row_science

Возникновение ИММ-технологии

Проблема возведения отдельных строительных объектов на участках, сложенных слабыми, с точки зрения несущей способности, грунтами, возникла уже в XIX веке, в связи с чем, начали появляться отдельные идеи и технические решения искусственного и целенаправленного воздействия на различные виды грунтов, с целью улучшения их механических свойств на отдельных участках территории. В основном подобные методы были представлены прямым или косвенным физическим воздействием на грунты, приводящем к их уплотнению (тромбование, укатывание и т.д.). Однако, лишь в начале XX столетия, на фоне общего научно-технического прогресса, резко расширился спектр способов и материалов, применяемых для воздействия на грунты. В этот период, по запросам отдельных отраслей строительства, появляются такие методы воздействия на грунты, как цементация скальных грунтов в гидротехническом строительстве, известкование, цементация и битумизация грунтов в дорожном строительстве. В конце 1920-х, начале 1930-х годов, перечень уже известных методов дополняется такими видами воздействия на грунты, как силикатизация, глинизация, холодная битумизация, электродренирование, термическая обработка лессовых грунтов и, несколько позже, смолизация[1].

В конце 1930-х годов в СССР была окончательно сформирована отдельная отрасль науки и техники, ориентированная на изучение методов изменения физико-механических свойств грунтов, получившая название технической мелиорации. Техническая мелиорация грунтов — наука, занимающаяся разработкой теории и методов целенаправленного улучшения состава, физического состояния и физико-механических свойств грунтов в соответствии с запросами различных видов строительства с целью позитивного изменения качества определённых участков (объёмов) геологической среды, испытавших техногенное воздействие различного профиля[2]. Формированию данной отрасли поспособствовала созданная к этому времени научно-исследовательская база знаний, которая успешно развивалась в Ленинградском и Московском университетах, в институте «Водгео» под руководством Б. А. Ржаницына, во ВНИИГе им. Веденеева под руководством А. Н. Адамовича, в институте СоюздорНИИ такие исследования возглавлялись В. М. Безруком.

В 1938 году в Московском университете был впервые прочитан курс технической мелиорации грунтов и, таким образом, начата подготовка специалистов в этой области.

На основе накопленных к тому моменту знаний, существующие методы воздействия на грунты были разбиты на три группы:

  • первая группа методов относится к гидро-геомеханической мелиорации, традиционно именуемой как уплотнение и осушение грунтов, и включает все виды дренажей, электроосмотическое осушение и все методы уплотнения грунтов.
  • вторая — составляет суть геохимической (или физико-химической) мелиорации: это все виды инъекций, совмещение грунтов с различными вяжущими и температурная обработка, при которых происходит закрепление грунтов[3].
  • третья — геотехническая мелиорация, объединяющая все виды совмещения грунтовых масс или грунтовых массивов с пространственными конструкциями из элементов повышенной прочности.

Позднее, в середине XX века, в отдельную группу были выделены виды воздействия на грунты физическими полями различной природы, в том числе, электрокинетического и электрохимического воздействия[4].

Наиболее перспективной, как по спектру решаемых задач, так и по сложности реализации (включая трудовые и финансовые затраты), является вторая, геохимическая группа технической мелиорации, основоположниками которой можно считать В. В. Охотина[5], С. Д. Воронкевича[6], В. М. Безрука[7], Г. И. Банника[8].

Во второй половине XX века развитием методов физико-химического укрепления грунтов путем известкования, занялся доктор технических наук, профессор Ленинградского университета Кнатько В.М. По итогам многолетней научно-исследовательской работы им была создана теория синтеза неорганических вяжущих веществ в дисперсных грунтах, отражающая физико-химические основы и принципы взаимодействия компонентов системы реагент-грунт[9].

Теория укрепления грунтов методом синтеза неорганических вяжущих веществ на основе природных алюмосиликатов является способом, позволяющим качественно изменить первоначальные свойства естественных грунтов различного состава и генезиса, преобразовать их в прочный и морозоустойчивый материал.

Синтез вяжущих в дисперсных грунтах происходит наиболее эффективно при использовании не одного, а совокупности рационально подобранных реагентов. Взаимодействие химических реагентов с дисперсными грунтами представляет собой сложный многостадийный процесс, каждая стадия которого характеризуется определенной последовательностью чередующихся химических реакций и соответствующими им изменениями в системах реагент-грунт. Поэтому в зависимости от природы химических реакций и характера их воздействия на грунт в целом и прежде всего на его жидкую и коллоидно-дисперсную фазу, включающую различные минеральные и органические составляющие грунта, процессы взаимодействия химических реагентов с дисперсными грунтами подразделяются на пять условных стадий взаимодействия (УСВ):

I УСВ – растворение и диссоциация химических реагентов в грунтовом растворе;

II УСВ – преодоление факторов буферности грунта в связи с необходимостью изменения реакции среды грунта рН;

III УСВ – гидролиз и инконгруэнтное разрушение глинистых минералов и формирование многокомпонентной системы взаимодействующих с реагентами окислов, образование первичных метастабильных соединений;

IV УСВ – фазовые превращения первичных соединений во вторичные и т.д.;

V УСВ – формирование (синтез) полиминеральных новообразований, обладающих вяжущими свойствами (реализация третьего синергетического принципа самоорганизации системы химический реагент-грунт).

