Integrarea cunostintelor si a metodelor de procesare avansate in lucrari de consolidare, lucrari geotehnice si de ingineria mediului prin tehnica injectarii cu fluide pe baza de sisteme

cimentoide – CONSINJECT CEEX- M1- C2 – 672

1.1 Beneficiar: Universitatea Politehnica Bucuresti, Facultatea de Energetica, Programul MENER

Universitatea Politehnica din Bucuresti, Facultatea de Chimie Industriala – Programul „Materiale Noi, Micro si Nanotehnologii – MATNANTECH”

1.2. Coordonatorul proiectului: CEPROCIM S.A. Bucuresti

1.3 Parteneri :

Partener 1: Universitatea de Stiinte Agronomice si Medicina Veterinara – Facultatea de Imbunatatiri Funciare si Ingineria Mediului

UNIVERSITATEA DE STIINTE AGRONOMICE SI MEDICINA VETERINARA – FACULTATEA DE IMBUNATATIRI FUNCIARE SI INGINERIA MEDIULUI Bucuresti, str. Marasti, nr. 59, sector 1, tel. 021/3182567, fax 021/3182576

Partener 2: Institutul National de Cercetare-Dezvoltare in Constructii si Economia Constructiilor – INCERC Bucuresti

Adresa: Sos. Pantelimon nr. 266, Sector 2, 021652 Bucuresti Tel.: 021-255.22.50. – Fax: 021-255.00.62. e-mail : incerc @ incerc2004.ro

Partener 3: Institutul de Studii si Proiectari pentru Imbunatatiri funciare – ISPIF Bucuresti

Institutul de Studii si Proiectari pentru Imbunatatiri Funciare Sos. Oltenitei Nr. 35 – 37 Sector 4 Tel. +40.021.332.29.20

Partener 4: Universitatea POLITEHNICA Timisoara

Partener 5: Fundatia pentru Stiinta si Ingineria Materialelor – Serban Solacolu

1.4. Perioada de executie: 01.08.2006 – 15.09.2008

1.5.Descrierea proiectului:

1.5.1. Scopul proiectului:

Realizarea, pentru prima oara in tara, a unor sisteme cementoide ultrafine, utilizabile ca fluide de injectare in lucrari de consolidare de infrastructuri, lucrari de ingineria mediului si geotehnica.

1.5.2. Rezumat:

Prezentul proiect si-a propus ca, in parteneriat national, sa concentreze un valoros potential uman si material, pentru generarea de noi cunostinte in domeniul sistemelor cimentoide utilizabile ca fluide de injectare, in lucrari de consolidare a constructiilor, lucrari geotehnice sau inginerie a mediului dintre care mentionam: consolidarea structurilor de rezistenta a constructiilor, consolidari ale terenurilor sub fundatii existente, refacerea coeziunii masivelor (rocilor) fisurate, stabilizarea terenurilor si versantilor în alunecare, etansarea depozitelor de deseuri, lucrari de impermeabilizare etc.

Cercetarile se vor concretiza prin obtinerea unor sisteme cimentoide cu performante calitative la nivel european, destinate lucrarilor de injectie, urmarindu-se in principal:

• realizarea de sisteme cimentoide ultrafine, cu spectru granulometric restrans (peste 65% particule sub 16µm);
• modificarea parametrilor reologici ai pastelor de ciment prin optimizarea utilizarii de aditivi si adaosuri;
• obtinerea de noi tipuri de fluide de injectare de tip compozit, avand la baza sisteme cimentoide ultrafine.

Caracteristicile calitative ale materialelor propuse a fi realizate in Romania tind catre nivelul celor obtinute in prezent numai in anumite tari ca: Japonia, Germania, SUA, Franta etc

1.5.3 Obiectivele proiectului:

• generarea de noi cunostinte stiintifice si tehnologice in domeniul materialelor de injectie;
• realizarea de noi fluide de injectie avand la baza sisteme cimentoide ultrafine, cu caracteristici calitative la nivel european;
• implementarea unui cluster stiintific pentru a facilita dezvoltarea aplicatiilor practice ale rezultatelor obtinute;
• diseminarea rezultatelor.

