Инъекционное закрепление песчаных пород неорганическими вяжущими растворами Реферат
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Пермский государственный национальный исследовательский университет Геологический факультет Кафедра инженерной геологии и охраны недр Инъекционное закрепление песчаных пород неорганическими вяжущими растворами Реферат Выполнили студенты III курса Группа ГЛГ-3-2015 НБ Иванова Г.С. ____________ Худорожкова А.И.________ Научный руководитель кандидат г.-м. н., доцент Каченов В.И. ____________ Пермь 2018 Оглавление Введение....................................................................................................................................................... 3 Инъекционное закрепление песчаных грунтов неорганическими вяжущими растворами ................. 4 Инъекционное уплотнение и упрочнение песчаных пород суспензионными растворами .............. 5 Метод силикатизации ............................................................................................................................. 8 Двухрастворная силикатизация песков ............................................................................................. 8 Однорастворная силикатизация песчаных пород ..........................................................................12 Газовая силикатизация......................................................................................................................15 Используемая литература .........................................................................................................................16 2 Введение Многие грунты в своем природном состоянии по своим свойствам не отвечают тем или иным требованиям строительства. Они могут быть недостаточно прочными, неводостойкими, переувлажненными, рыхлыми, трещиноватыми, с большим содержанием органического материала и т.д. В связи с этим в ряде случаем появляется потребность в определенном преобразовании грунтов и придании им тех или иных необходимых для строительства свойств [1]. Существуют два основных пути получения улучшенных грунтов – уплотнение (изменение физическим воздействием) и закрепление (изменение физико-химическими методами) [1]. Как способ производства строительных работ химическое закрепление грунтов в широком смысле слова представляет собой искусственное целенаправленное преобразование строительных свойств естественных грунтов их химической обработкой различными реагентами, основанной на реакциях взаимодействия реагентов между собой или с участием химически активной части грунтов. Такое закрепление грунтов обеспечивает необратимость и долговечность приобретенных ими свойств. В зависимости от технологии химической обработки грунтов химическое закрепление имеет два направления: инъекционное химическое закрепление, когда реагенты в виде растворов или газов вводятся в грунты в условиях их естественного залегания и без нарушения их структуры, нагнетанием под давление; буросмесительное закрепление грунтов, когда оно осуществляется с нарушением их естественной структуры механическим перемешиванием грунтов с цементами или другими реагентами и добавками, с применением специальных механизмов. Целью данной работы является изучение такого метода мелиорации грунтов, как инъекционное закрепление песчаных пород неорганическими вяжущими растворами. В работе рассмотрены: инъекционное уплотнение и упрочнение суспензионными растворами, двух- и однорастворная силикатизация и газовая силикатизация песчаных пород. 3 Инъекционное закрепление песчаных грунтов неорганическими вяжущими растворами Закрепление – изменение грунтов физико-механическими методами. Под грунтами, изменёнными физико-химическими методами, понимают природные грунты, в которых техногенное воздействие изменяет их вещественный состав, структуру и текстуру. При закреплении увеличивается прочность грунтов. Это достигается повышением прочности контактов между отдельными частицами грунта или грунтовыми агрегатами путём склеивания частиц различными химическими веществами (силикатизация, цементация и др.), спекания частиц друг с другом (при обжиге грунтов, применении сверхвысоких частот), путём создания ледовых контактов (замораживание грунтов), путём армирования грунтового массива (применение различных типов анкеров, геотекстильных и нетканых синтетических материалов) и т.д.