УСИЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФОСФАТНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ.
ПГУПС, С. Петербург, Россия.
http://www. jdpsmt. ru/docs/17/17.php
В современных эксплуатационных условиях земляное полотно воспринимает значительные динамические нагрузки. Отдельные его участки, считавшиеся ранее устойчивыми, в новых условиях не удовлетворяют предъявляемым требованиям и нуждаются в усилении.
Эффективным методом для улучшения физико-механических свойств связных грунтов с коэффициентом фильтрации менее 0,5 м/сутки является электрохимическая обработка. Она заключается в том, что одновременно с пропусканием через закрепляемый грунт постоянного электрического тока, через электроды в грунт вводятся определенного состава электролиты. В результате прохождения различных физико-химических процессов с участием компонентов электролитов в грунте происходит его осушение, коагуляция тонкодисперсной фракции в электродных зонах, изменение химического состава поглощенного комплекса и другие явления, которые, обуславливают изменение первоначальных свойств грунта. Перечисленные процессы и реакции преобразуют грунт и в результате дают грунтовой материал с новыми строительными качествами.
Анализ результатов использования электрохимического закрепления грунтов в производственных условиях показывает, что этот метод может эффективно применяться в следующих областях:
-повышение несущей способности грунтов, расположенных под основной площадкой земляного полотна;
-стабилизация или усиление глинистых откосов насыпей и выемок;
Однако существующие способы электрохимической обработки, основанные на введении в грунт электролитов на основе хлористого кальция, алюмокалиевых квасцов, жидкого стекла и. т.д., значительно устарели и не обеспечивают требуемой прочности и равномерности закрепления грунта.
В связи с этим большое значение приобретает совершенствование методов электрохимической обработки грунтов. Одним из направлений является использование электролитов на основе на основе ортофосфорной кислоты.
Исследования по применению фосфатных вяжущих для укрепления грунтов ведутся достаточно давно. Разработаны различные технологии по их механическому внедрению в закрепляемые грунты, разработана теория о взаимодействии глинистых грунтов с фосфорной кислотой и ее производными. Суть взаимодействия H3PO4 с глинистым грунтом заключается в следующем :
-при поступлении в грунт происходит растворение и диссоциация H3PO4 в грунтовом растворе (предельное насыщение взаимодействующей системы ионами H+ и H2PO4-);
- за счет накопления H+ реакция среды смещается в кислую сторону. Кислая среда разрушает глинистые минералы. Вначале разрушаются трехслойные алюмосиликаты из групп хлоритов, гидрослюд, монтмориллонитов, а затем двухслойные из группы каолинита.
В результате реакций гидратации происходит интенсивное образование кислых фосфатов алюминия, железа, титана, магния, кальция, кремния и т. д. При этом фосфаты интенсивно связывают свободную воду. Переувлажненный до текучего состояния глинистый грунт через несколько часов после обработки H3PO4 становится твердопластичным;
- при достижении оптимального соотношения кислых фосфатов, ионов водорода и H2PO4- начинается формирование полиминеральных фосфатных новообразований, обладающих вяжущими свойствами. Твердение их происходит в результате реакции полимеризации и поликонденсации под воздействием специфических условий: изменение pH, нагревание, обезвоживание.
Адгезионная способность фосфатных вяжущих обусловлена наличием сильных водородных связей, они же являются причиной их затвердения.
Для определения возможности использования фосфатов была проведена электрохимическая обработка грунта ортофосфорной кислотой с несколькими типами добавок. Результат закрепления определялся испытанием образцов, выдержанных во влажной среде, на одноосное сжатие.
Исследовались 4 типа электролита на основе фосфорной кислоты с добавками ZnO, Ni, Cu2O и CuO. Концентрация солей была принята 5% и 10%. Растворы подавались к анодам на протяжении всей электрообработки. Градиент падения напряжения был принят 2 В/см.
Полученные результаты показали, что в анодной зоне все типы электролитов дают относительно высокую прочность 0,8-0,7 МПа. Промежуточная зона имеет меньшую прочность (0,6-0,7 МПа), но ее колебания у разных типов электролита незначительны.
Испытания грунтов после замачивания показали большую нерав номерность закрепления. Образцы, отобранные из катодных зон, обработанные электролитами с Cu2O; Ni; CuO и ZnO в 10% концентрации полностью потеряли свою прочность. Только грунт, обработанный электролитом с оксидом цинка 5% концентрации сохранил прочность, составившую 0,3 МПа.
Интенсивное нарастание прочности в катодной и промежуточной зонах идет первые 100 ч. обработки, затем процесс затухает. Устойчивая водостойкость грунта в катодной зоне достигается после 80-100 ч обработки, в анодной зоне она проявляется уже послеч..
Полученные зависимости обуславливаются следующим:
- прочность анодной зоны практически не зависит ни от типа добавки ни от количества пропущенной электроэнергии. Набор прочности в этой зоне вызван синтезом фосфатного вяжущего под воздействием H2PO4 -;
- набор прочности грунта в катодной зоне обусловлен присутствием ионов Zn2+, которые взаимодействуя с ионами Na+, Ca2+, Mg2+ в щелочной среде образуют цинкаты. Реакция происходит по схеме :
Zn2++2OH - = Zn(OH)2+Me+OH--MeZnO2+H2O
Поскольку некоторые цинкаты являются водорастворимыми соединениями и при избытке воды гидролизуются происходит частичная потеря прочности при замачивании.
Для проверки результатов лабораторных исследований и разработке технологии проведения работ по электрохимической обработке грунтов глинистого ядра насыпи.
Проведенное впоследствии инженерно-геологическое обследование показало, что влажность обработанного грунта снизилась с 0,24 до 0,17. Предел текучести до обработки составлял 0,34, после обработки 0,31, предел раскатывания 0,19 и 0,24 соответственно.
Число пластичности до обработки составляло 0,15, после обработки оно уменьшилось до 0,069 . Консистенция грунта изменилась с 0,33 до - 1,07. То есть пластичные суглинки перешли в супеси. Отсюда можно сделать вывод что электрохимическая обработка не только снизила влажность глинистого грунта ядра насыпи, но и изменила его физико-механические характеристики, в том числе и гранулометрический состав.
Таким образом, электрохимическая обработка фосфатными электролитами может быть эффективным способом усиления железнодорожных насыпей.
