Комплекс лабораторных исследований являлся логическим продолжением предыдущей полевой части исследований и проводился для решения следующих двух задач: 1) исследования механизма распределения ПВС внутри дисперсных грунтов; 2) определения диапазона оптимальных концентраций раствора, при которых формируется защитное полимерное профилактическое покрытие для различных типов дисперсных грунтов.
Все лабораторные грунты отобраны в талом состоянии. Гранулометрический состав лабораторных грунтов приведен в табл. 2.
Определения начального и конечного распределения полимера внутри опытных образцов.
Весь эксперимент прошел в два этапа. На первом этапе перечисленные определения проводились на грунтах, где произошло формирование профилактического покрытия - т.е. они находились в своем конечном состоянии. На втором этапе перечисленные определения проводились на грунтах, где еще не произошло формирование полимерного покрытия. То есть пропитка верхнего слоя грунтов была произведена, но эксперимент находился пока на своей первой стадии.
Подготовка грунтов к экспериментам состояла в следующем. Глинистые грунты высушивались и растирались ручным пестиком до порошкообразного состояния, песок только высушивался. Перед экспериментами образцы прожигались в муфельной печи при температуре 650оС (ГОСТ 11306-83*) для удаления органических примесей с целью повышения точности и надежности результатов. Это было необходимо, так как распределение полимера по глубине грунта определялось методом выжигания.
Первый этап. Для выполнения работ в рамках первого этапа было подготовлено 5 образцов, которые помещались в стаканчики емкостью 200 мл. Грунт засыпался постепенно, небольшими порциями до отметки 170 мл с постоянным постукиванием металлической палочкой по стакану для достижения плотного состояния грунта, как это описано в книге "Практикум по грунтоведению" (Практикум по грунтоведению, 1993). Производился замер первоначальной массы образцов. Первоначальная масса образцов для каждого типа лабораторного грунта была одинаковой и составляла для песка 295,8±0,5 гр., суглинка 283,9±0,5 гр., глины 273,7±0,5 гр. Это делалось для достижения одинаковой плотности сложения различных образцов одного грунта (при одинаковом объеме образцов равном 170 мл.). Далее каждый образец методом дождевания обрабатывался раствором ПВС нужной концентрации (0,0, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 %). Объем раствора (30,18 мл на образец) определялся из расчета: площадь поверхности грунта в стаканчике умножалась на слой в 1 см. Отметим, что по аналогичной методике определялся объем раствора и при полевых исследованиях. После на технических весах производился замер первоначальной массы образца, насыщенного раствором. Далее грунт помещался в прибор под струю воздуха для односторонней сушки образцов, что позволяло моделировать природную обстановку. Скорость воздушного потока сохранялась постоянной на протяжении всех опытов для получения сопоставимых результатов.
Эксперимент по первому этапу длился 24 ч, что по опыту полевых работ достаточно для формирования полимерного покрытия на поверхности грунта, замеры массы образцов грунтов производились через 5, 10, 30, 60, 120, 180, 240, 300, 480 и 1440 мин после начала опыта. Далее производилась разделка образцов на слои: полимерная пленка, 1 см от поверхности, 2 см, 3 см и оставшиеся 3 см грунта, то есть всего пять слоев. Если пленки не было - отбирали четыре слоя. Грунт перекладывался в алюминиевые бюксы, взвешивался на технических весах и помещался в сушильный шкаф на срок не менее 5 часов. После сушки, производился замер массы образцов сухих грунтов на технических весах, и рассчитывалась влажность каждого выделенного слоя для решения задачи N 2 (см. начало параграфа 4.2). В процессе измерений масса разных бюксов колебалась от 20,36 до 23,74 гр., влажных образцов (с бюксом) от 57,38 до 86,56 гр.
Абсолютная суммарная погрешность определения влажности (Δw) составила 0,53 - 0,845 %, при этом систематическая ошибка (σw) равняется 0,019 - 0,0119 %.
На следующей стадии высушенные образцы помещались в тигли, замерялась их начальная масса на аналитических весах. Масса тиглей равнялась 14,8138 - 15,2729 гр., изначальная масса образцов (с тиглями) 32,14734 - 34,3352 гр. Далее грунт помещался в муфельную печь. Время выжигания в печи составляло 30 минут при температуре 650оС (ГОСТ 11306-83*). Затем грунт взвешивался на аналитических весах, и по разнице начального и конечного веса рассчитывалась послойная концентрация полимера для решения задачи N 3 (см. выше).