Последовательность вышеприведенных условных стадий взаимодействия химических реагентов с дисперсными грунтами и их физико-химическая сущность справедливы для всех видов систем реагент-грунт, жидкофазные реакции которых осуществляются как в кислом, так и в щелочном интервале рН.

В конце XX века исследования в этой области были продолжены кандидатом физико-математических наук, старшим научным сотрудником ФГБУН «Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук» Кнатько М.В., теоретически обосновавшим и практически подтвердившим справедливость положений ТСВВ не только на различных видах грунтах, но и на техногенных продуктах производства и потребления (твердых, вязкопластичных и жидких). Применение ТСВВ, для утилизации и обезвреживания различных видов как промышленных, так и бытовых отходов, позволило использовать химическую активность, содержащихся в них токсичных веществ. Данные вещества участвуют в процессах синтеза новообразований, вовлекающих в свой состав всевозможные (органические и неорганические) химически активные загрязнители, которые становятся центрами формирования (кристаллизации) новой равновесной структуры.

Разработанный универсальный метод укрепления грунтов и обезвреживания техногенных продуктов получил название интеграционной минерально-матричной технологии (ИММ-технологии).

В начале XXI века научно-исследовательскую работу в этом направлении продолжил аспирант ФГБОУ ВПО «Петербургского государственного университета путей сообщений императора Александра I» Жабриков С.Ю.  Проведенные исследования заложенных в ТСВВ фундаментальных научных идей, позволили говорить о ней, и об ИММ-технологии в частности, как о методе геополимеризации минералов геологического и техногенного происхождения — научному направлению, основательное международное изучение которого началось лишь несколько лет назад.


 

[1] Воронкевич С. Д. Основы технической мелиорации грунтов. — М.: Научный мир, 2005. 498 с.;

[2] Базовые понятия инженерной геологии и экологической геологии: 280 основных терминов./ Под ред. В. Т. Трофимова. — М., ОАО Геомаркетинг, 2012, 320 с

[3] Ржаницын Б. А. Химическое закрепление грунтов в строительстве. — М.: Стройиздат, 1986. 264 с.

[4] Королев В.А. Современное состояние и перспективы применения электрокинетических технологий в строительстве и решении экологических проблем. — Инженерная геология, 2012, № 4, с. 32-40;

[5] Охотин В.В. Обработка грунтовых дорог неорганическими вяжущими материалами. // Сб. «Новости дорожной техники», 1941, № 3.

Охотин В.В. Стабилизация почвогрунтов добавлением торфа и железного купороса. — Л., 1938.

[6] Воронкевич С.Д. Геохимические основы искусственно химической консолидации

пород. // В сб: Вопросы инж. геологии и грунтоведения. Вып. 3. – М., Изд-во МГУ, 1973.

Воронкевич С.Д. Теоретические основы искусственного литогенеза. // В кн:

Теоретич. основы инж. геологии. Социально-экономич. аспекты. (глава 9). — М.,

Изд-во Недра, 1985, с. 112-145.;

Воронкевич С.Д., Самарин Е.Н. Опыт применения равновесных физ.-хим. моделей

для изучения ионообмена и щелочного гидролиза в глинистых грунтах. —

Геоэкология, № 4, 1997, с. 64-76

[7] Безрук В.М. Теоретические принципы комплексных методов укрепления грунтов с

введением добавок цемента или извести и поверхностно-активных веществ или

хлористых солей. // Тр. совещ. по теоретическим основам технической мелиорации

грунтов. 1-4 февраля 1960 г. – М., Изд-во МГУ, 1961, с. 45-53

Безрук В.М. Теоретические основы укрепления грунтов цементами. // М.,

Автотрансиздат, 1956.

[8] Банник Г.И. Техническая мелиорация грунтов / Уч. пособие, 2-е изд., перераб. и доп. —

Киев: Издательское объединение «Вища школа». 1976. 304 с.

[9] Укрепление дисперсных грунтов путем синтеза неорганических вяжущих [Текст] / В. М. Кнатько ; ЛГУ. — Ленинград : Издательство ЛГУ, 1989. — 271