[1]. С химической точки зрения в основе инъекционного закрепления грунтов лежит явление конденсации неорганических и органических полимеров (крепителей) при их взаимодействии с коагулянтами (отвердителями) и заключающееся в отверждении полимеров в порах и трещинах грунтов, чем обеспечиваются положительные изменения физико-механических свойств закрепляемых грунтов[3]. С технологической точки зрения инъекционное химзакрепление заключается в нагнетании под давлением в поры грунтов в их естественном залегании отверждающихся и закрепляющих грунты различных химических реагентов в виде двух отдельно нагнетаемых растворов (двухрастворный способ), одного раствора (однорастворный однокомпонентный способ), одного раствора и газа (двухкомпонентные газовые способы), гелеобразующих смесей из двух компонентов (однорастворные двухкомпонентные способы). Нагнетание закрепляющих реагентов в грунты осуществляется насосами, сжатым воздухом из специальных пневмобаков или из газовых баллонов, преимущественно по технологии с вертикальным и наклонным заглублением сверху вниз инъекторов или инъекционных скважин с открытой поверхности земли, с отмосток или из внутренних помещений (условно-вертикальная технология). Если выполнение инъекционных работ при закреплении грунтов под существующими зданиями и сооружениями по технологии с вертикальным заглублением сверху вниз инъекторов и скважин в силу стесненных условий или по иным причинам невозможно, то инъекционные работы производятся по технологии с горизонтальным заглублением инъекторов и скважин из специально пройденных и оборудованных технологических выработок (траншей, штолен, колодцев)[3]. 4 Инъекционное уплотнение и упрочнение песчаных пород суспензионными растворами Суспензионные растворы применяются как для повышения прочности и несущей способности песчаных пород, так и для их тампонирования (уплотнения). Для повышения прочности песчаных пород используют суспензии портландцемента (проводят цементацию песчаных пород). Уплотнение достигается инъецированием глинистых растворов (глинизация песчаных пород). Цементация песка ведет не только к повышению его несущей способности, но и к резкому снижению проницаемости (в 50-500 раз в приинъекционной части и в 20-50 раз в периферийной части закрепленного массива). Процесс цементации заключается в нагнетании под давлением через пробуренные скважины цементных растворов (отношение цемента к воде от 1:1 до 1:10), которые заполняют трещины, пустоты и поры в грунтовом массиве, что приводит к ликвидации или резкому сокращению водопритока. Для приготовления цементационных растворов применяют растворосмесители, а нагнетание производят цементными растворонасосами. Применяют также передвижные (смонтированные на автомобилях) цементационные установки, оборудованные смесительными баками, гидравлическими цементомешалками, водяными и цементационными насосами. Цементацию можно вести нисходящими заходками, когда бурение и нагнетание производят последовательно участками сверху вниз, и восходящими заходками, когда скважины бурят сразу на полную глубину, а раствор нагнетают с одновременным подъемом инъектора. Очередность нагнетания раствора в скважины устанавливается проектом в зависимости от характера трещиноватости и водоносности пород. Цементацию заканчивают, когда удельное водопоглощение пород не превышает 0,05 л/мин на 1 м длины скважин. Глубина цементационных скважин зависит от размеров зоны цементации. Скважины бурят и породы цементируют в несколько приемов (зонами), в пределах 1015 м. После окончания цементации (через 1-3 сут.) цементную пробку разбуривают и скважину углубляют для подготовки к цементации следующего участка. Существенной проблемой, связанной с применением суспензионных растворов, является сложность установления надежных критериев оценки проникаемости суспензии в поровое пространство пород. Очевидно, размер частиц цемента должен быть намного меньше размера пор. Однако дело осложняется тем, что при движении цемента по проводящим каналам порового пространства возможно образование различных сводов и мостиков из частиц. Кроме того, цементные растворы – нестабильные суспензии, в ходе движения в поровом пространстве породы происходит оседание твердых частиц, закупорка пор и прекращение дальнейшего распространения раствора вдоль радиуса инъекции. В связи с этим определение предельного соотношения между размером твердой фазы суспензии и размерами пор закрепляемой породы может быть определено только экспериментальным путем. Многие специалисты считают возможным применение цементных суспензий только для обработки гравийных и гравийно-галечных отложений. Песок, пригодный для цементации должен иметь Кф не менее 100 м/сут, при этом размер частиц больше 0,9 мм, а 5 размер пор более 0,1 мм (гравелистые и крупнозернистые пески с низким содержанием мелкой фракции). В практике инъекционных работ в качестве критерия, характеризующего применимость метода цементации для закрепления песчаных пород, часто используется отношение: 𝑑15 М= 𝐷85 Где 𝑑15 - размер частиц песка, мельче которых в его составе содержится 15% по весу; 𝐷85 – размер частиц цемента, мельче которых в его составе содержится 85% по весу. По данным экспериментальных исследований проникновение суспензии в песчаную породу возможно, если значение М≥8-10. Значение М=10 означает, что при использовании обычного заводского цемента с 𝐷85 =60-80 мкм, может быть успешным для тампонирования песков с 𝑑15 = 0,6 − 0,8 мм, т. е. крупнозернистых песков. Однако существуют методы, способные увеличить проникающую способность суспензионных растворов. Один из способов – введение поверхностно активных веществ (ПАВ). Все виды органических поверхностно-активных добавок в зависимости от их влияния на поверхностные свойства цементов разделяют на две основные группы: повышающие смачиваемость цементного порошка водой — гидрофильные, и понижающие ее — гидрофобные. В соответствии с этим портландцементы с гидрофильными добавками называют пластифицированными, а с гидрофобными добавками — гидрофобными. Изготовляют также пластифицированно-гидрофобные цементы. Введение в пористую сухую среду ПАВ гидрофильного типа (сульфитно-спиртовая барда - ССБ) вызывает пептизацию цементных частиц, вследствие чего повышается стабильность суспензии и улучшается ее проникающая способность. Добавка с суспензию ПАВ гидрофобного типа (нейтрализованный древесный лак, мылонафт) вызывает коагуляцию цементных частиц. Однако при достаточном размере пор песчаного грунта коагуляция не сказывается на ускорении кольматажа грунта. Другим методом, увеличивающим проникаемость цементных суспензий, является повышение степени дисперсности цементного порошка в результате вибродомола. Установлено, что после 5-минутной обработки 𝐷85 с 0,055 мкм уменьшается до 0,039 мкм и до 0,032 при 7-минутной обработке. Кроме вибродомола для увеличения дисперсности твердой фазы цемента и, соответственно, проникаемости раствора используют ультразвуковую обработку цементных суспензий. Инъекционный раствор в ходе его движения в поровом пространстве закрепляемого песчаного грунта находится под определенным градиентом давления. В условиях пористой среды приложение давления к цементной суспензии приводит к водоотдаче. Раствор становится более вязким и проникаемость его резко падает. Снижение водоотдачи может быть достигнуто путем добавок к цементной суспензии глин высокой степени дисперсности. Наибольший эффект здесь наблюдается при использовании бентонитовых глин. Соотношение цемента и глины в глиноцементном растворе может быть различным (от 1:1 до 1:4). Величина этого соотношения определяется необходимой конечной прочностью закрепления породы и свойствами глины. В случае использования 6 высокодисперсных бентитовых глин добавка, как правило, не превышает 5%. Однако, следует иметь в виду, что добавка глин приводит к резкому падению прочности закрепления, что переводит такие суспензии из разряда повышающих несущую способность грунта в разряд тампонажных растворов. В ряде случаев, несмотря на снижение, прочность закрепления может быть вполне достаточной для устойчивости сооружения. В таком случае глиноцементный раствор можно отнести к классу цементных растворов. Инъекция менее проницаемых пород возможна только глинистыми суспензиями. Основные требования к глинистым суспензиям при тампонировании песчаных разностей плохой проницаемости следующие: 1) Максимальная степень дисперсности, 2) Стабильность и малая величина водоотдачи, 3) Суффозионная устойчивость в порах тампонируемой породы. Хорошей проникающей способностью обладают суспензии, приготовленные на бентонитовых глинах. Бентонит широко применяется в практике инъекционных работ, однако удаленность месторождений бентонита от объектов и ограниченная добыча этого материала определяют высокую стоимость и необходимость использования местных более дешевых глин. Применение местных глин, как правило, связано с необходимостью повышения степени их дисперсности введением ПАВ, обработкой на гидроциклонах (аппарат для разделения в жидкой среде зернистых материалов, различающихся плотностью или крупностью составляющих частиц), ультразвуковым воздействием. Эффективность тампонирования песчаных пород суспензионными растворами в значительной мере обуславливается устойчивостью инъекционного материала под воздействием фильтрационного потока. В глиноцементных суспензиях такая устойчивость обеспечивается связывающим действием цемента. Глинистые суспензии, приготовленные на бентитовых глинах, также достаточно устойчивы в отношении суффозионного выноса, благодаря тиксотропным свойствам бентитовых глин. Устойчивость суспензий на местной глине может быть достигнута путем добавки к глине силикатного раствора. 7 Метод силикатизации Использование щелочных силикатов для закрепления трещиноватых скальных пород началось в конце XIX в. С этого времени силикатные растворы получили широкое распространение в практике горнопроходческих работ, при строительстве гидротехнических сооружений, в гражданском и промышленном строительстве. В зависимости от конечного результата гелеобразующие растворы на основе силиката натрия могут быть тампонажными (обеспечивающими водонепроницаемость пород) или вяжущими (цементирующими), которые наряду с понижением водопроницаемости обусловливают значительное повышение прочности закрепляемых работ. К числу вяжущих относится двухрастворный способ силикатизации, силикатнокремне-фтористоводородная рецептура и газовая силикатизация. В качестве тампонажных наиболее часто используются щелочные силикатные растворы с добавками бикарбоната натрия, одной фосфорной кислоты или в сочетании с однозамещенным фосфорнокислым натрием (NaH2PO4), серной или щавелевой кислотами в сочетании с алюминием сернокислым и др. Реже в практике глубинного закрепления используются кислые силикатные растворы, получающиеся на основе щавелевой и фосфорной кислот с добавками силиката натрия. Во всех случаях конечным продуктом реакций и основным цементирующим веществом является гель кремневой кислоты [4]. Двухрастворная силикатизация песков Двухрастворный способ силикатизации впервые предложен И. Езерским в 1867 г. (Германия). Сущность способа состояла в нагнетании под давлением через полые трубки растворов калиевого или натриевого жидкого стекла, а затем раствором солей щелочноземельных металлов, например BaCl2, CaCl2, MgCl2, Ba(NO3)2, Ca(NO3)2 и Mg(NO3)2. Способ был применен при создании фундаментов – опор мостов и укреплений стенок шахт в водонасыщенных породах. Перед инъекцией закрепляющих растворов он рекомендовал пропускать через трубы-инъекторы сжатый воздух для оттеснения воды из породы. Основная идея двухрастворного способа заключается в нагнетании в породу двух различных химических веществ, которые, вступая между собой в реакцию, дают нерастворимый осадок, заполняющий трещины и пустоты, и производят таким образом укрепление и уплотнение пород. Исследования под руководством профессора Б.А. Ржаницына позволили к 1931 году установить химическую сущность способа двухрастворной силикатизации, определить основные химические реагенты и разработать технологию способа, определяющую надежное закрепление пород. Двухрастворный способ силикатизации основан на использовании раствора силиката натрия и растворов солей двух- и трехвалентных металлов, из которых наиболее экономичен и доступен хлористый кальций. Быстрота протекающих реакций взаимодействия между силикатом натрия и хлористым кальцием обусловливает возможность закрепления пород при наличии подземных вод с большой скоростью движения. Основная реакция взаимодействия между раствором силиката натрия и хлористым кальцием происходит по схеме: 8 Na2OnSiO2 + CaCl2 + mH2O → nSiO2(m-1)H2O + Ca(OH)2 + 2NaCl. На контакте растворов жидкого стекла и хлористого кальция вследствие коагуляции образуется плёнка кремневой кислоты, через которую в раствор хлористого кальция диффундирует щелочь. Обеднённое щелочью жидкое стекло постепенно желатинизируется и переходит в гидрогель кремневой кислоты. Щелочь взаимодействует с хлористым кальцием, при этом образуются гидроокись кальция и хлористый натрий. Насыщение раствора хлористого кальция гидроокисью приводит в последующий период к выпадению твердой фазы Ca(OH)2. Со временем гидроокись кальция вступает во взаимодействие с кремневой кислотой и медленно образуется силикат кальция. Эта реакция протекает очень медленно, в течение многих месяцев. Прочность закрепления зависит от: состава и свойств жидкого стекла; состава породы и степени ее увлажнения; концентрации раствора жидкого стекла: чем больше разведение стекла, тем ниже прочность. При закреплении водонасыщенных песков концентрация рабочих растворов силиката натрия должна быть максимальной. Однако применение высоконцентрированных растворов силиката натрия с плотностью более 1,44 г/см3 затруднено в связи с резким возрастанием вязкости, которая достигает 9,5 – 10,0 П, что обсуловливает резкое уменьшение проницаемости растворов в породу и сокращение радиуса закрепления; времени - основное нарастание прочности (70-80%) наблюдается в первые 10 суток, остальные 20-30% прочности добавляются постепенно в течение трех месяцев; дисперсности песчаных пород - чем выше дисперсность песчаных пород и суммарная поверхность частиц, тем выше прочность закрепления (таблица 1); Таблица 1. Влияние размера песчаных частиц на прочность закрепления (по Б. А. Ржаницыну) Размер частиц, мм Средний размер, мм 2,1 1-0,5 0,5-0,25 0,5-0,25 (41%) 0,25-0,05 (59%) 1,50 0,75 0,35 32,3 33,5 34,0 26,80 53,20 112,86 Толщина пленки цемента, мкм 15 7,4 3,6 0,37 35,0 199,60 2,0 Суммарная Пористость, поверхность, % см2/см3 Отношение Прочность суммарной закрепления, поверхности МПа к прочности 2,70 9,0 4,80 11,0 5,00 22,5 6,30 31,0 0,15 примесей глинистых частиц. С одной стороны, высокая физико-химическая активность глинистых фракций обсуловливает повышенные результаты по прочности закрепления (таблица 2), с другой – присутствие глинистых фракций снижает проницаемость пород и радиус закрепления. 9 Таблица 2. Влияние добавок глинистых частиц на прочность песка, закрепленного способом двухрастворной силикатизации (по Б. А. Ржаницыну) Состав образцов Песок Песок с 5%-ной добавкой глины Песок с 10%ной добавкой глины Песок с 20%ной добавкой глины Прочность через 1 через сут 12 сут 5,40 4,85 Пористость, % Плотность, г/см3 Гигроскопическая влажность, % 34,32 2,66 0,1 31,91 2,65 0,27 5,50 3,73 29,48 2,65 0,47 7,28 7,60 27,43 2,66 0,81 7,30 8,00 Технологически двухрастворный способ осуществляется путем последовательного нагнетания растворов силиката натрия с плотностью 1,35-1,44 г/см3 и хлористого кальция с плотностью 1,26-1,36 г/см3 через систему инъекторов, забитых в грунт (рисунок 1). Соединения, образовавшиеся в результате химических и физико-химических реакций, цементируют рыхлые песчаные породы, придают закрепляемым породам прочность и обеспечивают водонепроницаемость. Рисунок 1. Силикатизация грунтов. Схема установки для силикатизации грунтов (Большой энциклопедический политехнический словарь, 2004): 1 - цистерна с крепителем; 2 - цистерна с кислотой; 3 - насосы; 4 - смеситель; 5 - пульт управления; 6 - отбойный молоток для погружения ивъекторов 7 в грунт; 8 - контур закрепления Границы применимости двухрастворного способа установлены для песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации не менее 2 и не более 80 м/сут. Верхний предел применимости ограничивается песчано-гравелистыми породами, для закрепления которых уже возможно применять цементацию. Недостатками двухрастворного способа являются, во-первых, некоторая неоднородность и небольшой радиус закрепления в породах с небольшими коэффициентами фильтрации и, во-вторых, относительная сложность его технологической схемы. Неоднородность закрепления обусловлена неравномерностью смешения растворов в закрепляемой породе, так как при последовательной инъекции двух растворов происходит оттеснение в сторону от инъектора предварительно введенного силиката натрия и закрепление осуществляется на контакте двух растворов. Эти 10 особенности определяют фактическую неприменимость способа для грунтов с коэффициентом фильтрации менее 5-6 м/сут. Таким образом, за пределами применимости двухрастворного способа остается группа мелкозернистых и пылеватых песков и супесей. Закрепление крупных песков производится обычно двухрастворным способом силикатизации: последовательное нагнетание в грунт раствора силиката натрия и раствора хлористого кальция. Закрепление мелких и пылеватых песков осуществляется однорастворным способом: нагнетание в грунт раствора жидкого стекла с отвердителем (коагулянтом). В качестве последних в разное время использовались как кислоты (HCl, H2SO4, H3PO4), так и соли (Na2CO3, NaHCO3, NaH2PO4) в чистом виде или в смеси с кислотами; наиболее часто применяемые в настоящее время — H2SiF6, NaAlO2 и др. Закрепление крупных и средних песков возможно осуществить газовой силикатизацией[4]. 