Абсолютная суммарная погрешность определения ПВС (ΔПВС) составила 0,078 - 0,096 %, при этом систематическая ошибка (σПВС) равняется 0,0021 - 0,0023 %.
Второй этап. На втором этапе создавались такие же образцы по той же методике, как и для первой стадии данной серии, однако время испарения влаги из образцов определяется первым этапом, на котором фиксируется время начала пленкообразования. Это видно по отклонению кривой скорости испарения влаги для образцов, обработанных полимером от эталонной кривой, полученной из образца, насыщенного чистой водой (рис. 1, точка *).
Необходимость выбора определенного времени разделки образца трактуется следующим обстоятельством: начальное распределение полимера - достаточно условное понятие. Для наших опытов, отличающихся повторением одних и тех же циклов, первостепенно важным было достижение максимально близкой сходимости условий, при которых мы делаем измерения интересующих нас величин. Установлено, что во всех образцах достаточно четко можно выделить только одну характерную точку (рис. 1, точка *) - момент времени, когда влияние полимерной пленки становится заметным. Этот момент проявляет себя отклонением кривой скорости испарения из образцов, обработанных полимером от эталонной кривой, полученной из образца, увлажненного чистой водой, то есть без полимера. В последующий после выделенной точки промежуток времени до окончания эксперимента уменьшение испарения из грунтов достигает 2 - 16% относительно эталонных образцов. Это объясняется, очевидно, уменьшением активной пористости грунтов вследствие кристаллизации полимера.
Во всех экспериментах было принято, что начальное распределение ПВС приходится на этот выделенный характерный момент времени, который для каждого типа грунта будет свой, отличающийся от других (рис. 1, точка *).
 |
Рис.1. Удельное испарение влаги (Yп) с поверхности грунтов во времени, при обработке их раствором ПВС различной концентрации. А - песок, Б - суглинок
Примечание: точка * указывает на момент времени, когда полимерная пленка оказывает видимое влияние на испарение влаги с поверхности |
Результаты лабораторных исследований. После попадания раствора внутрь грунта, он задерживается в верхней части массива, причем, чем выше концентрация раствора, тем большая его часть задерживается (рис. 2). Эффект повышения влажности первого двухсантиметрового слоя и ее соответственного уменьшения в нижележащих слоях при повышении концентрации раствора связан с тем, что коэффициент фильтрации (Кф) грунта по отношению к раствору уменьшается с увеличением содержания ПВС в растворе. Данный эффект был обнаружен во время первоначальных полевых исследований. Тогда в лабораторных условиях через образцы карьерного песка фильтровались растворы ПВС различных концентраций.
 |
| Рис. 2. График начального распределения весовой влажности (W) с глубиной (H) песка,
обработанного полимером различной концентрации.
|
В результате Кф грунтов по отношению к растворам менялся от 10 м/сут до 2,1 м/сут на чистом песке и 5,7 м/сут до 0,12 м/сут на песке с добавлением монтмориллонитовой глины (Чеверев, Медко, Видяпин, Елисеев, 2005). По аналогии с повышением концентрации раствора при увеличении дисперсности грунтов, в первоначальный момент времени, все большая часть раствора задерживается в их первом двухсантиметровом слое и, соответственно, меньшая проникает в нижние "горизонты" (рис. 3).
В итоге получается, что после попадания в грунт, в первоначальный момент времени, раствор в основном "задерживается" в верхнем двухсантиметровом слое, частично проникая в более глубокие "горизонты". После впитывания в грунт вода движется в двух направлениях: вверх и вниз. Вниз в результате диффузии и градиента влажности, а вверх в результате испарения.
 |
| Рис. 3. Начальное распределение влажности (W) по глубине (H) грунта, в зависимости от его типа. Данные приведены для концентрации раствора ПВС равной 1,5 % |
При сравнении данных по начальному и конечному распределению весовой влажности видно, что вода постепенно перемещается из верхнего двухсантиметрового слоя в нижние "горизонты". Например, для песка, в целом, влажность на глубине 4 см в промежуток времени от начала до конца эксперимента увеличивается с 0,5 % до 3,1 % - 9,5 %. Минимальное значение весовой влажности (W = 3,1 %) на глубине 4 см соответствует 2 % раствору ПВС, максимальное (W = 9,5 %) 0,5 % раствору. Подобный эффект также наблюдается и в других разновидностях дисперсных грунтов - суглинках (рис. 4) и глинах. На приведенном графике видно, как вода за время опыта переходит из верхнего двухсантиметрового слоя в нижний "горизонт". Также, в конце опыта, значение весовой влажности на глубине четыре сантиметра закономерно понижается с увеличением концентрации ПВС в растворе.
