Усиление оснований и гидроизоляция фундаментов зданий и сооружений самовосстанавливающимися инъекционными материалами

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-79-10021

НазваниеУсиление оснований и гидроизоляция фундаментов зданий и сооружений самовосстанавливающимися инъекционными материалами

Руководитель Сабри Моханад Муаяд Сабри, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-109 - Геотехника, гидротехника

Ключевые слова укрепление грунтов; армирование оснований; самовосстанавливающиеся материалы; композитные материалы; теория композита; модель композита; деформация; несущая способность; устойчивость зданий и сооружений, гидроизоляция, гидротехнические сооружения

Код ГРНТИ67.11.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ заключаются в: - отсутствии научно теоретических и экспериментальных обоснований самовосстанавливающихся инъекционных материалов. - отсутствии научно теоретических и экспериментальных обоснований усиления оснований самовосстановляющимися инъекционными материалами. - отсутствии научно теоретических и экспериментальных обоснований гидроизоляции фундаментов зданий и сооружений самовосстановляющимися инъекционными материалами. - недостаточности эмпирических знаний о совместном поведении усиливающих материалов, формирующих с грунтовыми основаниями композитную систему (например: интеллектуальные геотехнические структуры, саморасширяемые полимеры, геополимеры, микросваи, самовосстанавливающиеся материалы и т. д.). Научные проблемы в своем единстве являются значимыми для выбранного направления из Стратегии научно технологического развития Российской Федерации: «Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта». Тематика проекта связана с созданием новых конструкционных материалов, с проектированием и строительством зданий, и СООТВЕТСТВУЕТ ОТРАСЛЯМ ЗНАНИЙ по классификатору РНФ: 09–109 "Геотехника, гидротехника", 09–110 “Проектирование зданий и сооружений, строительство эксплуатация" и 09–102 “Механика технологических процессов". ЦЕЛЬЮ ПРОЕКТА является - разработка новых научно теоретических и экспериментальных обоснований устойчивых и долговечных методов усиления оснований и гидроизоляции фундаментов зданий и сооружений самовосстанавливающимися инъекционными материалами и создание новой обобщенной теории расчета предельных состояний усиливаемых оснований, поведение которых эквивалентно совместному поведению композита. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ проекта: - Разработка новых научно теоретических и экспериментальных обоснований самовосстанавливающихся инъекционных материалов. - Разработка теории и внедрение в практику строительства новых технологий усиления оснований и гидроизоляции фундаментов зданий и сооружений и объектов жизненно важной инфраструктуры самовосстановляющимися инъекционными материалами. Данные материалы могут быть в основном цементными, полимерными и биологическими. - Разработка общей теории расчета напряжённо деформированного состояния усиливаемых оснований после внедрения в них армирующих элементов с учетом их совместного поведения в качестве композита. - Разработка нового метода прогнозирования поведения используемых материалов в экстремальных условиях эксплуатации. - Проведение экспериментальных исследований для определения и научного обоснования оптимизированных параметров усиленных самовосстановляющимися инъекционными материалами оснований, позволяющих уменьшить до приемлемого минимума стоимость проектирования и реконструкции и снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций, вызванных антропогенными, техногенными, природными, террористическими факторами в отношении сооружений повышенного уровня ответственности. НАПРАВЛЕННОСТЬ ПРОЕКТА Проект, при наличии у заявителя некоторого исходного научного задела, направлен на проведение исследований в целях развития новых научных обоснований, технических и технологических решений и разработок в области механики грунтов, оснований и фундаментов, механики твердых тел, механики технологических процессов, строительной механики, формообразования строительных материалов, оптимальных решений проектирования и реконструкции, прикладных вопросов по теории надежности механики грунтов и строительных материалов. АКТУАЛЬНОСТЬ НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМЫ Одним из инновационных и перспективных направлений в различных отраслях науки, в том числе и в геотехнических направлениях, является развитие и применение инъекционных материалов, эффективность которых в практических применениях подтверждена. Однако во многих случаях инъекционные материалы ограничены вопросом их долговечности. Сложность вопроса возрастает при применении инъекционных материалов для укрепления грунтов и гидроизоляции фундаментов ответственных зданий и сооружений. Самовосстанавливающиеся материалы — это искусственные или синтетически созданные вещества, обладающие встроенной способностью автоматически восстанавливать свои повреждения без какой-либо внешней диагностики проблемы или вмешательства человека. Возможность использования данных материалов для устранения трещин и защиты от коррозии строительных конструкций подтверждена. Разработка научно обоснованной теории и методов усиления оснований и гидроизоляции фундаментов самовосстановляющимися инъекционными материалами и внедрение их в практику строительства открывает возможности дальнейшего развития этих материалов как в геотехническом направлениях, так и в других различных сферах строительства. В итоге это приведет к особенному и долговечному решению по стабилизации высоко ответственных зданий и сооружений при проектировании, реконструкции и ликвидации аварийных ситуаций. Кроме того, разработка теории расчета и эмпирических знаний о совместном поведении композитных материалов и их совместных предельных состояний, в том числе для усиленных армирующими элементами оснований, является весьма актуальной, поскольку композитные материалы, полимеры и наноматериалы получают все более широкое применение как в геотехническом направлении при усилении оснований и фундаментов зданий и сооружений, так и в других отраслях наук, в том числе в области строительства. Данные разработки оказывают существенное влияние на дальнейшее развитие этих материалов и методов в различных направлениях и обеспечивают более эффективное, безопасное и экономичное производство и применение этих материалов, в результате чего повышается устойчивость и надёжность зданий и сооружений. НАУЧНАЯ НОВИЗНА исследований заключается в: - Будут впервые разработаны и научно обоснованы самовосстанавливающиеся материалы, в качестве инъекционных. - Будут впервые разработаны, научно обоснованы новые методы усиления оснований и гидроизоляции фундаментов высоко ответственных зданий и сооружений самовосстановляющимися инъекционными материалами. - Будет впервые разработана и научно обоснована общая теория расчета предельных состояний композитных материалов и их общих параметров, с учетом совместных экспериментальных входных данных для определения эволюции пластичности, повреждения и начала разрушения вместо указания дискретных входных параметров составляющих композита в отдельности. - Будет впервые разработан новый метод прогнозирования поведения используемых материалов в экстремальных условиях эксплуатации. - Будут впервые определены и научно обоснованы оптимизированные параметры усиленных самовосстановляющимися инъекционными материалами оснований.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. С. Прасад В.К., Сабри М.М., Деви С.Г., Наджм Х., Маджид С., Кайди Ш. Mechanical and Microstructural Properties of Self-Healing Concrete Based on Hay-Bacillus Bacteria Magazine of civil engineering, vol. 122. Article No. 12204, 2023 (год публикации - 2023)
10.34910/MCE.122.4

2. Лесовик В.С., Попов Д.Ю., Федюк Р.С., Сабри М.М. Shrinkage of ultra-high performance concrete with superabsorbent polymers. Magazine of Civil Engineering Magazine of Civil Engineering (год публикации - 2023)
10.34910/MCE.121.8

3. Сабри М.М., Джавед, М.Ф., Арслан, М. Self-Healing Concrete utilizing Low Calcium Fly Ash, Recycled Aggregate, and Macro Synthetic Fibers: Autogenous Behavior and Properties Magazine of Civil Engineering, vol. 123. Article No. 12302 (год публикации - 2023)
10.34910/MCE.123.2

4. Сабри М.М., Джехангир Л. А., Рехман Ф. Х. Stabilization of Expansive Soil with Lime and Brick Dust: An Experimental Investigation 10.34910/MCE.124.1, vol. 124. Article No.12401 (год публикации - 2023)
10.34910/MCE.124.1

5. Сабри М.М., Шашкин К.Г. Soil-Structure Interaction: Theoretical Research, In-Situ Observations, and Practical Applications Magazine of Civil Engineering, vol. 120. Article No. 12005 (год публикации - 2023)
10.34910/MCE.120.5

6. Сабри М.М., Джавед М.Ф., Арслан М. Self-Healing Concrete Using Fly Ash, Macro Synthetic Fibres and Recycled Aggregates Строительство уникальных зданий и сооружений, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Российская Федерация, 104 Article No 10405 (год публикации - 2022)
10.4123/CUBS.104.05

7. Оценка параметров сдвиговой прочности для устойчивого использования геоматериалов, полученных из использованных автомобильных шин, в гражданском строительстве Evaluation of shear strength parameters of sustainable utilization of scrap tires derived geo-materials for civil engineering applications Frontiers in Earth Science, 1407596,12, (1-16) (год публикации - 2023)
10.3389/feart.2023.1116169

8. Сравнение эффективности моделей деревьев решений в прогнозировании потенциала ликвефакции гравийных грунтов при землетрясениях на основе динамических испытаний на проникновение. The performance comparison of the decision tree models on the prediction of seismic gravelly soil liquefaction potential based on dynamic penetration test Frontiers in Earth Science, 1105610,11, (1-11) (год публикации - 2023)
10.3389/feart.2023.1105610

9. Снижение теплопроводности и улучшение звукоизоляции легкого бетона. Reduction Thermal Conductivity and Improving Acoustic Insulation of Lightweight Concrete Magazine of Civil Engineering, 12803, 17(4) (год публикации - 2024)
10.34910/МСЕ.128.3

10. КРИТЕРИИ ОГРАНИЧЕНИЯ СЖИМАЕМОЙ ТОЛЩИ НА ОСНОВЕ УПРУГОВЯЗКОПЛАСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГРУНТА И ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ОСАДОК ГРУНТОВОГО МАССИВА В ОДНОМЕРНОМ СЛУЧАЕ Compressible soil thickness and settlement prediction using elastoviscoplastic models: a comprehensive method Magazine of Civil Engineering, 12901,17(5) (год публикации - 2024)
10.34910/MCE.129.1

11. Хан М.А., Хан М.С., Насир Б., Хан А., Сабри М.М.С., Ахмад М., Камар В., Гонсалес-Лескано Р.А. Performance optimization of asphalt pavements using binder film thickness as a criterion in innovative mix design compared to Marshall and Superpave methods Frontiers in Materials , Frontiers in Materials, 2024, том 11, статья 1488310. DOI: 10.3389/fmats.2024.1488310. (год публикации - 2025)
10.3389/fmats.2024.1488310.

12. Изхар Н., Хан М.А., Хан М.С., Хан А., Ахмад М., Сабри М.М., Некурзак М., Альзльфави А. Numerical and experimental evaluation of shear strength and consolidation properties of cohesive soils in high water table areas Frontiers in Earth Science, Frontiers in Earth Science, 2025, том 13, статья 1522488. DOI: 10.3389/feart.2025.1522488 (год публикации - 2025)
10.3389/feart.2025.1522488

13. Оптимизация устойчивости бетона с использованием золы из багассы и каменной пыли и её влияние на механические свойства и долговечность. Optimizing concrete sustainability with bagasse ash and stone dust and its impact on mechanical properties and durability Scientific Reports, Scientific Reports, 2025, том 15, статья № 1385, DOI: 10.1038/s41598-025-85363-x. (год публикации - 2025)
10.1038/s41598-025-85363-x

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Описание выполненных в отчетном периоде работ и полученных научных результатов: В отчетном периоде 2024–2025 гг. научным коллективом выполнен комплекс экспериментальных, теоретических и численных исследований, направленных на развитие методов усиления оснований и гидроизоляции фундаментов зданий и сооружений с использованием самовосстанавливающихся инъекционных материалов на основе микроцемента и суперабсорбентных полимеров (SAP). Работы реализованы в полном соответствии с утверждённым планом-графиком и включали оптимизацию состава инъекционного материала, оценку воспроизводимости его свойств, численное моделирование, разработку методик расчёта приведённых характеристик композита и сравнительный анализ с традиционными технологиями. По итогам исследований достигнуты следующие конкретные научные результаты: 1. Проведён комплекс лабораторных испытаний по оценке воспроизводимости прочностных характеристик самовосстанавливающихся инъекционных материалов с различным содержанием SAP (0%, 2%, 4%, 8%) на основе микроцемента; образцы испытывались на сжатие на 3, 7, 28, 35 и 365 сутки, включая водонасыщенные серии. По результатам: 1.1. Разработан и научно обоснован способ усиления оснований и гидроизоляции фундаментов зданий и сооружений самовосстанавливающимся инъекционными растворами. 1.2. Подтверждена стабильность результатов в повторных сериях, что свидетельствует о стабильности технологического процесса. 1.3. Установлено, что при содержании SAP 4% достигаются наибольшие приросты прочности: +65% (7-е сутки), +97% (28-е), +115% (35-е), +103% (35-е после насыщения водой) и 162% (365-е сутки) по сравнению с контрольной серией. 1.4. Установлено, что при 8% SAP зафиксировано снижение прочности и дестабилизация структуры. 1.5. SEM-анализ выявил вторичное кристаллообразование в зонах микротрещин и подтвердил автогенный самовосстанавливающий эффект. 2. Проведена комплексная статистическая обработка результатов серии лабораторных испытаний цементных и грунтоцементных композитов. По результатам: разброс прочности между сериями — Δμ = 0.3–1.8 МПа (цемент), Δμ = 0.16–1.6 МПа (грунтоцемент); коэффициенты вариации V = 2.8–4.5% (при 4% SAP), до 27.8% (без SAP). ANOVA показал статистически значимые различия (p < 0.0001). Средняя прочность серий: цемент — до 15.45 МПа, грунтоцемент — 17.85 МПа, максимальная на 365 сутки — 20.74 и 23.7 МПа соответственно. 3. Определены и оптимизированные составы самовосстанавливающихся инъекционных материалов и параметры инъектирования грунтовых оснований и гидроизоляции фундаментов зданий и сооружений самовосстанавливающимися инъекционными материалами. Установлено, что: • SAP-добавка в дозировке 4% обеспечивает оптимальный баланс прочности, водостойкости и способности к автогенному самовосстановлению. Определены оптимальные параметры инъектирования: • оптимальное водоцементное отношение составляет W/C = 0,75 (в диапазоне 0,6–1,0), обеспечивая необходимый баланс между текучестью, проникающей способностью и прочностными характеристиками; • дозировка SAP на уровне 4% от массы цемента признана наиболее эффективной. • давление инъектирования в диапазоне 6–8 бар обеспечивает равномерное распределение раствора в поровом пространстве без разрушения грунтовой структуры; • композиция с 4% SAP показала наивысшую воспроизводимость механических характеристик и минимальные отклонения между сериями. 4. Проведено численное моделирование усиленных самовосстанавливающимися инъекционными материалами грунтовых оснований, рассматриваемых в качестве композитной среды. По результатам: 4.1. Разработана и верифицирована расчётная методика, основанная на использовании приведённых характеристик SAP-композита как однородной среды. Численное моделирование в Plaxis 3D показало: • снижение осадки основания с 67,5 мм до 12,9 мм; • увеличение предельного касательного напряжения с τ_max = 183,6 → 267,3 кН/м²; • рост эффективного главного напряжения σ₁′ = 657,9 кН/м²; • Отмечено повышение сцепления до 51 кПа, угла внутреннего трения до 41°, а также приведённого модуля деформации до 40 МПа . 5. Проведено сравнение SAP-модифицированной микроцементации с четырьмя распространёнными технологиями (цементация, микроцементация, струйная цементация, полиуретановые смолы). Предложенный метод продемонстрировал наилучшее соотношение: • прочности, • долговечности, • самовосстанавливающих свойств, • проникающей способности при умеренной стоимости и высокой технологичности. По итогам были предложены рекомендации по использованию разработанных самовосстанавливающихся инъекционных материалов в качестве усиления оснований и гидроизоляции зданий и сооружений. В результате проведенных исследований третьего года выполнения проекта: 1. Опубликованы 3 научных статей [1-3] в журналах Scientific reports and Frontiers, который индексируется в Scopus и имеет рейтинг Q1 по показателю SJR в соответствии с требованиями Российского научного фонда. 3. Завершена и подана в диссертационный совет 72.1.003.01 кандидатская диссертация Нурмухаметова Рената Рустамовича на тему: «Оценка снижения деформативности грунтовых оснований введением вертикальных стеклопластиковых армоэлементов». Работа выполнена по специальности 2.1.2 «Основания и фундаменты, подземные сооружения» на базе результатов проекта № 22–79–10021, в период подготовки 2022–2025 гг. Диссертация подана в совет в установленном порядке. 4. В рамках проекта зарегистрированы следующие результаты интеллектуальной деятельности: • Программа для ЭВМ: «Программа для расчёта физико-механических свойств стеклопластиковых труб», регистрационный номер 2025610555, дата регистрации — 13.01.2025. Автор: Котов Е. В.; правообладатель — СПбПУ. • Программа для ЭВМ: «Программа для расчёта распространения самовосстанавливающегося инъекционного материала в трещинах бетонных конструкций». Подана заявка в установленном порядке. Авторы: Сабри М. М., Котов Е. В.; правообладатель — СПбПУ. Литература: 1. Khan, M.A.; Zhang, B.; Ahmad, M.; Niekurzak, M.; Khan, M.S.; Sabri Sabri, M.M.; Chen, W. Optimizing concrete sustainability with bagasse ash and stone dust and its impact on mechanical properties and durability. Sci. Rep. 2025, 15, 1385, doi:10.1038/s41598-025-85363-x. 2. Izhar, N.; Khan, M.A.; Khan, M.S.; Khan, A.; Ahmad, M.; Sabri Sabri, M.M.; Necurzac, M.; Alzlfawi, A. Numerical and experimental evaluation of shear strength and consolidation properties of cohesive soils in high water table areas. Front. Earth Sci. 2025, 13, doi:10.3389/feart.2025.1522488. 3. Khan, M.A.; Khan, M.S.; Nasir, B.; Khan, A.; Sabri, M.M.S.; Ahmad, M.; Qamar, W.; Gonzalez-Lezcano, R.A. Performance optimization of asphalt pavements using binder film thickness as a criterion in innovative mix design compared to Marshall and Superpave methods. Front. Mater. 2024, 11, doi:10.3389/fmats.2024.1488310.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта обладают высоким потенциалом практического применения в строительной отрасли и смежных секторах. Разработанная технология инъекционного усиления оснований и гидроизоляции фундаментов с использованием самовосстанавливающихся материалов на основе микроцемента и суперабсорбирующих полимеров (SAP) может быть внедрена при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте объектов гражданской, промышленной и транспортной инфраструктуры, в том числе в условиях повышенной влажности, подтопления и многолетнемёрзлых грунтов. Основные направления практического применения. • усиление несущей способности слабых и переувлажнённых грунтов при реконструкции зданий и сооружений без необходимости массового земляного вмешательства; • гидроизоляция фундаментов и подземных частей зданий при наличии фильтрационных потоков; • устранение локальных дефектов основания и снижение осадок без остановки эксплуатации объектов; • защита конструкций на объектах нефтегазовой и транспортной инфраструктуры в сложных инженерно-геологических условиях (в том числе в зоне ММГ); • применение при создании устойчивой городской среды, включая подземные и прифундаментные зоны. • усиление и герметизация оснований и ограждающих конструкций гидротехнических сооружений (дамб, плотин, водопропускных каналов), подверженных фильтрационному разрушению. Экономическая и технологическая значимость. • разработанная технология позволяет существенно снизить издержки на усиление оснований за счёт отказа от дорогостоящих методик (струйная цементация, полиуретановые смолы) при сохранении или превышении эксплуатационных характеристик; • самовосстанавливающиеся свойства композита продлевают срок службы основания и снижают затраты на обслуживание и ремонт; • обеспечивается воспроизводимость характеристик, технологичность и адаптация к существующим строительным материалам (кирпич, бетон, бутовая кладка). Формирование научно-технологического задела. • создана верифицированная инженерная методика расчёта прочностных характеристик SAP-композитов; • разработан программный продукт для моделирования распространения инъекционного состава в трещинах; • подготовлена кандидатская диссертация и опубликованы 14 научных работ, в том числе в журналах Q1 уровня, что создает устойчивую научную платформу для внедрения технологии. Таким образом, проект формирует научно-технический задел в области устойчивого строительства и инженерной защиты, способный обеспечить вклад в технологическую независимость и экономическое развитие Российской Федерации