Вспененные инъекционные растворы в строительстве

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение  
высшего профессионального образования 
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

Библиотека научных разработок и проектов НИУ МГСУ 

М.И. Панфилова, Н.И. Зубрев, М.В. Фомина 

ВСПЕНЕННЫЕ ИНЪЕКЦИОННЫЕ 
РАСТВОРЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ 

Москва  2017 

2-е издание (электронное)

УДК 669.97 
ББК 38.33 
  П16 

СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ 

Р е ц е н з е н т ы: 
доктор технический наук, профессор Р.А. Халитов, 
профессор кафедры оборудования химических заводов 
ФГБОУ ВПО «КНИТУ»; 
кандидат физико-математический наук, профессор Н.И. Прокофьева, 
заведующая кафедрой физики ФГБОУ ВПО «МГСУ» 

Монография рекомендована к публикации 
научно-техническим советом МГСУ 

Панфилова, М.И. 
       Вспененные инъекционные растворы в строительстве [Электронный 
ресурс] / М.И. Панфилова, Н.И. Зубрев, М.В. Фомина ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — 2-е изд. (эл.). — 
Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 129 с.). — М. : Издательство 
МИСИ—МГСУ, 2017. — (Библиотека научных разработок и проектов 
НИУ МГСУ). — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe 
Digital Editions 4.5 ; экран 10".

ISBN 978-5-7264-1542-0 

  Рассмотрены вопросы получения вспененных тампонажных растворов. Особое внимание уделено вопросам структурообразования композитных растворов с 
оптимальными физико-техническими параметрами. 
  Для специалистов и научных работников в облати транспортного строительства, а также для студентов всех специальностей направления «Строительство». 

УДК 669.97 
ББК 38.33 

ISBN 978-5-7264-1542-0 
 ©  ФГБОУ ВПО «МГСУ», 2015 

П16

Деривативное электронное издание на основе печатного издания: 
Вспененные инъекционные растворы в строительстве / М.И. Панфилова, 
Н.И. Зубрев, М.В. Фомина ; М-во образования и науки Рос. Федерации, 
Моск. гос. строит. ун-т. — М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 2015. — 128 с. 
— ISBN 978-5-7264-0999-3.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных 
техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от 
нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

О Г Л А В Л Е Н И Е 

Введение ........................................................................................................... ...4 
Глава 1. Физико-химические свойства вспененных композитных систем. ...6 
1.1. Применение пен в транспортном строительстве .............................. ...6 
1.2. Факторы, влияющие на устойчивость пен ........................................ .19 
1.2.1. Строение пен (строение, образование, геометрия пен, 
кратность, устойчивость, синерезис) .................................................. .19 
1.3. Физико-химические свойства пенообразователей ........................... .29 
1.3.1. Физико-химические свойства аэрированных композитных 
растворов техническими моющими средствами ............................... .57 
1.4. Физико-химические свойства бентонита .......................................... .60 
1.5. Структурообразование в композитных цементных растворах ....... .74 
Глава. 2. Устойчивость вспененных бентонитовых суспензий 
в присутствии стабилизаторов ....................................................................... .92 
2.1. Устойчивость и структурно-механические свойства вспененных 
бентонитовых суспензий ........................................................................... .92 
2.2. Влияние добавок крахмала на устойчивость вспененных 
бентонитовых суспензий ........................................................................... .95 
2.3. Устойчивость бентонитовых суспензий с модифицированным 
стабилизатором .......................................................................................... .98 
2.4. Структурно-механические свойства вспененных бентонитовых 
суспензий с модифицированным стабилизатором .................................. 108 
Глава 3. Структурно-механические свойства вспененных композитных 
растворов .......................................................................................................... 112 
3.1. Структурообразование и физико-механические свойства 
вспененных растворов с жидким стеклом ............................................... 112 
Глава 4. Многокомпонентные вспененные композитные системы ............ 116 
4.1. Совместное влияние добавок крахмала и жидкого стекла  
на технологические параметры вспененных композитных растворов .. 116 
4.2. Практические рекомендации составов вспененных растворов ...... 117 
Библиографический список ............................................................................ 119 

