книги из ГПНТБ / Воронкевич, С. Д. Газовая силикатизация песчаных пород

гидроокиси кальция в растворе хлористого кальция проис­ ходит выпадение С а (О Н )2 в виде твердой фазы. Со временем гидроокись кальция вступает во взаимодействие с кремниевой кислотой и образует силикат кальция. Эта реакция протекает

действия новые соединения придают закрепляемым породам достаточно высокую прочность и водонепроницаемость. Проч­ ность закрепления зависит как от состава и свойств жидкого стекла, так и от состава пород и степени их увлажненности. Установлено, например, что чистый метасиликагель с сили­ катным модулем', равным единице, дает низкие прочности и поэтому не пригоден для закрепления грунтов. Максимальная прочность закрепления достигается при применении силиката натрия с модулем 2,75—3,0. Прочность закрепления зависит также и от концентрации жидкого стекла: чем больше разведение стекла, тем ниже прочность.

Однако сильное увеличение концентрации жидкого стекла лимитируется вязкостью силиката натрия, при концентрации

2 Концентрация растворов силиката натрия до недавнего времени вы­ ражалась преимущественно в градусах Боме (°Ве). При производстве работ по силикатизации грунтов концентрацию удобнее устанавливать и контролировать с помощью ареометров (денсиметров) по удельному весу. В связи с этим в большинстве современных инструкций и в материалах исследований характеристика растворов производится по удельному весу. Перевод удельного веса в градусы Боме производится по формуле:

145

Р = 145 —

где Р — число градусов Боме; у — удельный вес раствора силиката натрия.

Удельный вес дает представление только о плотности раствора. Уста­ навливать содержание твердого вещества по удельному весу нельзя в свя­ зи с большой изменчивостью состава жидкого стекла и его силикатного модуля.

31

Для установления зависимости прочности закрепления по двухрастворной схеме от дисперсности песчаных пород были проведены опыты с различными фракциями кварцевого песка (Ржаницын, 1949). Результаты этих опытов позволили соста­ вить эмпирическую зависимость вида

ac;K= 0,15SMc^ V

где осж — прочность на одноосное сжатие, кг/см2; S — содер­

Недостатком этой зависимости является отсутствие учета качества поверхности песчаных зерен. Можно только предпо­ ложить, что коэффициент 0,15 в какой-то степени отражает влияние состава и рельефа поверхности частиц.

Прочность обработанных песков зависит также и от вре­ мени твердения. В данном методе основное нарастание проч­ ности (70—80%) наблюдается в первые 10 суток, остальные 20—30% добавляются постепенно в течение трех месяцев.

Разработка двухрастворного способа закрепления песча­ ных грунтов явилась важным этапом в истории развития глубинных методов закрепления пород. Способ не потерял своего значения и до настоящего времени.

Недостатками этого способа являются, во-первых, извест­ ная неоднородность п небольшой радиус закрепления в по­ родах с небольшими коэффициентами фильтрации и, во-вто­ рых, относительная сложность его технологической схемы. Неоднородность закрепления обусловлена невозможностью равномерного смешения растворов в закрепленном грунте, так как при последовательной инъекции двух растворов про­ исходит оттеснение в сторону от инъектора предварительно введенного силиката натрия и закрепление осуществляется на контакте двух растворов. Ограничением способа является также неприменимость его для грунтов с Кф<5—6 м/сут. Таким образом, за пределами возможности двухрастворного способа остается большая группа мелкозернистых, пылеватых песков и супесей.

Недостатки и ограничения способа потребовали от иссле­ дователей изыскания и разработки более прогрессивных ме­ тодов глубинного укрепления песчаных грунтов. К числу способов, более полно отвечающих современным требованиям строительства, относится однорастворный способ силикатиза­ ции, основанный на нагнетании в закрепленный грунт раство­ ра силиката натрия с введенными в него добавками химиче­ ских реагентов, которые через заданные сроки вызывают отверждение силиката натрия в форме устойчивого геля кремневой кислоты, цементирующей грунты. Последний при­ дает закрепляемому грунту водоустойчивость, водонепрони­ цаемость и прочность.

.32

Впервые однорастворная рецептура была разработана и использована для закрепления откосов каналов французской лабораторией строительства и общественных работ в 1937 г. Гелеобразующий раствор состоял из силиката натрия, соля­ ной кислоты и сульфата меди. На базе основной рецептуры был также получен глино-силикатный тампонажный раствор удовлетворительного качества.

никшей при закреплении слабофильтрующих прослоев и линз доломитовой муки с Кф около 2 м/сут в скальном основании одной из плотин.

Сущность способа состояла в замедленном гелеобразованин силиката натрия при введении в него насыщенного рас­ твора бикарбоната натрия. Закрепленная этим способом доломитовая мука наряду с водоустойчивостью, водопрони­ цаемостью имела прочность на сжатие порядка 1,5—2 кг/см2.

