Prace polegające na konsolidacji i wzmocnieniu podłoża gruntowego prowadzi się z wykorzystaniem wielu technik i technologii. W dobie coraz bardziej złożonych projektów inwestycyjnych, a także przedsięwzięć utrzymaniowych i modernizacyjnych, przy rosnącej presji czasu realizacji oraz wymogu wysokiej skuteczności, coraz częściej sięga się po rozwiązania niestandardowe.

Jedną z metod zyskujących w Polsce coraz większą popularność w zakresie poprawy parametrów nośnych gruntu jest iniekcja żywic organicznych lub organiczno-mineralnych. W praktyce najczęściej stosuje się żywice poliuretanowe, potocznie określane również jako geopolimerowe. Należy jednak wyraźnie podkreślić, że prezentowane w artykule rozwiązanie nie dotyczy spienialnych żywic geopolimerowych.

Mowa tu o iniekcji bezprzemieszczeniowej – wypełniającej, polegającej na zastąpieniu wody lub przestrzeni porowej w gruncie iniektem, bez wywoływania wyraźnych przemieszczeń gruntu. Termin ten obejmuje zarówno iniekcję penetracyjną, jak i wypełnienie objętościowe. Technologia polega na niskociśnieniowym wtłaczaniu materiału, czyli żywicy iniekcyjnej. Proces ten jest pośrednio kontrolowany poprzez odpowiedni dobór właściwości reologicznych iniektu, takich jak lepkość i zwilżalność, a także parametrów wtłaczania – przede wszystkim ciśnienia, objętości oraz prędkości przepływu. 

Konsolidację i wzmocnienie gruntu z wykorzystaniem żywic stosuje się głównie  w miejscach trudno dostępnych, gdzie mobilizacja ciężkiego sprzętu jest utrudniona lub niemożliwa z przyczyn technicznych i/lub ograniczeń ekonomicznych.

Istotne cechy wyróżniające rozwiązanie:
–    mobilizacja  – minimalna i nieuciążliwa, nie wymaga ciężkiego sprzętu, wykopów ani rozbiórki istniejących konstrukcji, nie generuje wibracji, nie stanowi ryzyka uszkodzenia istniejącej infrastruktury;
–    szybkość wykonania prac – dzięki minimalnej mobilizacji i szybkosprawnym żywicom;
–    precyzja – możliwe jest wzmocnienie gruntu na zadaną głębokość i dla określonej objętości oraz przyjętych parametrów wzmocnienia; 
–    trwałość – utwardzone żywice odporne są na działanie wód gruntowych i zachowują swoje właściwości przez długi okres, przewyższający m.in. dwukrotnie trwałość projektową konstrukcji obiektu;
–    możliwość modyfikacji parametrów fizykochemicznych żywic iniekcyjnych (lepkość, gęstość, czas reakcji, czas wiązania, wytrzymałość mechaniczna, lita konsystencja po utwardzeniu – niespieniona!) do warunków aplikacji; 
–    możliwość zmian własności reologicznych iniektu, a co za tym idzie – parametrów wtłaczania, tj. ciśnienia, objętości, prędkości przepływu;
–    relatywnie niski sumaryczny koszt wykonania prac.

Podłoże gruntowe 

Technologia iniekcji przesączającej do konsolidacji podłoża znajduje zastosowanie dla gruntów niespoistych – piasków, piasków pylastych, żwirów, pospółek, ale także wybranych gruntów spoistych i mieszanych – takich jak piaski gliniaste, czyli grunty spoiste (mineralne rodzime), będące mieszaniną frakcji piaskowej z domieszką cząstek ilastych i pyłowych (do 15% części drobnych < 0,02 mm). 

Obszary zastosowań na przykładzie wykonanych realizacji (rys. 1.)

RYS. 1. | Obszary zastosowań na przykładzie wykonanych realizacji

Iniekcję na bazie żywic wykonuje się w celu poprawy parametrów nośnych podłoża w otoczeniu istniejących konstrukcji – takich jak tunele, łączniki tunelowe, szyby, szachty, obudowy, podbudowy nawierzchni komunikacyjnych, dróg, lotnisk, a także na potrzeby doszczelnienia struktur z cementogruntu, m.in. takich jak jet-grouting, palisady VDW, CFA, DSM. Technologia ma coraz częstsze zastosowanie do zabezpieczenia posadowienia istniejących budynków  zlokalizowanych w bezpośrednim sąsiedztwie wykopów bez konieczności wykonywania palisad, ścianek, obudów itp. 