Введение 

Все ускоряющиеся процессы урбанизации ведут к стремительному 
увеличению населения городов и расширению их площадей. Так, только за 50 лет прошлого столетия территория Москвы увеличилась в три 
раза. В связи с ростом стоимости земли современные города не только 
растут вверх, но и «уходят под землю», занимая подземное пространство, которое используется для различных целей и, в первую очередь, для 
переноса с поверхностей транспортных коммуникаций.  
Это объясняется как градостроительными соображениями, так и их 
относительно меньшей ресурсоемкостью. Речь идет о тоннелях различного назначения. Решением этой проблемы может быть лишь применение современных технологий конструирования тоннелей и высокоскоростных механизированных комплексов [1].  
Существующие способы закрепления и упрочнения дисперсных пород (силикатизация, электрохимическое закрепление, метод напорных 
струй) используются, как правило, при строительстве или для обеспечения строительства (сооружение грунтовых подпорных стен, укрепление откосов, упрочнение оснований и т.д.) и не связаны с ликвидацией 
локальных аномальных структур в массиве, который вмещает уже эксплуатирующиеся инженерные объекты. Предложен новый способ ликвидации аномальных зон в дисперсных грунтах вязкопластичными растворами. Сущность способа заключается в поинтервальном инъектировании в аномальную зону вязкопластичного глиноцементного раствора. 
При этом в ее наиболее ослабленных местах происходит гидроразрыв с 
образованием системы фильтрационных каналов. Под действием перепада давления тампонажного раствора, заполнившего каналы течения, 
происходит фильтрационное уплотнение пород аномальной зоны и ее 
переход из деконсолидированного в консолидированное состояние.  
Строительство современного надежного и герметичного тоннеля с 
высокой скоростью и качеством возможно лишь при правильной увязке 
вышеперечисленных компонентов: соответствующей грунтовым условиям машины, высокоточной и правильно рассчитанной обделки и организации труда на строительной площадке. 
В настоящее время для проходки тоннеля низкого заложения в 
сложных инженерно-геологических условиях, в неустойчивых нескальных, в том числе водонасыщенных, грунтах под сжатым воздухом, а в 
ряде зарубежных стран (Франция, Япония, Англия) широко используются проходческие щиты с пеногрузовым пригрузом. 

Щитовой способ проходки тоннелей относится к прогрессивным и 
универсальным, так как позволяет осуществлять строительство с высокой скоростью в различных геологических условиях. Сущность этого 
способа заключается в том, что в призабойную камеру щита, снабженного роторным органом, под давлением подается структурированная 
пена. Материалами для инъектирования в заобделочное пространство 
обычно служат бентонит, гидравлическая известь и др., которые должны быть достаточно эффективны в различных горно-геологических условиях, на разных глубинах, при разных диаметрах щитов и иметь широкий спектр действия: обеспечивать экономический и технологический эффект и обладать повышенными гидроизоляционными свойствами. Для предотвращения обрушения грунтов в забое грунтовую воду 
вытесняют пеной. Нагнетаемая пена представляет собой смесь пенообразующего вещества и сжатого воздуха, которая превращает разрушенный грунт во вспененную систему. Такая система обладает текучестью 
и благодаря этому способна удерживать и обеспечивать устойчивость 
забоя, устраняя при этом возможность налипания грунта на лобовые 
плиты, элементы рабочего органа и внутреннюю поверхность призабойной камеры. Это обеспечивает плавную, бесперебойную проходку в 
самых сложных гидрогеологических условиях. При использовании пеногрузового пригруза крутящийся момент на рабочем органе и шнековом конвейере изменяется на 30—35 %, что облегчает удаление грунта 
из забоя и предотвращает износ резцов и лобовых плит.  
В последнее время в России для проходки тоннеля низкого заложения используются микрощиты. Для непрерывной работы этого оборудования необходимо большое количество концентрата пены, который 
закупается за границей, что приводит к большим затратам. 
Поэтому актуальной является разработка рецептуры пен на основе 
отечественного сырья, которая не должна уступать по технологическим 
показателям зарубежным составам и обеспечивать экономический и 
технологический эффект по сравнению с традиционными составами. 
Кроме того, она должна обладать повышенными прочностными свойствами, способностью к проникновению в мельчайшие поры массива, 
высокой водонепроницаемостью после затвердения, большой долговечностью и относительно малой стоимостью. 
 
 
 
 
 
 

Г л а в а  1.  ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА  
ВСПЕНЕННЫХ КОМПОЗИТНЫХ СИСТЕМ 
 
1.1. Применение пен в транспортном строительстве 
 
В транспортном строительстве при проходке тоннелей для вытеснения грунтовых вод из забоя и закрепления грунтов используются микрощиты, в которые под давлением вводится глинистая суспензия, так 
называемый бентонитовый щит. 
В зарубежных странах (Япония, Франция, Англия) при проходке 
тоннелей используют щиты с пеногрунтовым пригрузом, в которые под 
давлением подается пена специального состава. Она имеет консистенцию крема и состоит из смеси пенообразующего вещества и сжатого 
воздуха. При этом смесь пены с грунтом становится текучей и легко 
удаляется с поверхности. Кроме того, повышается устойчивость забоя, 
и снижается налипание удаляемого грунта на рабочие части и поверхность призабойной камеры [2]. 
В Англии с 60-х годов фирмой «Аэроцем» использовались пенорастворы на основе минеральных вяжущих: цемент (известь или специально 
аэрированный гипс) + песок + вода + вспенивающая добавка «Типол» 
для инъектирования, создания наружных водонепроницаемых покрытий, заделки стыков и швов железобетонных (ж. б.) элементов, создания 
декоративных и огнестойких покрытий. 
В больших масштабах работы по заделке стыков и швов ж. б. элементов проводились в Севернском, Чарринг Содбери, Саупертонском и 
др. тоннелях Западных железных дорог (Великобритания). 
Вспененные тампонажные растворы использовались «Гидроспецстроем» в 1979 г. на строительстве Русаковской автострады в Москве. 
Грунты на участке строительства эстакады представлены известняками, 
которые подвержены карстово-суффозионным процессам. Поэтому был 
разработан проект уплотнения десятиметровой толщи грунтов инъекцией тампонажных растворов с целью повышения несущей способности. Согласно проекту уплотнение закарстованной зоны известняков 
осуществлялось путем инъекции цементного раствора через систему 
скважин на глубину до 25 м. Проектный расход цемента на 1 м3 раствора составлял от 450 до 1100 кг при плотности раствора 1,3—1,75 т/м3.  
После проведения цементации в основании ряда опор эстакады было 
установлено, что фактический расход тампонажного раствора в несколько раз превышает проектную норму, т.е. наблюдался большой перерасход цемента.  

Так, при уплотнении грунтов в основании ряда опор было израсходовано в среднем по 1000—1200 т цемента на каждую опору, что в 2—2,5 
раза превышает проектную норму. Значительный перерасход цемента 
вызван распространением раствора за пределы планируемого участка.  
С использованием цементно-зольных растворов расход цемента несколько сократился, но остался все же значительным. 
С целью сокращения расхода цемента в опытном порядке были опробованы вспененные цементные растворы, которые закачали в десять 
скважин. 
На опытных работах применяли цементный раствор с В/Ц = 0,6, 
вспененный до плотности 1,1 т/м3. При инъекции вспененного раствора 
наблюдался непрерывный рост давления во времени, таким образом, в 
десять скважин было закачено около 100 м3 раствора. По сравнению со 
скважинами, где инъекция производилась обычным цементным раствором с В/Ц = 0,6 расход вспененных растворов сократился в среднем в  
2-3 раза. 
Первые щиты фирмы «Обояся-Гуми» появились и использовались 
для временного укрепления грунта путем введения в него раствора 
аэрированной целлюлозы [2]. 
Для повышения технологии щитов с пено-грунтовым пригрузом было организовано общество «Кихо Сирудо Кохо Кекай», в составе которого находилось 38 фирм. В короткое время было приготовлено 103 
щитовых комплекса диаметром до 7,75 м. 
В Европе также проводились подобные исследования. Так, например, во Франции на участке строительства метрополитена в г. Лилле в 
июле 1994 г. завершили проходку тоннеля в глинистых грунтах с нагнетанием пены в забой длиной 3,371 м. Пенообразующий раствор насосом 
подавали сжатым воздухом в резервуар накопления. При этом воздух и 
пенообразующий раствор раздельно подавали в пеногенератор, из которого пена с определенными техническими параметрами подавалась в 
распределительную сеть трубопроводов и затем в призабойную камеру 
щита. 
При строительстве участка метрополитена в Валенсии применяли 
щит диаметром 6,25 м фирмы «Херренкнехт» с пеногрунтовым пригрузом для проходки двух тоннелей длиной по 2,3 км: одного под дном 
реки на глубине 15 м, другого на глубине 26 м. Для первого тоннеля 
пену готовили из жидкого концентрата. Расход пены составлял 500 л на 
1 м3 грунта (0,018 л пенного концентрата + 17,82 л воды + воздух). 
На второй линии в пенообразующий раствор вводили полимерную 
добавку, которая снижала проницаемость массы и ликвидировала протекание грунтовых вод в рабочую зону. 

В Японии специалисты фирмы «Тони Боринг К° ЛТД» применяют 
пеноцементные растворы цемент + песок + бентонит или зольная пыль + 
+ вода + ПАВ + алюминиевая пудра) для тампонирования пустот. Из 
воздухововлекающих добавок широкое применение нашла добавка 
«Позолис», повышающая пластичность, морозостойкость и снижающая 
водопроницаемость раствора, а также способствующая устойчивому 
вовлечению воздуха. 
Фирма «Кокен Боринг К° ЛТД» успешно использует пеноцементные 
растворы (цемент + песок + бентонит или зольная пыль + вода + ПАВ) 
для укрепления грунтов за обделкой тоннеля и щитовых сегментов, а 
также для препактбетонных работ1. Для выполнения работ фирма применяет смесительные установки серии КМР, снабженные специальной 
воздухововлекающей лопастью, и гидравлические насосы. Насосы 
обеспечивают высокую эффективность при нагнетании вспененных 
цементных растворов, имеют производительность от 0 до 470 л/мин при 
давлении нагнетания от 0 до 5 МПа. 
Цементный раствор с пеносиликатом или жидким стеклом нагнетался за обделку однопутного перегонного тоннеля на строительстве участка метрополитена в г. Осака. Проходка осуществлялась двумя механизированными щитами 6,93 м с грунтовой пригрузкой забоя, специально оборудованными для синхронного нагнетания раствора за обделку по мере перемещения щита через пять трубок, расположенных снаружи хвостовой оболочки щита в его замковой части и оснащенных 
системами промывки или прочистки поршнем. 
В странах Западной Европы структурированные пены получают на 
основании различных патентов, в которых учтены свойства различных 
ПАВ, стабилизированных водорастворимыми синтетическими и природными полимерами. 
В качестве вспенивателя в пенобетоне используют (акц. заявка 481408 Япония, СО4В 16/00, опубл. 17.01.1973) диэтаноламид жирной 
кислоты общей формулы:  

/
RCON \

CH CH OH
CH CH OH

2
2

2
2

, 

где группа RCO — насыщенный или ненасыщенный ацил с 8—18 атомами углерода нормального изостроения.  
Пенообразователь (а.с. 990722 СССР, СО4В 15/02, опубл. 25.06.1981) 
содержит следующие компоненты (мас. %): жирные кислоты — 0,25—0,3; 
едкий натрий — 0,1-0,2; карбонат натрия — 0,05—0,1; кремнефтори
1 Сооружение бетонных конструкций путем нагнетания цементного раствора 
в зазоры в грубом наполнителе, которым предварительно заполняется опалубка. 

стый натрий — 10—30; вода — остальное. Смесь предварительно подогревается до 60 °С для равномерного растворения жирных кислот.  
Пенообразователь для поризации бетонной смеси (а.с. 992464 СССР, 
СО4В 15/02, опубл. 30.01.1983) состоит (мас. %): из пасты алкилсульфатов; синтетических жирных спиртов — 0,1—0,15; жидкого стекла — 
0,25—0,75; воды.  
Пенообразователь для поризации бетонных смесей (а.с. 1152946 
СССР, СО4В 28/02, опубл. 30.04.1985) содержит (мас. %): древесный 
омыленный пек — 3—6; в качестве стабилизатора глиняный порошок — 
16—18 и воду — остальное. 
Для легких бетонов используют пенообразователь (а.с. 1161498 СССР, 
СО4В 28/02, опубл. 15.06.1985) из (мас. %): ПАВ — додецилбензолсульфонатов — 7,3—10,6; несульфированные соединения — 0,35—3,0; 
сульфата натрия — 3—10; оксида фосфора — 7,5—14,9; оксид кремния — 
0,45—2,1 и воды. 
Для изготовления теплоизоляционного бетона (ТИ), бетона (а.с. 
1183481 СССР, СО4В 28/02, опубл. 07.10.1985), в состав которого входят (мас. %): древесный омыленный пек — 3-4; мелассная упаренная 
последрожжевая барда — 0,5—1,5 и вода.  
Для поризации бетонных смесей (а.с. 1184835 СССР, СО4В 28/02, 
опубл. 15.10.1985) используют (мас. %): триэтаноламиновую соль лаурилсульфата (ПАВ) — 0,08—0,32; мездровый клей — 0,2—10 и воду. 
При этом соль разводят в воде с температурой 30—40 °С, отдельно готовят раствор клея в воде при t = 50—60 °С, смешивают оба раствора и 
осуществляют вспенивание механическим или аэрационным способом.  
Для поризации легких бетонов (а.с. 1189844 СССР, СО4В 28/02, 
опубл. 07.11.1985) применяли пенобразователь из (мас. %): древесной 
омыленной смолы — 3—5; гидравлической извести — 3—13; мездрового клея — 0,3—1,0; едкого натра — 0,2—0,5 и воды. Раствор готовят 
при непрерывном перемешивании в воде едкого натра (марки РД-2), 
смолы древесной (марки СДО) и клея, а затем в него добавляют гидравлическую известь. В смесителе при числе оборотов мешалки 3000 
об/мин из пенообразователя получают пену в течение 15—20 с.  
Для поризации гипсобетонных смесей применяют пенообразователь 
(а.с. 1252321 СССР, СО4В 38/10, опубл. 23.08.1986), в состав которого 
входят (мас. %): алкилароматические сульфонаты — 75—95 и сульфат 
оксида железа — 5—25. 
Пенообразователь (а.с. 1268552 СССР, СО4В 38/10, опубл. 07.11.1986) 
содержит (мас. %): мездровый клей в качестве связующего — 1—6; 
сульфонол — 6—20; алюмоаммониевые квасцы — 0,1—1,0; воду — 
остальное. Квасцы химически взаимодействуют со сложными функ