11 Однорастворная силикатизация песчаных пород Недостатки и ограничения двухрастворной силикатизации обусловили разработку более прогрессивных методов глубинного укрепления песчаных пород. К числу способ, более полно отвечающих требованиям современного строительства, относится однорастворная силикатизация. Этот способ основан на нагнетании в закрепляемую породу раствора силиката натрия с введением в него добавок химических реагентов, вызывающих через заданные сроки отверждение силиката натрия в форме устойчивого геля кремневой кислоты. Впервые однорастворная рецептура была разработана в 1937 году во Франции и использована для закрепления откосов каналов. Гелеобразующий раствор состоял из силиката натрия, соляной кислоты и сульфата меди. В СССР однорастворная силикатизация была предложена в 1939 году В. Е. Соколовичем в связи с проблемой закрепления слабофильтрующих прослоев и линз доломитовой муки с коэффициентом фильтрации, примерно равным 2 м/сут в скальном основании одной из плотин. Сущность способа состояла в замедленном гелеобразовании силиката натрия при введении в него насыщенного раствора бикарбоната натрия. Однорастворная силикатизация получила дальнейшее развитие. В качестве коагулирующих добавок используется сернокислый алюминий и алюминат натрия в сочетании с бикарбонатом натрия. Сернокислая соль алюминия при растворении гидролизуется: Al2(SO4)3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H 2SO4. При введении растворов сернокислого алюминия в жидкое стекло происходит замедленная коагуляция последнего. Изменение объемного соотношения между растворами жидкого стекла и сернокислого алюминия дает возможность регулировать время гелеобразования жидкого стекла. Для всех алюмосиликатных гелей независимо от их состава характерно снижение прочности в период от 1 до 28 суток, после чего она становится стабильной. Пески, укрепленные рассматриваемым гелем, практически водонепроницаемы. Фильтрация возможна лишь при больших градиентах. Свойства алюмосиликатных растворов и гелей позволили рекомендовать их для закрепления мелких песков, с коэффициентом фильтрации от 0,3 до 0,5 м/сут[4]. По тампонажным качествам силикатноалюмосерно-кислый раствор не уступает силикатно-фосфорнокислому, но в состав его входят дешевые и недефицитные реактивы: серная кислота и сернокислый алюминий, что в 3—4 раза уменьшает стоимость материалов[2]. В 1939-1941 гг. исследования по разработке однорастворного способа силикатизации были направлены на подбор химических реагентов, определяющих замедленную коагуляцию жидкого стекла и образование устойчивых гелей кремневой кислоты. Результатом исследований явился ряд щелочных рецептур на основе силиката натрия с добавкой фосфорной кислоты в сочетании с однозамещенным фосфорнокислым натрием или раствором одной этой соли без кислоты. Фосфорнокислая рецептура применима для песков, с коэффициентом фильтрации менее 2 м/сут. Время гелеобразования при температуре 20º изменяется в пределах от 2,5-4 до 6 часов. 12 Прочность закрепления в водонасыщенном состоянии достигает 0,25-0,5 МПа[4]. Широкого применения в строительной практике из-за дефицитности фосфорной кислоты рецептура не получила[2]. В шестидесятые годы была предложена рецептура на основе силиката натрия, позволившая получить прочность закрепления 1,0-4,0 МПа. Это было достигнуто применением эффективного отвердителя – кремнефтористоводородной кислоты. Взаимодействие силиката натрия протекает в две стадии: 1. Na2SiO3 + H2SiF6 + H2O = H2SiF6 + H4SiO4 2. Na2SiF6 + 2Na2SiO3 + 6H2O = 6NaF + 3H4SiO4 Время гелеобразования кремнефтористосиликатной рецептуры зависит от концентрации раствора силиката натрия, количества добавленной кремнефтористоводородной кислоты и от температуры растворов. Чем выше плотность раствора силиката натрия, тем больше время гелеобразования золей. Повышение температуры, сопровождающееся усилением броуновского движения, приводит к сокращению времени гелеобразования. Прочность кремнефтористосиликатных гелей достигает значительных величин и зависит от концентрации реагирующих растворов. Чем выше концентрация раствора силиката натрия и больше объем добавляемой кремнефтористоводородной кислоты, тем выше прочность гелей. Оптимальны соотношения между раствором силиката натрия с плотностью 1,19 г/см3 и кислотой 100:20. Прочность песков, закрепленных гелем на основе силиката натрия плотностью 1,27 г/см , изменяется от 0,6 до 3,2 МПа и зависит от состава и свойств песков. На прочность закрепления и особенно водостойкость песков влияет наличие карбонатов. Потеря прочности при водонасыщении закрепленных грунтов более значительна для некарбонатных пород. При закреплении карбонатных песков силиказолями в результате взаимодействия карбонатов кальция с гидроокисью натрия образуется некоторое количество гидроокиси кальция. Выпадающий тонкодисперсный осадок гидроокиси кальция адсорбирует кремневую кислоту. При этом выпадают продукты реакции типа гидросиликатов кальция. Опытно-производственная проверка по закреплению песков показала, что данный метод имеет ряд преимуществ по сравнению с ранее известными способами однорастворной силикатизации. Главный из них – высокая прочность закрепленного грунта. 3 Тем не менее кремнефтористосиликатная рецептура имеет некоторые недостатки: небольшое время гелеобразования при температурах +15-20ºС (20-35 минут) небольшой радиус закрепления пород с коэффициентом фильтрации менее 5-6 м/сут Первый недостаток устраняется путем увеличения времени гелеобразования предварительным охлаждением реагентов, составляющих кремнефтористосиликатные золи, до температуры +3-8ºС. Это позволяет увеличить время гелеобразования до 2-3 ч. Второй недостаток обусловлен особенностями кремнефтористосиликатных золей. 13 Ускоренная полимеризация кремневой кислоты в присутствии фтористых соединений вызывает быстрый рост частиц-зародышей кремневой кислоты. Отфильтровывание этих частиц из силиказоля в тонких песках исключает полимеризацию профильтровавшегося через грунт силиказоля. Акрилсиликатная рецептура основана на отверждении разбавленных растворов силиката растворами акриловой кислоты 5-, 10- и 20%-ной концентрации. Гели лучшего качества получаются при использовании 10- и 20%-ных растворов акриловой кислоты и раствора силиката натрия плотностью 1,135 г/см3. Время гелеобразования при температуре +18-19ºС составляет 60-70 минут. Переход акрилсиликатных растворов в гель происходит с любом диапазоне положительных температур. Прочность акрилсиликатных гелей (объемное соотношение 10:14,3) через 1 сутки 9,0-11,0 кПа. Гели обладают заметной эластичностью. Прочность гелей сохраняется при длительном хранении в воде. Это обусловлено высокой полимеризацией кремневой кислоты. Длительные испытания глауконитового и кварцевого песков, закрепленных акрилсиликатным гелем, показали, что они водонепроницаемы в пределах значений градиента напора 4-150. Слюдистый глинистый песок водонепроницаем при градиентах напора до 45. Прочность закрепленных песков колеблется от 0,15 до 0,4 МПа. Кислый состав акрилсиликатных растворов до известной степени ограничивает их применение в основном для бескарбонатных разновидностей пород. Это обусловлено их реактивностью по отношению к карбонатам. При взаимодействии акрилсиликатных растворов с карбонатами время гелеобразования сокращается за счет образующегося СО2. Карбонаты увеличивают и прочность гелей за счет образования акрилатов кальция. Однако выделение газообразной фазы будет оказывать противодавление нагнетаемому раствору. Щавелевоалюмосиликатная рецептура основана на применении в качестве отвердителя комплексного раствора щавелевой кислоты (C2H2O4·2H2O) и сернокислого алюминия (Al2(SO4)3·18H2O). Раствор щавелевой кислоты сам по себе вызывает при определенных соотношениях замедленное гелеобразование силиката натрия. Силиказоли, получаемые в щелочном диапазоне рН, плохо регулируются и весьма чувствительны к разведению. Растворы сернокислого алюминия 2,4-3%-ной концентрации вызывают немедленную коагуляцию растворов силиката натрия. Это обусловлено гидролизом сернокислого алюминия в щелочной среде и коагулирующим действием Al3+. В комплексном отвердителе щавелевая кислота регулирует рН, замедляет гидролиз сернокислого алюминия и, таким образом, предотвращает преждевременное разложение его в щелочном растворе силиката. Щавелевоалюмосиликатная рецептура может быть использована для закрепления песчаных пород различного минералогического состава и с разным содержанием карбонатов. Закрепление песчаных пород щавелевоалюмосиликатным гелем позволяет достаточно существенно понизить их водопроницаемость. 14 Газовая силикатизация 15 Используемая литература 1. Инженерная геология: Учеб. для строит спец. вузов /. В.П. Ананьев, А.Д. Потапов.— 3-е изд., перераб. и испр.— М.: Высш. шк., 2005.— 575 с.: ил. 2. Справочник строителя / Аханов В.С., Ткаченко Г.А. — 5-е изд., доп. и перераб. — Ростов н/Д: Феникс, 2004. — 480 с. 3. Пособие по химическому закреплению грунтов инъекцией в промышленном и гражданском строительстве (к СНиП 3.02.01-83) 4. Техническая мелиорация пород. Под ред. С.Д. Воронкевича. – М. Изд-во МГУ, 1981. – 342 с.: ил. 16