Średnie wartości, jakie można otrzymać w podłożu gruntowym po iniekcji

Poniżej zaprezentowano wyniki badań 1-osiowej wytrzymałości na ściskanie  wykonanej na próbkach pobranych z zainiektowanego gruntu. Celem iniekcji była konsolidacja i uzyskanie wytrzymałości na ściskanie podłoża Rc ≥ 3,0 MPa. Iniekcję przeprowadzono przy użyciu dwóch różnych niskolepkich żywic poliuretanowych, różniących się od siebie lepkością komponentów oraz strukturą sieci polimerowej utwardzonego materiału. Test miał na celu porównanie parametrów procesu iniekcji oraz końcowych parametrów mechanicznych gruntu. Średnia wytrzymałość gruntu zainiektowanego żywicą o wyższej lepkości (η=100.0±10.0 mPas w 25°C) to: Rc=17.2 MPa, natomiast średnia wytrzymałość gruntu zainiektowanego żywicą o niższej lepkości (η=70.0±10 mPas w 25°C)  wyniosła: Rc=7.30 MPa. 

Właściwości żywicy iniekcyjnej

Dwuskładnikowa żywica poliuretanowa DSI Inject PUR LV charakteryzuje się parametrami fizykochemicznymi i reologicznymi zaprojektowanymi w sposób umożliwiający skuteczną iniekcję bezprzemieszczeniową. Do parametrów tych, jakie zostały omówione poniżej, należą:
–    niska lepkość początkowa i jej stabilność w czasie,
–    zwilżalność podłoża,
–    stopień spienienia i reaktywność w kontakcie z wodą.

Lepkość komponentów dobrano tak, aby po ich zmieszaniu uzyskać iniekt o niskiej lepkości początkowej (≈100 mPa·s przy25°C) i maksymalnym czasie utrzymania właściwości reologicznych, co zapewnia efektywny przepływ w matrycy porowatej oraz minimalizuje opory ciśnienia podczas tłoczenia materiału. Dodatkowo wydłużony został czas reakcji utwardzania. Mianowicie, start reakcji polimeryzacji następuje po ok. 30 minutach, a zakończenie reakcji po 60–90 minutach (czasy te zmieniają się wraz z temperaturą ośrodka). Tak wolna kinetyka procesu utwardzania oraz niska lepkość w początkowej fazie pozwalają osiągnąć znaczny zasięg migracji żywicy w podłożu gruntowym, umożliwiając efektywną iniekcję nawet w bardzo drobnej frakcji piaskowej z domieszką cząstek ilastych i pyłowych.

Kolejnym istotnym parametrem jest zwilżalność geopolimeru i powinowactwo do podłoża. Żywica DSI Inject PUR LV, poprzez odpowiednie dobranie polioli i dodatków uszlachetniających, posiada napięcie powierzchniowe gwarantujące pełne zwilżenie ziaren mineralnych – na przykład obserwuje się wysoką kompatybilność chemiczną żywicy z powierzchnią kwarcową. Efektem tego jest utworzenie jednorodnej, dobrze rozproszonej sieci polimerowej w przestrzeni porowej podłoża, co znacząco podnosi wartość makroskopowych parametrów wytrzymałościowych gruntu.

Jak wspomniano, ważna jest także ograniczona spienialność żywicy. Ograniczenie procesu spieniania do poziomu x1.0-1.5 zwiększa zasięg iniekcji, zmniejsza opory tłoczenia oraz gwarantuje wysokie parametry wytrzymałościowe skonsolidowanego obszaru. Jednocześnie żywica nie wpływa negatywnie na jakość wód gruntowych, ponieważ w trakcie reakcji nie powstają produkty uboczne szkodliwe dla środowiska naturalnego. Zostało to potwierdzone badaniami dotyczącymi kontaktu z wodą gruntową, określonymi w normie DIN 19631, co potwierdza stabilność chemiczną materiału oraz brak istotnego oddziaływania na środowisko.

Zeskanuj kod QR i skontaktuj się z nami:

Robert Penczek, Sandvik

Agnieszka Poteraj, Inter Inject

Literatura

[1]    Prociak A., Rokicki G., Ryszkowska J.: Materiały poliuretanowe. Wydawnictwo Naukowe PWN 2016
[2]    Janik H., Sienkiewicz M., Kucinska-Lipka J.: Polyurethanes, in Handbook of Thermoset Plastics. Politechnika Gdańska 2014
[3]    Wiłun Z.: Zarys geotechniki. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności WKŁ 2013
[4]    Furtak K., Kędracki M.: Podstawy budowy tuneli. Politechnika Krakowska 2005