 |
| Рис. 4. Распределения весовой влажности (W) с глубиной (H) образца суглинка, в начале и конце эксперимента. Грунт обработан раствором ПВС 1 % концентрации |
При увеличении дисперсности грунта количество воды проникающей на глубину четыре сантиметра за все время опыта закономерно уменьшается в пределах одной и той же концентрации раствора ПВС. Рассмотрим песок, суглинок и глину, обработанных 1 % раствором полимера. В конце опыта на глубине 4 см в песке весовая влажность равна 8,9%, в суглинке -6,8 %, глине -2.1 %. Помимо движения вглубь грунтов вода активно испаряется с их поверхности. Весовая влажность верхнего двухсантиметрового слоя песка в первоначальный момент времени колеблется от 20,2 % до 30,1 %, в последствии значение влажности уменьшается до 11,9 - 17,5 %. При этом от 25 % до 35 % этой "ушедшей" влаги проникает внутрь песка, остальная часть испаряется.
Испарению воды с поверхности препятствует образующаяся полимерная пленка. На песке "политом" чистой водой суммарное удельное испарение за 24 ч составило 6,14 г/см2, 0,5 % раствором 5,44 г/см2, 1 % раствором 5,34 г/см2, 1,5 % раствором 5.21 г/см2, 2 % раствором 5,12 г/см2. При увеличении дисперсности грунтов эффект уменьшения испарения воды с поверхности с увеличением концентрации раствора сохраняется, но в несколько меньшей степени, так как образованию полимерного покрытия мешает пылеватые и глинистые частицы грунта. В крайнем проявлении эффекта, на глинах, увеличение концентрации раствора от 0 % до 2 % не позволяет уменьшить суммарное удельное испарение влаги с поверхности глины до значений сопоставимых с теми, что были получены на песке.
В песке при увеличении концентрации раствора ПВС от 0 % до 2 % происходит уменьшение суммарного удельного испарения влаги (Yп) на 16%. В глине при соответствующем увеличении концентрации раствора уменьшение суммарного удельного испарения влаги несколько меньше: с 7,92 г/см2 до 7,61 г/см2 или на 3,7 %. При этом абсолютное значение Yп на песке и глине обработанных 2 % раствором разнятся на 38 %, что связано с увеличением активной поверхности испарения у глин и отсутствием полимерной пленки.
Подытоживая сказанное, получаем, что вода, попадая в дисперсный грунт вместе с раствором ПВС, в первоначальный момент времени (5-30 мин) концентрируется преимущественно в верхнем двухсантиметровом слое и частично проникает в нижние слои. Количество влаги попавшей на глубину 4 см закономерно уменьшается согласно уменьшению Кф растворов разной концентрации и уменьшению фильтрующей способности самих дисперсных грунтов. Далее, в течение всего опыта (24 ч) вода перемещается в двух направлениях вниз, под действием силы тяжести и градиента влажности и вверх в результате испарения с поверхности. Перемещение воды внутрь грунта тем более интенсивно, чем менее концентрированный раствор наносится на поверхность грунта и чем менее дисперсный грунт рассматривается.
Движение воды вверх примерно в 3 - 4 раза интенсивней, чем вниз, так как на границе раздела фаз (грунт - атмосфера) градиент потенциала влажности значительно больше, чем внутри самой дисперсной породы. Интенсивность испарения влаги уменьшается при формировании полимерного покрытия на поверхности грунтов. В пределах одной дисперсной породы испарение тем меньше, чем более концентрированным раствором ПВС он был обработан. На песке уменьшение суммарного удельного испарения (Yп) при обработке его 2 % раствором на 16 % меньше, суглинке на 5 %, глине на 3,7 %. Уменьшение разницы в величине Yп связано с тем, что при увеличении дисперсности грунтов все более затруднено образование полимерного покрытия.
