Секция «Теория и практика развития транспортных систем»


снижение эффектов криогенного пучения



страница45/57
Дата06.06.2016
Размер3.5 Mb.
1   ...   41   42   43   44   45   46   47   48   ...   57

снижение эффектов криогенного пучения

грунтов электрохимическими методами

А.М. Бургонутдинов, Е.В. Калинина

Сезонное промерзание и оттаивание грунтов сопровождается существенными структурными деформациями и увеличением линейных и объемных размеров породы – морозным (криогенным) пучением. Применение эффективных методов, направленных на ликвидацию или снижение эффекта морозного пучения позволит увеличивать межремонтные сроки службы дорожной конструкции в целом и прогнозировать улучшения транспортно-эксплуатационных показателей дорог с точки зрения безопасности дорожного движения и финансовых затрат на строительство, ремонт и содержание дорог, антропогенной нагрузки на окружающую среду. Для осушки и повышения механических свойств глинистых грунтов с конца 30-х гг 20 в. на отдельных объектах применялся электрохимический метод закрепления грунтов [1]. Достоинством электрохимической обработки грунтов является малая трудоемкость, высокая степень механизации и электрификации работ, проведение работ во время эксплуатации сооружений.

Целью настоящей работы являлось исследование возможности применения электрохимического способа повышения прочностных свойств глинистых грунтов в климатических условиях Западного Урала где преобладают четвертичные водонасыщенные глинистые грунты. Суть метода электрохимической обработки грунтов заключается в использовании эффекта электроосмоса и сопричастных с ним процессов.

Глинистые грунты представляют собой алюмосиликатные коллоидно-дисперсные системы и имеют рыхлую слоистую кристаллическую структуру. Решетка глинистых минералов состоит из слоев кремнекислородных тетраэдров и алюмокислородных октаэдров, связанных между собой вандерваальсовыми силами межмолекулярного притяжения и образующих элементарные пакеты [2, 3]. Атомы кремния и алюминия могут быть замещены другими атомами, например, атомами железа, а также атомами с меньшей валентностью, магнием или кальцием. Для компенсации заряда частицы глины могут адсорбировать из водных растворов свободные катионы (обычно ионы щелочных или щелочно-земельных металлов), которые могут замещаться другими катионами. Каждый вид глины обладает определенным количеством обменных ионов (обменной емкостью).

При пропускании постоянного электрического тока через слой глинистого грунта, насыщенного водой, происходит перемещение дисперсионной среды – воды, при этом разрывается диффузный слой мицеллы, и ионы диффузного слоя начинают перемещаться вместе с водой, заряжая ее положительно [2]. При действии постоянного электрического тока на грунт вода перемещается в катодное пространство, при этом происходит осушение и уплотнение грунта, что снижает способность к морозному пучению. высокая влагоемкость грунтов более характерна для глин в Na-форме. Известно, что замещение ионов натрия на кальций или трехвалентный ион металла, способствует снижению эффекта набухания, увеличивается диаметр глинистых частиц за счет процессов коагуляции дисперсной системы, что будет способствовать ее упрочнению и снижению набухаемости.

Если в трубу, выполняющую роль анода, залить раствор соли щелочноземельного металла, например, хлорида кальция, то ионы кальция будут перемещаться к катоду через слой грунта, при этом будет происходить упрочнение грунта в результате коагуляции глинистых частиц под действием многозарядного иона. В качестве анода при электрообработке целесообразно использовать стальную или железную трубу, под действием тока будут протекать процессы окисления железа с образованием ионов железа (II), которые способны окисляться до ионов железа (III), обладающих высокими коагулирующими свойствами. Таким образом, наряду с электроосмосом при действии постоянного электрического тока на грунт будут протекать процессы электролиза воды, растворения анода, ионного обмена, электрокоагуляции и др. Введение в грунт хлоридов кальция усиливает процессы растворения анода, гидролиз и окисление ионов железа (II), что приводит к снижению рН грунта. Протекающие процессы способствуют упрочнению грунта в прианодном пространстве. На катоде протекают процессы восстановления воды с образованием водорода. Катионы кальция, содержащиеся в грунтовом растворе и электролите, передвигаются в сторону катода и образуют гидроксиды, также способствующие закреплению грунта.

Проведенные лабораторные исследования позволили определить оптимальные условия процесса обработки. В качестве электродов использовали железные перфорированные трубки, вставленные в грунт на расстоянии друг от друга 130 мм. Электроды подключали к источнику постоянного тока. Градиент потенциала при проведении экспериментов составлял 0,75 в/см. В электроды, соединенные с положительным полюсом источника постоянного тока (аноды), заливали раствор хлорида кальция. Концентрацию раствора варьировали в пределах (1,6–5,0%). Продолжительность обработки грунта составляла 25–30 суток.

Установлено, что плотность тока в течение электрообработки меняется и зависит от электрического сопротивления грунтовой среды. В начальный период, при достаточно большой влажности, она составляла 2,5–3,0 А/м2. К концу электрообработки, плотность тока уменьшается до 0,5 А/м2. При продолжительности обработки грунта 25 суток, количество электричества, подаваемого через грунт, составляло 80 кВт ч/м3.

В процессе электрохимической обработки грунта происходило его уплотнение, объем уменьшался на 15–20 %. Наибольший эффект уплотнения был достигнут при введении в анодное пространство 2,5% раствора хлорида кальция. Наибольшее уплотнение грунта достигалось в анодной зоне. Было установлено, что для равномерного упрочнения электроды целесообразно располагать в шахматном порядке.

На основании проведенных исследований была разработана методика проведения работ по укреплению грунта электрохимическим методом.

Глубина забивки электродов зависит от величины зоны миграции влаги и может быть определена по формуле:

Н = h + К,

где h – высота основания дороги; К – величина зоны, через которую происходит миграция влаги в зону промерзания, например, для глинистых грунтов К = 0,7.

Если мощность имеющегося источника тока не достаточна для обработки всего массива, то фронт работ делится на захватки. Размеры захваток определяются из условия обеспечения плотности тока по грунту не менее 2 А/м2, по формуле:

Lзах =  nV,

где N – мощность источника тока; Н – глубина обрабатываемой зоны, м; n – число электродных рядов;  – плотность тока по грунту в сечении между разноименными электродами принимаем равной 2–4 А/м2; V – напряжение между электродами, принимаем равным 1В/см; 1,2 – коэффициент, учитывающий запас напряжения на преодоление сопротивления электрической сети и электродов.


Литература


  1. Жинкин, Г.Н. Электрохимическая обработка глинистых грунтов в основаниях сооружений / Г.Н. Жинкин, В.Ф. Калганов. – М.: Стройиздат, 1980. – 164 с.

  2. Фролов, Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы / Ю.Г. Фролов. – М.: Химия, 1998 – 463 с.

  3. Бабков, В.Ф. Основы грунтоведения и механики грунтов / В.Ф. Бабков, В.М. Безрук. – М.: Высшая школа, 1976. – 328 с.




Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   41   42   43   44   45   46   47   48   ...   57


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница