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

ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА

Проявление особенностей минерального состава песков при закреплении методом газовой силикатизации песчаных пород изучалось как па фракциях основных породообразую­

Рис. 9. Микрофотография частиц дробленого кварца, (фракция 0,1— 0,0о мм) (увеличение 1000)

Фракции минералов размером 0,25—0,10 и 0,10—0,05 мм получались дроблением минералов в шаровых мельницах с последующей магнитной сепарацией и разделением частиц.

71

Частицы дробленого кварца, по данным электронноми­ кроскопических исследований1, имеют остроугольную форму. На поверхности частиц при больших увеличениях обнаруже­ ны микродефекты в виде сколов и ребер (рис. 9). Частицы

Рис. 10. Микрофотография частиц дробленого микроклина (фракция 0,1—0,05 мм) (увеличение 1000)

микроклина имели прямоугольную форму, с неровными края­ ми и хорошо прослеживающимися плоскостями спайности (рис. 10). При большом увеличении обнаруживались неров­ ности поверхности, особенно по сколам граней. Разрушение кальцита происходило также в основном по спайности. На рис. 11 отчетливо видны шероховатость поверхности, ее не­ ровности с включением тонких частиц. Инфракрасноспектро­ метрические исследования фракций минералов позволили установить, что в спектре кварца не наблюдается широкая полоса поглощения в области 3200—3600 см-1. Это свидетель­ ствует о том, что исследуемый порошок кварца не содержит молекул воды.

1 Электронномикроскопнческне и инфракрасиоспектрометрнческие ис­ следования проведены Е. Н . Огородниковой.

72

Инфракрасный спектр кальцита дает две интенсивные по­ лосы поглощения, соответствующие частоте 885 см-1 и 1470 см-1, присутствие которых связано с колебаниями групп С 0 3, находящихся в структуре кальцита. Тонкодисперсный порошок кальцита, так же как роговая обманка н микроклин, имеет полосу поглощения при частоте 3340 см-1.

Обработка порошков минералов производилась по опи­ санной выше методике раствором жидкого стекла удельным весом 1,19 с силикатным модулем 2,82 и углекислым газом под давлением 4 атм.

Наименьшую прочность (табл. 21) после закрепления име­ ли образцы фракции кварца размером 0,25—0,10 мм с исход­ ным коэффициентом фильтрации 7,77 м/сут, т. е. наименьшим из исследованных фракций минералов. Это объясняется двумя взаимосвязанными причинами: высокой твердостью свежих зерен кварца и отсутствием гидратированных пленок на по­ верхности зерен. Последние, будучи жесткосвязаннымн с ядром песчаных зерен, обычно обусловливают прочное за­ крепление геля кремниевой кислоты на поверхности песка пу­ тем встроения пленок в структуру полимеризующегося геля.

алюминия при дроблении минерала создают благоприятные условия для образования прочных контактных связей между гелем кремневой кислоты и поверхностью полевого шпата.

Большие значения прочности закрепления получены при закреплении кальцита, особенно мелкой фракции (размером 0,10—0,05 мм). Прочность закрепленного порошка кальцита 0,10—0,05 мм достигает 24—27 кг/см2. В данном случае вы­ сокая прочность обусловлена химическими реакциями. Каль­ цит, представляющий собой чистый кристаллический С а С 0 3, при насыщении углекислым газом частично растворяется с образованием бикарбоната кальция:

СаС03 + СО* + НаО = Са (НС03)2.

Реакция протекает на поверхности твердой фазы и, следова­ тельно, является функцией удельной поверхности кальцита.

Увеличение поверхности минерала сопровождается уско­ рением реакции взаимодействия углекислого газа с кальци­ том. О реальности реакции с образованием бикарбоната

74

75

кальция можно судить на основании простого опыта. Через металлическую трубку после заполнения ее фракцией каль­ цита размером 0,1—0,05 мм и последующего водонасыщения был пропущен углекислый газ под давлением 4 атм. Опыт показал, что после пропускания СОг порошкообразный каль­ цит схватился. Максимальное схватывание наблюдалось в верхней части трубки, в месте подачи газа. Прочность в верх­ ней части столбика оказалась равной 6,25 кг/см2, что обус­ ловлено максимальным значением и стабильностью давления газа в верхней части трубки. В нижней части трубки, закры­ той кольцом с металлической сеткой, происходит спад давле­ ния СОг и прочность оказывается незначительной.

Образовавшийся бикарбонат кальция вступает в реакцию с жидким стеклом с образованием в контактной зоне гидро­ силиката кальция, что способствует повышению прочности закрепления.

Хорошие результаты закрепления получены для фракций роговой обманки, особенно фракции тонкого песка (0 , 1 0 — 0,05 мм). В составе роговой обманки присутствуют ионы кальция, железа, алюминия. В результате механического раз­ рушения кристаллической решетки при дроблении минерала резко увеличивается выход этих ионов на поверхность, что способствует образованию большего числа контактов с возни­ кающим гелем кремниевой кислоты. Прочность закрепления возрастает почти вдвое — с 11,8 кг/см2 (фракция 0,25— 0,10 мм) до 19,0 кг/см2 (фракция 0,10—0,05 мм).

ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ АУТИГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

Поверхностному взаимодействию песчаных зерен с це­ ментообразующими веществами долгое время не придава­ лось значения. Считалось (иногда считается и до сих пор), что физико-химическая активность песчаных пород чрезвы­ чайно мала и ее можно не принимать в расчет как при раз­ работке способов искусственного закрепления, так и проек­ тировании консолидации конкретного массива пород.

Однако работы последнего времени убедительно показы­ вают несостоятельность подобного подхода.

В. Е. Соколович (1965) и К. Карон (1965), изучая явление синерезиса полимеризующейся кремниевой кислоты, обнару­ жили отсутствие синерезиса прочных гелей в закрепленных песках. Гели, обнаруживавшие большой синерезис в чистом виде, в порах породы не проявляли последнего благодаря тому, что частицы песка препятствовали сближению полимер­ ных цепей. Минеральные зерна воспринимали на себя силы,

76

обусловливающие сжатие полимерных цепей. Перекрытие поверхности частиц песка тонкими пленками парафина при силикатизации приводит к резкому проявлению синерезиса и полной потери прочности закрепленного грунта.

Исследования С. Д . Воронкевича и Е. Н . Огородниковой (1968) на примере закрепления песков карбамидной смолой показывают, что в основе формирования прочности закрепле­ ния лежат процессы, происходящие на поверхности раздела «минерал — химический реагент». Для оценки степени взаи­

Изучение роли поверхностных образований при газовой

.силикатизации проводилось на средне-мелкозернистом квар­ цевом песке I3V2 из Люберецкого карьера Московской облас­ ти. Песок состоит из округлых зерен кварца, большей частью -совершенно прозрачных. Фракция частиц 0,25—0,01 мм со­ стоит целиком из кварца. Песок бескарбонатный. Анализом

большая однородность гранулометрического состава и мономинеральность песка определили его как объект исследования.

Искусственным путем на поверхность частиц люберецкого песка были нанесены органические и железистые пленки. ■ Органические пленки создавались кипячением песка в экст­ ракте из сильноразложившегося торфа. Содержание органи­ ческого вещества составило 0,1722%. Железистые пленки на­ носились путем кипячения в сильноразведенном растворе хлорного железа и последующего отмывания от иона хлора.

Для подготовленных образцов песков определялись pH ^суспензии, количество адсорбируемых БіОг и Са2+ и проч­

77

ность инъекционного закрепления. Анализ данных, приведен­ ных в табл. 22, показывает, что тонкие пленки органического вещества кислого состава обусловливают резкое изменение свойств песков. Из разбавленного раствора силиката натрия кварцевый песок из Люберецкого карьера с искусственной пленкой органического вещества не адсорбирует кремниевую кислоту. Вместе с тем резко повышается адсорбция песком иона кальция.

Прочность при закреплении песка с органическими плен­ ками раствором силиката натрия колеблется в пределах 2,5— 4,0 кг/см2. Тонкие гумусовые пленки экранируют поверхность кварцевого песка от образующегося геля кремниевой кисло­

Это предположение хорошо подтверждается сравнитель­ ными электронно-микроскопическими исследованиями проб гумусированного (1,5—3,34% гумуса) и негумусированного ожелезненного песков, отобранных из опытных участков Ме­ щерской научной станции М ГУ. При просмотре образцов под сканирующим микроскопом отчетливо проступает разница в распределении геля на поверхности зерен гумусированного и негумусированного песков (рис. 13). Зерна негумусирован­ ного песка плотно обволакиваются пленками геля. Гель од­ нородный, по микротрещинам отчетливо прослеживается его объемность. На гумусированных зернах гель имеет чешуйча­ тую форму. Отдельные чешуйки его завернуты краями в сто­ рону от поверхности минеральных частиц песка, что создает картину шелушения геля.

Песок с искусственными железистыми пленками из про­ дуктов гидролиза кислой соли хлорного железа имел pH сус­ пензии 4,98. Железистая пленка обусловила повышенную ад­ сорбцию кремниевой кислоты из раствора силиката натрия. Повышение адсорбционной способности ожелезненного пес­

78

ка по отношению кремниевой кислоты из щелочного раство­ ра обусловливает относительно высокие значения прочности закрепления (до 11— 15 кг/см2).

Изучение характера распределения геля в ожелезненном песке под электронным микроскопом позволяет заметить об­ разование плотных однородных оболочек, сливающихся в кон­ тактах частиц. Местами кремневокислый гель заполняет все пространство между соприкасающимися зернами, образуя це­ мент пор.

Следовательно, экранирующее действие органических (гу­ мусовых) пленок, несмотря на благоприятные условия твер­ дения реагента в присутствии органики (низкие значения pH среды), приводит к снижению прочности закрепления. Это об­ стоятельство следует учитывать при проектировании газовой силикатизации органосодержащих пород, особенно широко распространенных в пределах крупных населенных пунктов, где породы оснований существующих и строящихся сооруже­ ний обычно интенсивно и на значительные глубины загряз­ нены органическими веществами.

Сотрудниками института Гидроспецпроект В. В. Торгашевым, А. А. Тимофеевым и И . А. Макаровой были про­ ведены лабораторные исследования по закреплению грунтов, содержащих 4,37— 15,38% органических веществ в виде пе­ регноя и органических остатков. Грунты были отобраны из основания архитектурного памятника (табл. 23).

Т а б л и ц а 23

Некоторые физико-механические и химические характеристики грунтов

* Содержание органических веществ получено как разность между по­ терей от прокаливания и содержанием СО , карбонатов.

Образцы грунтов, имевшие в нарушенном сложении ко­ эффициент фильтрации порядка 0,2— 1,5 м/сут, были закреп­ лены раствором силиката натрия удельным весом 1,27 г/см3

79

;80