43,5 54,0
Комплексная минеральная добавка продукт совместного помола алюминатного цемента марки "500" с содержанием С₃А 12 15% от массы цемента, сульфоалюмината кальция и кварцевого песка фракции менее 0,140 мм с соотношении 1 1 1 4,5 5,5
Вода Остальное
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после завершения инъекционного уплотнения конструкции поверхность ее торкретируют.

3. Тампонажный раствор для инъекционного уплотнения бетонных и железобетонных ограждающих конструкций, включающий портландцемент, заполнитель, наполнитель, ПАВ и воду, отличающийся тем, что в качестве заполнителя он содержит кварцевый песок фракции менее 0,140 мм и 0,140 0,315 мм, в качестве наполнителя микрокремнезем с удельной поверхностью (25 35) ·10³ см²/г и дополнительно комплексную минеральную добавку - продукт совместного помола до удельной поверхности (4,5 5,0) · 10³ см²/г алюминатного цемента марки "500" с содержанием С₃А 12 15% от массы цемента, сульфоалюмината кальция и кварцевого песка фракции менее 0,140 мм, взятых в соотношении 1 1 1, при следующем содержании компонентов, мас.

Портландцемент марки "500" 35,5 40,5
Микрокремнезем 1,5 3,5
Кварцевый песок фракции менее 0,140 мм 25,0 35,0
Кварцевый песок фракции 0,140 0,315 мм 35,0 38,0
ПАВ 0,25 1,5
Комплексная минеральная добавка 4,5 5,5
Вода Остальное
4. Тампонажный раствор для инъекционного уплотнения бетонных и железобетонных ограждающих конструкций, включающий портландцемент, заполнитель, наполнитель, ПАВ и воду, отличающийся тем, что в качестве заполнителя он содержит кварцевый песок фракции менее 0,140 мм, в качестве наполнителя молотый кварцевый песок с удельной поверхностью (3,5 4,5) · 10³ см²/г и микрокремнезем с удельной поверхностью (25 - 35) · 10³ см²/г и дополнительно комплексную минеральную добавку продукт совместного помола до удельной поверхности (4,5 5,0) · 10³ см²/г алюминатного цемента марки "500" с содержанием С₃А 12 15% от массы цемента, сульфоалюмината кальция и кварцевого песка фракции менее 0,140 мм в соотношении 1 1 1, при следующем содержании компонентов раствора, мас.

Портландцемент марки "500" 30,5 33,5
Микрокремнезем 1,5 3,5
Молотый кварцевый песок 30,5 33,5
ПАВ 0,5 2,0
Кварцевый песок фракции менее 0,140 мм 25,0 35,0
Комплексная минеральная добавка 2,5 4,5
Вода Остальное