циональными группами мыла и животного клея и создают прочные 
межмолекулярные мостики, что резко снижает набухание мыльной 
пленки и повышает ее прочность. 
Пенообразователь (а.с. 1271855 СССР, СО4В 38/10, опубл. 23.11.1986) 
содержит (мас. %): лигносульфатное связующее — 1,0—10,0; сульфат 
марганца (меди или цинка) — 0,25—2,5; гидрооксид натрия — 0,055—
0,55; воду — остальное. Пенообразователь используют для изготовления поризованных изделий на основе цемента, глин извести, гипса и 
других материалов. В качестве лигносульфатного связующего используют концентраты сульфитно-дрожжевой бражки (СДБ) — жидкие 
(КБЖ) и твердые (КБТ).  
Пенообразователь для поризации бетонной смеси (а.с. 1291585 
СССР, СО4В 38/10, опубл. 23.02.1987) содержит (мас. %): алкилсульфаты фракции С10-С13 — 10—30; высшие жирные спирты фракции 
С12-С16 — 0,5—5,0; мочевину — 3—10; бутанол — 5—15 и воду. Содержание мочевины способствует взаимной растворимости компонентов и их растворимости в воде, а бутанол увеличивает срок хранения 
пенообразователя, предотвращает выпадение из него сульфата натрия, а 
также улучшает твердую форму пенообразователя. 
Для поризации дисперсной смеси используют композицию (а. с. 
1303595 СССР, СО4В 38/10, опубл. 15.04.1987), состоящую из (мас. %): 
натрийалкилсульфат — 20—70; триэтаноламиналкилсульфат — 15—45; 
моноэтаноламид — 5—10; жидкое стекло — остальное. Пенообразователь готовят в следующей последовательности: смешивают натриевые и 
ТЭА алкилсульфаты, моноэтаноламиды, жидкое стекло. Товарная концентрация пенообразователя в водном растворе — 40—50 %. Вспенивание производится аэрированием в турбулентном смесителе с последовательным дозированием воды, молотого песка, цемента, извести и 
смешивании в течение 45—60 с, затем вводится пенообразователь и 
перемешивается смесь 150—180 с. Поризованную смесь разливают в 
формы, выдерживают до приобретения прочности 0,3 МПа, после чего 
автоклавируют при избыточном давлении пара 1,0 МПа. 
Для повышения устойчивости пены и повышения прочности пенобетона используют пенообразователь (а.с. 1308601 СССР, СО4В 38/10, 
опубл. 07.05.1987), из (мас. %): натриевой соли продуктов гидролиза 
нерастворимых белков — 1,5—3; сульфанола — 3—8 и воды. В состав 
раствора натриевой соли продуктов гидролиза нерастворимых белков 
входят (мас. %): натриевая соль пентоидов — 40—50; хлорид натрия — 
0,1—0,4; ацетат натрия — 1,5—2,5; вода — 48—58; соль имеет pH 8,0—
8,2; плотность — 1,1—1,18 г/см3.