Теперь отдельно проследим за перемещением полимера внутри дисперсных грунтов во время опытов. Характер начального распределения ПВС внутри массива грунта подобен характеру распределения влаги, что логично, так как полимер сначала движется вместе с раствором.
В начальный момент времени весовое содержание полимера в верхнем двухсантиметровом слое, в различных грунтах, колеблется от 0,5 % до 2,6 % (рис. 5). Количество полимера постепенно уменьшается с глубиной образцов до 0,03 - 0,21 %.
 |
| Рис. 5. График начального распределения полимера с глубиной (H) глины, обработанной полимером различной концентрации (Спвс в р-ре) |
Первоначальное распределение ПВС в различных грунтах, обработанных растворами различных концентраций, полностью согласуется с первоначальным распределением влажности. Чем большей начальной влажностью обладает какой-либо слой грунта, тем больше в нем содержится полимера и наоборот.
В процессе опыта ПВС также как и влага движется в двух направлениях - вверх и вниз, однако перемещению полимера активно препятствует дисперсный грунт. Рассмотрим два крайних случая: движение ПВС внутри песка и внутри глины. В первоначальный момент времени, в песке, полимер концентрируется в верхнем слое, где его весовое содержание колеблется от 0,5 % до 2,6 %. Часть ПВС успевает проникнуть в нижний слой (4 см), где концентрация полимера изменяется от 0,03 % до 0,21 %.
По прошествии 24 ч распределение полимера внутри песка выглядит следующим образом: в верхнем слое формируется полимерное покрытие, которое аккумулирует в себе значительное количество ПВС, содержание полимера в пленке колеблется от 1,52 % до 3,3 % в зависимости от концентрации раствора нанесенного на грунт. Под пленкой наблюдается повсеместное уменьшение концентрации ПВС вплоть до глубины 3 см - 4см.
Если сравнить кривые распределения полимера внутри песка в начальный и конечный момент времени становится видно, что при формировании полимерного покрытия, помимо полимера верхнего сантиметрового слоя, участвовала часть ПВС первоначально расположенная на глубине от 1см до 3 см. Оттуда полимер попал на поверхность грунта вместе с испаряющейся влагой. Часть ПВС из этого слоя (между первым и третьим сантиметрами) ушло с фильтрующейся водой в более глубокий горизонт. Концентрация ПВС на глубине 4 см за время опыта в разных образцах увеличилась с 0,03 % - 0,21 % до 0,2 % - 0,3 %. В итоге, для песка получаем, что после обработки грунта раствором полимер внутри породы передвигается совместно с растворившей его водой и практически не обезвоживается частичками грунта. Это легко продемонстрировать на примере песка, обработанного 1,5 % раствором полимера (рис. 6).
Из графиков отчетливо видно, что уменьшение/увеличение влажности (относительно первоначального распределения) в любом слое песка сопровождается соответственным уменьшением/увеличением концентрации раствора ПВС. Это означает, что закономерность распределения полимера внутри песков соответствует закономерности распределения влаги рассмотренной выше, только ПВС не испаряется, а кристаллизуется на поверхности песка с образованием полимерного покрытия.
 |
| Рис. 6. Графики распределения весовой влажности (W) - график "А" и полимера - график "Б" c глубиной образца песка, обработанного 1.5 % раствором ПВС, в начале и конце эксперимента |
В первоначальный момент времени, в глине, полимер концентрируется в верхнем слое, где его весовое содержание колеблется от 1 % до 1,58 %. Часть ПВС успевает проникнуть в нижний слой (4 см), где концентрация полимера изменяется от 0 % до 0,05 %. В целом это согласуется с первоначальным распределением влаги. По прошествии 24 ч распределение полимера внутри глины отличается от такового в песках - в верхнем слое не формируется полимерное покрытие. Конечное распределение полимера почти полностью повторяет начальное (рис. 7). Совпадение начального и конечного распределения ПВС внутри глины может быть вызвано двумя причинами:
1. Вода, входящая в состав раствора, не перемещается внутри грунта;
2. Раствор перемещается внутри грунта, но ПВС иммобилизуется его частичками.