Однораствориая силикатизация получила дальнейшее раз­ витие в исследованиях Г. К. Добрынина (1941). В качестве коагулирующих добавок им использовались сернокислый алюминий и алюминат натрия с последующим введением би­ карбоната натрия.

Сернокислая соль алюминия (A12(S 0 4)3- 18 Н 20) при рас­ творении гидролизуется согласно уравнению:

А1а (S04) 3 + 6Н20 = 2А1 (ОН) 3 + 3H2S 0 4.

При введении растворов сернокислого алюминия в жидкое стекло происходит замедленная коагуляция последнего. Из­ менение объемного соотношения между растворами жидкого стекла и сернокислого алюминия давало возможность регу­ лировать время гелеобразования жидкого стекла (табл. 9).

При нагнетании растворов жидкого стекла с добавкой сернокислого алюминия возникало осложнение вследствие выделения гидроокиси алюминия, препятствующей проникно­ вению силиказоля в грунт. Прочность закрепления доломи­ товой муки этим способом не превышала 1,0— 1,5 кг/см2.

Алюминатная рецептура Г. К. Добрынина и С. М . Оршан­ ской состояла в получении некоагулирующей смеси введением в раствор жидкого стекла (48°Ве) раствора алюмината натрия до концентрации смеси, равной 40°Ве. Некоагулирую­ щая смесь растворов смешивалась с насыщенным раствором бикарбоната натрия в объемном соотношении 4 : 5; 4 :Д

Насыщенный раствор бикарбоната натрия вызывал: замед­ ленную коагуляцию смеси через определенные промежутки времени (3—4 час). Прочность закрепления доломитовой муки не превышала 1,5—2 кг/см2. Закрепление грунтов, по Г. К. Добрынину, обусловлено образованием алюмосиликатов типа алюмокремневых гидратов каолинового строения. Сложная технология получения гелеобразующего раствора и низкая прочность геля практически исключили применение данной рецептуры в промышленном масштабе.

Немецкий исследователь Нейман (Neumann, 1956) пред­ ложил использовать алюминат натрия (NaA102) в качестве отвердителя силиката натрия. Это нестойкое соединение при растворении и разведении водой разлагается с образованием кислоты и основания:

N a A lO ^ NaOH | - НА102.

Стабильность растворов алюмината натрия достигается повышением каустического модуля

При недостаточно высоком каустическом модуле гидролити­ ческое разложение алюмината натрия в водных растворах может привести к образованию гидроокиси алюминия. При­ бавление в определенном соотношении к растворам силиката натрия растворов невысокой концентрации алюмината нат­ рия с каустическим модулем 1,5— 1,7 вызывает образование геля по всему объему раствора. В соответствии с представле­ ниями В. Е. Соколовича (1965) разложение алюмината нат­ рия в силикатном растворе обусловливает адсорбцию поли­ анионов кремниевой кислоты на поверхности гидроокиси алю­ миния, что приводит к образованию трехмерной сетки поли­ конденсата с захватом жидкой фазы.

Проектом по созданию противофильтрациониой завесы высотной Асуанской плотины предусматривалось использо­

исследования по подбору алюмосиликатного гелеобразующе­ го раствора. Оптимальная рецептура была получена при

34

•крепления понижается с Кф 16,7 до 0,380—0,020 м/сут. Ра­ диус закрепления составляет 1— 2 м.

В послевоенное время (с 1948 г.) исследования по одно­ растворной силикатизации были возобновлены. В. В. Аскалоновым, Б. А. Ржаницыным, Г. Б. Вайсфельд и Е. С. Чаликовой было разработано около 15 рецептур щелочных и кислых силиказолей. Область pH, при которых кислые силиказоли переходят в гели, лежит в пределах от 3,5 до 7, ин­ тервал перехода щелочных золей колеблется от 9,5 до 11,7. Время гелеобразования силиказолей поддается хорошей ре­ гулировке и может изменяться от 30 мин до нескольких часов.

В инструкцию по силикатизации грунтов (Ржаницын и Аскалонов, 1960) наряду с двухрастворным способом вошли две рецептуры однорастворной силикатизации. Одна из ре­ цептур представляет собой гелеобразующий раствор на осно­

лоты). Вязкость таких силиказолей не превышает 1,5—4,5 спз и позволяет нагнетать их в породы с Кф до 0,5 м/сут. Проч­ ность закрепления, как подсказал производственный опыт их

применением эффективного отвердителя — кремнефтористо­ водородной кислоты (H2SiF6), являющейся дешевым побоч­ ным продуктом суперфосфатного производства. Рецептура однорастворной силикатизации с применением кремнефто­ ристоводородной кислоты, по данным лаборатории закрепле­ ния грунтов Н И И О П Са, пригодна для закрепления песчаных пород АСф>0,3 м/сут.