1.5.4. Rezultate finale: Obtinerea fluidelor de injectie pe baza de:

• sisteme cimentoide ultrafine unitare;
• sisteme cimentoide ultrafine mixte;
• sisteme compozite ultrafine complexe

1.6.Specialistii participanti la proiect:

Etapa I – Generarea de cunostinte stiintifice noi, avansate in domeniul materialelor si tehnicilor de injectare

Pe parcursul lucrarii au fost abordate aspecte legate de:

• definirea lucrarilor de consolidare, impermeabilizare, stabilizarea terenurilor si protectia mediului, prin injectare
• concepte actuale privind relatia între materialele noi utilizate la consolidare, prin injectare, a structurilor din beton si tehnicile actuale de aplicare
• caracteristicile reologice ale fluidelor de injectie
• materiale noi destinate injectiilor – caracteristici si metode de procesare a acestora
• corelatii între comportarea reologica a noilor fluide de injectie si caracteristicile sistemului compozit cimentoid – aditiv.

Lucrarea primei etape se încheie cu prezentarea ipotezelor de lucru create pe baza documentatiei acumulate.

Etapa II – Cercetari experimentale de realizare a fluidelor de injectie pe baza de cimenturi unitare ultrafine

S-au obtinut, în conditii de laborator, cimenturi unitare de fineti avansate (6000, 7000 ?i 8000 cm2/g) cu spectre granulometrice restrânse.

S-au realizat, pe baza retetelor compozitionale, fluide de injectii din cimenturile de fineti avansate, cu rapoarte a/c variind de la 0,3 la 1,0 cu aditivi superplastifianti, în proportii optime indicate de producator. Au rezultat 94 de retete de fluide de injectie.
Fluidele de injectie realizate au fost caracterizate din punct de vedere al:

• timpului initial si final de priza
• caracteristicilor reologice
  • fluiditate cu con Marsh
  • vâscozitate
• caracteristici reotehnice
  • coeziune
  • rezistenta laforfecare

Coroborând rezultatele obtinute asupra retetelor de fluide de injectie realizate, s-au selectat din retetele utilizabile, retetele considerate optime corespunzatoare tuturor conditiilor reologice si reotehnice impuse.

Rezultatele sunt prezentate în tabelul de mai jos.

Etapa III – Cercetari experimentale de realizare a fluidelor de injectie pe baza de cimenturi mixte ultrafin

S-au realizat, în conditii de laborator, cimenturi mixte la finetea de cca. 7000 cm2/g, procesate prin macinarea concomitenta a clincherului, gipsului si adaosurilor minerale (zgura granulata de furnal, cenusa de termocentrala, silice ultrafina, calcar), în sistem de doi sau trei constituenti.
Fluide de injectii preparate din cimenturile mixte, s-au realizat cu rapoarte a/c 0,4 si respectiv 0,8. Au fost utilizati aditivi superplastifianti, în proportii optime indicate de producator. Au rezultat 90 de retete de fluide de injectie.

Fluidele de injectie realizate au fost caracterizate din punct de vedere al:

• timpului initial si final de priza;
• caracteristicilor reologice
  • fluiditate cu con Marsh
  • vâscozitate
• caracteristici reotehnice
  • rezistenta laforfecare

Comportarea reologica a fluidelor, urmarita prin con Marsh si vâscozitate a evidentiat urmatoarele aspecte legate de influenta adaosului din cimenturile mixte:

• Toate fluidele au avut o comportare pseudoplastica, cu fenomene de tixotropie redusa sau accentuataîn functie de tipul si proportia de adaos si de raportul a/c.
• Zgura granulata de furnal, ca adaos în ciment actioneaza ca un agent de marire a fluiditatii, în corelatie cu cresterea proportiei acesteia în sistem. Cea mai mica vâscozitate (29 mPa . s) a prezentat-o fluidul (a/c = 0,8) cu 45% zgura în prezenta superplastifiantului SP337 (1%).
• Cenusa de termocentralaîmbunatateste usor fluiditatea sistemului, în principal datorita formei sferice a particulelor, care reduc forta de frecare dintre particulele cu muchii ascutite ale cimentului, fenomen cunoscut ca „efect de rulare”.
• Silicea ultrafina a prezentat o comportare contradictorie în conditiile celor doua rapoarte a/c abordate: la a/c = 0,4 valorile de vâscozitate au fost deosebit de ridicate (41217 mPa . s fara aditiv si 15134 mPa . s cu SP430) in timp ce a/c = 0,8 valorile de vâscozitate au fost mici iar comportarea reologica a fost ideal plastica.
• Fillerul de calcar a determinat valori mai scazute ale vâscozitatii fata de etalon (1234 – 2160mPa . s fata de 1865 – 2980 mPa . s) si o tixotropie redusa.
• Adaosurile mixte, respectiv sistemul cu trei componenti prezinta proprietati reologice mai bune în comparatie cu sistemele cu doi componenti. Vâscozitatea cea mai scazuta (32 mPa .s) a prezentat-o amestecul cu zgura + calcar, cu tixotropie redusa si comportare ideal plastica.

Comportarea reotehnica a fluidelor, urmarita prin rezistenta la forfecare, a evidentiat faptul ca toate fluidele analizate au avut o comportare buna, eforturile tangentiale maxime fiind în toate cazurile peste limita admisibila de 15 kPa.

Etapa IV – Evaluarea comportarii sistemelor cimentoide unitare sau mixte, ultrafine, in compozite fluide complexe, de injectare

S-au realizat si caracterizat, din punct de vedere al caracteristicilor reologice, sistemele:

• compozit cimentoid – silicat de sodiu
• compozit cimentoid – argila coloidala
• compozit cimentoid – argile aerate

Influenta stabilizanailor (silicat de sodiu, argila coloidala, argile aerate) asupra caracteristicilor fluidelor de injectie a fost apreciata prin urmatoarele determinari:

• Stabilitate
• Comportament reologic: viscozitate aparenta, tensiune de forfecare
• Potential electrocinetic (zeta)

Analizand rezultatele obtinute in urma studierii stabilitatii, se pot desprinde urmatoarele concluzii:

• Toate materialele stabilizante au redus valorile de apa libera, indiferent de compozitia matricei solide.
• Pentru aceleasi conditii (a/c, % material stabilizant) instabilitatea cinetica scade la cimenturile mixte fata de cimentul unitar;
• Efectele materialelor stabilizante se pot ierarhiza în functie de tipul acestora: argila aerata < silicagel + bentonita < argila coloidala < bentonita
• Cel mai pronuntat efect favorabil s-a constatat la utilizarea bentonitei care reduce valorile „apei separate” pâna la o valoare mai mica de 3%.

Din punct de vedere reologic:

• Toate fluidele complexe cu stabilizanti au manifestat o comportare pseudoplastica;
• În cazul tuturor fluidelor analizate, introducerea materialelor stabilizante a condus la cresterea valorilor de viscozitate aparenta, fata de fluidele fara stabilizant, ramânând în intervalul 20,8 – 174 mPas, valori ce recomanda aceste fluide pentru injectii din punct de vedere al viscozitatilor;
• Sistemele cu adaosuri binare prin valorile cele mai reduse ale viscozitatilor confirma comportarea favorabila a acestora fata de sistemul cu un singur adaos.
• Toate sistemele analizate reologic au prezentat curbe histerezis, la unele cu efect pronuntat, indicând o refacere mai greoaie a structurii cu efecte benefice asupra pompabilitatii, penetratiei si raspândirii fluidului în fisura.
• În corelatie cu mobilitatea electroforetica, valorile de potential zeta au crescut, comparativ cu etalonul, cresterea valorilor de potential zeta indicând prezenta sarcinilor mari de respingere în sistemul coloidal, deci o sedimentare mai greoaie, o stabilitate cinetica mai mare.

Etapa V – Aplicari practice ale rezultatelor cercetarii

S-au realizat doua aplicatii practice de utilizare a fluidelor de injectie pe baza de cimenturi ultrafine în lucrari de injectare, respectiv injectarea într-o infrastructura – structuri de beton (grinzi) si injectarea într-o lucrare geologica.

Simularea consolidarii într-o infrastructura

S-au urmarit comportarea unor grinzi in ceea ce priveste deformatia si starea de fisurare functie de nivelul fortelor de incarcarea aplicate.

Etape experimentale:

• I. Incercarea la incovoiere a grinzilor din beton armat la stadii avansate de solicitare;
• II. Injectarea fisurilor;
• III. Reincercarea la incovoiere a grinzilor cu fisurile injectate, la stadii de solocitare comparabile cu cele din etapa I.

Studiul comportarii fluidelor de injectie realizate pe baza de ciment ultrafin unitar si respectiv ciment ultrafin mixt s-a realizat comparativ cu un ciment obisnuit

Testarile realizate au condus la urmatoarele rezultate:

• utilizarea cimenturilor ultrafine (ciment unitar si ciment mixt) a determinat o comportare similara, dupa remediere, cu cea la incercarea initiala;
• sub aspectul rezistentei si deformatiilor nu sunt diferente semnificative intre cele doua tipuri de cimenturi ultrafine utilizate;
• elementele remediate prin injectare cu paste realizate cu cimenturi ultrafine au avut o comportare superioara fata de cea a elementului injectat cu pasta realizata cu ciment obisnuit.

Injectarea într-o lucrare geotehnica – la Barajul Siriu

Cercetarile privind comportarea cimenturilor ultrafine în lucrari de injectie într-o lucrare geotehnica s-a realizat la SC HIDROCONSTRUCTIA SA – Barajul Siriu.
Injectarea s-a realizat în cadrul amenajarii Hidroenergetice Siriu, la galeria de aductiune principala Surduc -Nehoiasu.
In cazul experimentarilor injectarea s-a realizat cu suspensii de ciment ultrafin, si ciment normal ca etalon.
Suspensiile au fost caracterizate din punct de vedere a proprietatilor fizice, mecanice si reologice.

În urma testarilor efectuate s-a constatat:

• Cimenturile ultrafine prezinta vascozitate mai scazuta comparativ cu cimenturile cu finete obisnuita, cu consecinte favorabile asupra caracteristicilor tehnice de injectare si anume:
  • Presiune de injectare scade cu scaderea vascozitatii
  • Presiunea de refuz se diminueaza;
  • Raza de actiune a forajului creste;
  • Se diminueaza numarul de foraje.
• Cu cresterea suprafetei specifice cresc coeziunea si gelatia care influenteaza pozitiv eficienta injectarii.
• Prin injectarea cimenturilor cu granule mai fine creste compactitatea rocii injectate fapt ce conduce la cresterea rezistentei si scaderea permeabilitatii
• Cimenturile ultrafine prezinta viteza de sedimentare mai mica si stabilitate cinetica mai mare, in consecinta prezinta injectabilitate mai ridicata si eficienta sporita a lucrarii.
• Presiunea de injectare variaza descrescator cu cresterea stabilitatii cinetice deci suspensiile pe baza de cimenturi ultrafine pot fi injectate cu presiuni mai mici decat suspensiile cu cimenturi obisnuite.(35-40 atm fata de 40 –60atm)
• Se poate adopta un raport a/c mai scazut pentru cimenturi ultrafine ceea ce conduce la umplerea mai rapida a fisurilor si la scurtarea duratei lucrarilor de injectare.
• Injectiile cu cimenturi ultrafine au fiabilitate mai ridicata

Cele doua aplicatii practice de utilizare în lucrari de injectare a noilor fluide de injectare pe baza de cimenturi ultrafine, respectiv injectarea in structuri de beton (grinzi) si injectarea într-o galerie de aductiune a Barajului Siriu, au evidentiat comportarea superioara a fluidelor de injectie pe baza de cimenturi ultrafine fata de cele uzuale, atât din punct de vedere al caracteristicilor fluidelor (vâscozitate, coeziune, gelatie, stabilitate cinetica, rezistenta etc.) cât si a eficientei operatiei de injectare (presiuni de injectare mai mici,fiabilitate crescuta).

Etapa VI – Formarea clusterului stiintific si tehnologic CONSINJECT

S-a constituit clusterul stiintific CONSINJECT, s-a stabilit planul de activitate al acestuia si atributiile partenerilor

• Special grouting cement for consolidation in construction and geotechnics” la The 5th International Conference “New research trends in material science” (ARM – 5) – ing. E. Andreescu, ing. A. Moanta, ing. F. Amzica, ing. C. Draganoaia 5 – 7 septembrie 2007 Sibiu.
• Physical, mechanical and rheological properties of finely-ground grouting cement” – ing. E. Andreescu, ing. A. Moanta, ing. F. Amzica – 15th Edition of the Romanian International Conference on Chemistry and Chemical Engineering (RICCCE XV)
• Rheological behaviour changes when using fluidising additives in some injection fluids based on ordinary cement” – ing. E. Andreescu, ing. A. Moanta, ing. F. Amzica, prof. Dr. Ing. G. Rosu – EUROMAT 2007, 10-13 September 2007, Nuremberg, Germany
• Research on the rheological properties of ultrafine cements for hydraulic structures” – Lucrari Stiintifice, USAMV, Seria E, Vol. XLIX, 2007
• Special composite cements designed for strengthening concrete structures bz grouting – ing. E. Andreescu, ing. A. Moanta, ing. F. Amzica, prof. dr. ing. I. Lazau –Mechanics of composite materials, XV International Conference, 26-30 May, 2008, Riga, Latvia
• Effect of the fly ash and granulated blast furnace slag additions on the rheology of grouting cement – ing. E. Andreescu, ing. A. Moanta, ing. F. Amzica –11-14 May 2008, Istanbul, Turkey
• Injection binders designed for consolidation work in construction and geotechnics – ing. E. Andreescu, ing. A. Moanta, ing. F. Amzica, prof. Dr. Ing. G. Rosu – Patras, Grecia, iunie 2008
• Studiu experimental de realizare si caracterizare a unor cimenturi destinate lucrarilor de consolidare prin injectare -ing. E. Andreescu, ing. A. Moanta, ing. F. Amzica – Zilele Academice Timisene, 24-25 mai 2008, Timisoara
• Posibilitati de obtinere a unor cimenturi cu continut de cenusa de termocentrala destinate realizarii fluidelor de injectie -Zilele Academice Timisene, 24-25 mai 2008, Timisoara
• Integrarea cunostintelor si a metodelor de procesare avansate în lucrari de consolidare, lucrari geotehnice si de ingineria mediului prin tehnica injectarii cu fluide pe baza de sisteme cimentoide” – ing. E. Andreescu – Revista Româna de Materiale – 2/2008.
• Integrarea cunostintelor si a metodelor de procesare avansate în lucrari de consolidare, lucrari geotehnice si de ingineria mediului prin tehnica injectarii cu fluide pe baza de sisteme cimentoide – Cercetari experimentale de realizare a fluidelor de injectie pe baza de cimenturi unitare ultrafine” – ing. E. Andreescu – “Buletin Tehnic Informativ” An XXVI, nr. 3 trim II, 2007
• Cimenturi mixte, cu continut de cenusa de termocentrala destinate realizarii fluidelor de injectie – Revista Româna de materiale, 4/2007, vol. ,37, 271
• Integrarea cunostintelor si a metodelor de procesare avansate în lucrari de consolidare, lucrari geotehnice si de ingineria mediului prin tehnica injectarii cu fluide pe baza de sisteme cimentoide – Cercetari experimentale de realizare a fluidelor de injectie pe baza de cimenturi unitare ultrafine” – ing. E. Andreescu – “Buletin Tehnic Informativ” An XXVII, nr. 1 trim I, 2008
• Studiu experimental de realizare si caracterizare a unor cimenturi destinate lucrarilor de consolidare prin injectare – ing. E. Andreescu, ing. A Moanta, prof dr. M. Leca, prof dr. Ing. G Rosu – (in curs de publicare) Revista de Chimie, noiembrie 2008