Как показали результаты лабораторных исследований, перемещение воды внутри глин происходит, это значит, что частички грунтов способны иммобилизовать полимер внутри дисперсной породы, именно пылеватые и глинистые частички, так как в песке эффект иммобилизации ПВС не отмечается, о чем сказано выше.
 |
| Рис. 7. Распределение полимера в зависимости от глубины (H) образца глины, в начале и конце эксперимента. Грунт обработан раствором ПВС 2 % концентрации |
Согласно теоретическим представлениям о поведении ПВС внутри дисперсных грунтов изложенных в диссертации, основным условием формирования профилактического покрытия является физическая возможность миграции ПВС к поверхности испарения совместно с раствором. Получается, что при увеличении дисперсности грунта, ухудшаются условия для формирования профилактического покрытия - все большее количество полимера теряет возможность перемещаться к поверхности испарения. Это требует увеличения концентрации раствора ПВС, чтобы внести в приповерхностный слой дисперсной породы больше полимера. В этом случае больше полимера окажется в верхней части грунта и оставшейся части ПВС, не потерявшей способности к перемещению совместно с раствором, может оказаться достаточно для формирования полимерного покрытия.
Данный процесс хорошо виден на примере суглинка, обработанного раствором ПВС 1,5 % и 2 % концентрации (рис. 8).
Согласно таблице 2 количество пылеватых и глинистых частиц в опытном суглинке примерно в два раза меньше, чем в опытной глине - это не замедлило сказаться на подвижности ПВС. В случае 1,5 % раствора (рис. 8 А) наблюдается определенное перемещение ПВС внутри породы, но "свободного" полимера не достаточно для формирования покрытия (в отличие от песка, где при данной концентрации покрытие формируется). При увеличении концентрации раствора ПВС до 2 % свободного полимера становится достаточным для образования защитной "пленки", что хорошо видно на рис. 8 Б.
Анализируя графики конечного распределения полимера по глубине различных образцов достаточно легко выделить те из них, где произошло формирование защитного покрытия. На примере рис. 8 А видно как при обработке суглинка 1,5 % раствором ПВС покрытие не формируется, а при обработке 2 % раствором (рис. 8 Б) формируется. Таким образом, на некоторых графиках появилась дополнительная точка, находящаяся у самой поверхности (рис 8 Б). Обобщив данные по всем образцам получено, что на лабораторных грунтах полимерное покрытие образуется при обработке их растворами следующих концентраций: песок - 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 %; суглинок - 2,0 %; глина - покрытие не образуется.
 |
| Рис. 8. Распределение полимера в зависимости от глубины (H) образца суглинка, в начале и конце эксперимента. Грунт обработан раствором ПВС различной концентрации: А - 1,5% , Б - 2% |
Практическое значение лабораторных исследований. На основании данных лабораторных исследований удалось установить теоретический диапазон оптимальной концентрации раствора ПВС для различных типов грунтов. Диапазон концентраций для каждого типа грунта колеблется в пределах 0,5 %. При проведении защитных мероприятий на большой площади данной точности будет не достаточно, так как изменение концентрации раствора на 0,5% потребует значительного увеличения расхода ПВС.
Тем не менее, определенные в лабораторных условиях диапазоны концентраций важно знать по той причине, что при планировании инженерной защиты территории на стадии "проект" зачастую необходимо заранее оценить приблизительный расход материалов на организацию этой защиты, чтобы заложить финансирование всех строительных работ. Теперь достаточно определить типы защищаемых грунтов и их соотношение на объекте, чтобы рассчитать предварительный расход ПВС.
На следующей же стадии проектирования, "рабочая документация", будут установлены точные концентрации раствора ПВС для каждого выделенного участка работ. Для этого перед непосредственным началом строительных работ нужно провести серию лабораторных исследований на грунтах, отобранных с этого объекта. На основании полевых (подробно изложены в диссертации) и лабораторных исследований данной работы предлагается следующая методика испытаний.
Предварительный этап
При новом строительстве или реконструкции какого-либо объекта, на стадии "проект" изучаются данные инженерно-геологических изысканий, откуда берется информация о типе дисперсных грунтов, которые придется защищать от эрозии. В результате, рекомендуются следующие концентрации раствора ПВС:
Пески - от средних до пылеватых 1,0 - 1,5 %;
Супеси - от легких до тяжелых 1,5 - 2 %;
Суглинки - от легких до тяжелых 2,0 - 2,5 %.
Под разработку "рабочей документации" концентрации растворов ПВС для каждой разновидности дисперсных грунтов, встречающихся на объекте, уточняются на следующем этапе.
Лабораторный этап