Комплексное строение молекулы кремнефтористоводород­ ной кислоты, высокая потенциальная кислотность, проявляю­ щаяся при замедленном гидролизе в щелочной среде, опреде­ лили ее применение в качестве коагулирующего реагента.

36

не зависит от концентрации щелочи и прямо пропорциональна

первой степени концентрации SiFl~ . Ионы SiF§ и ОН - , одинаково заряженные, не реагируют непосредственно. Ско­

рость расщепления SiFßменьше скорости взаимодействия продуктов. гидролиза со щелочью. Замедленное разложение

аниона SiFë определяет замедленную коагуляцию силика­ та натрия.

Связывание гидроокиси натрия из растворов жидкого стекла сопровождается увеличением силикатного модуля силиказоля. Золь становится неустойчивым и коагулирует. Чем выше концентрация и больше объем добавляемой в силикат кислоты (табл. 1 0 ), тем быстрее достигается критическое зна-

чение силикатного модуля, тем меньше время гелеобразования, выше устойчивость геля в воде и прочнее закрепление.

Опытно-производственные работы Н И И О П Са по закреп­ лению песков показали, что данный метод имеет ряд преиму-

37

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСКУССТВЕННОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ПОРОД КРЕМНЕЗЕМОМ

В настоящее время в среде ннжеиеров-геологов является общепринятым положение о том, что принципиальной основой представлений об искусственном улучшении пород в строи­ тельных целях является учение о литогенезе во всем его мно­ гообразии, включая катагенез и гипергенный литогенез.

Искусственная цементация пород, являясь в данном слу­ чае результатом инъекции в них химических растворов, со­ провождается следующими основными явлениями: а) пере­ движением истинных и коллоидных растворов различного состава в поровом пространстве пород; б) взаимодействием

полного водонасыщения; в) химическими реакциями, опреде­ ляющими внутреннюю термодинамическую неуравновешен­ ность нагнетаемых растворов и приводящими к образованию гелей.

Характерной особенностью инъекционного закрепления пород является то, что в большинстве случаев процессы, при­ водящие к цементации пород, протекают при сравнительно низких давлениях (первые десятки атмосфер), а температура обычно не превышает первых десятков градусов. В природе в подобных термодинамических условиях происходит миграция химических элементов в верхней части земной коры — зоне гипергенеза.

А. Е. Ферсман (1934), предложивший термин «гипергенез», относит к нему почвообразование, выветривание, осад­ кообразование, геохимическую деятельность подземных вод и другие поверхностные процессы. В большинстве случаев про­ цессы зоны гипергенеза являются по отношению к данной породе вторичными, наложенными и называются иногда эпигенетическими (Перельман, 1968).

Диагенетические процессы, протекающие при нормальном давлении и температуре, обычно не оказывают существенного влияния на песчаные осадки, 'которые, пройдя стадию диаге­ неза, оказываются мало литологически измененными и только

вотдельных случаях зерна покрываются налетами коллоид­ ного материала и иногда происходит некоторая их цемента­ ция. Более серьезная литификация песчаного осадка проис­ ходит на стадии катагенеза под влиянием: а) повышения давления от 70 до 2000 атм; б) повышения температуры с глубиной; в) постепенной замены свободно циркулирующих пресных или слабоминерализованных вод на сильноминера­ лизованные воды застойного характера. Кроме того, следует учитывать, что на всех этапах превращения осадка в породе

вкачестве главного условия происходящих изменений высту­

39

гХ

пает внутренняя неустойчивость его, в то время как искусст­ венная цементация в строительных целях чаще всего осу­ ществляется применительно к рыхлым горным породам, но не к осадкам.

Из сказанного видно, что процессы, происходящие при хи­ мическом инъекционном закреплении песчаных пород, по своей природе в наибольшей степени сопоставимы с определенными элементами эпигенетических процессов зоны гипергенеза — почвообразования, выветривания и геохимической деятель­ ности подземных вод. Многообразие явлений и геохимических условий, действующих на различных стадиях разнообразных эпигенетических процессов, с одной стороны, и сравнительная ограниченность условий протекания процессов при искусст­ венной цементации пород, с другой стороны, показывают, что не все в учении об эпигенетических процессах имеет одина­ ковое значение для теоретического анализа в области инъек­ ционного закрепления пород. Наиболее ценными кажутся представления об условиях и формах миграции и накопления элементов с высокими кларками, потенциально способных образовывать устойчивые соединения в условиях зоны гипер­ генеза.

Из табл. 11 и 12 видно, что к.числу таких элементов сле­

40