Московский государственный горный университет
А.В.Кузина
ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫУПРОЧНЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
Учебное пособие
по дисциплине «Шахтное и подземное строительство»
для студентов горных специальностей
Москва 2014
ВЕДЕНИЕ
Развитие горнодобычных работ требуется для эффективного использования высокопроизводительной горной техники, чему в значительной степени может способствовать обеспечение устойчивости горных пород как при подземном способе добычи, так и при ведении работ открытым способом.
Неустойчивость горных пород в выработках и массивах обусловлена многими физико-технологическими факторами, среди которых следует назвать:
- нарушение сплошности массива (разупрочнение) в результате ведения горных работ (взрывные, выемочные и др. виды работ);
- неустойчивость минералов и горных пород к выветриванию в результате действия природных факторов. Достаточно подробно этот вопрос рассмотрен в [1], а также в [2].
Поэтому при сооружении и эксплуатации горнодобывающих предприятий возникает необходимость проведения работ по укреплению горных пород в выработках и массивах.
В настоящее время в отечественной и зарубежной практике применяются химические и физико-химические способы укрепления горных пород и грунтов: цементация, глинизация, битумизация, силикатизация, смолизация, замораживание, электрохимическое укрепление и др., а также способы, специально разработанные для определенных условий и типов пород. [3,4].Каждый из способов имеет свою область применения, зависящую от состава и свойств пород и состояния' массива [5].
Технологически перечисленные способы укрепления горных пород основаны на инъекции (нагнетании под давлением) жидких растворов, суспензий, эмульсий, золей в породу.
|
Очевидно, что процесс нагнетания может быть осуществлён только при условии, когда закрепляющие растворы будут проникать в породу без нарушения её структуры. Отсюда следует, что технология определяет границы применимости того или иного способа. В первую очередь это связано с вязкостью нагнетаемых реагентов и давлением при нагнетании. Одновременно с этим границы применения способов должны учитывать радиус закрепления, прочность создаваемого массива или степень снижения его водопроницаемости, т.е. цели и задачи.
Границы применения различных способов укрепления обусловлены прежде всего проницаемостью массива горных пород и грунтов, что определяется коэффициентом фильтрации.
В настоящем учебном пособии рассмотрены способы укрепления, имеющие одинаковую физико-химическую основу: жидкие реагенты, нагнетаемые в породу, со временем твердеют (образуют структурированное твёрдое тело) в порах и трещинах, заполняют трещины и пустоты, приклеиваясь к горным породам. Образуется прочное, можно сказать, монолитное водонепроницаемое тело (массив горных пород).
К таким способам относятся: силикатизация, смолизация, цементация.
I. Физико—химические основы структурообразования (прочности) в укрепляемых горных городах
Академик П.А.Ребиндер считал, что "все метода закрепления и уплотнения грунтов (горных пород) основаны на управлении процессами структурообразования и механическими свойствами дисперсных структур, возникающих в грунтах, что "пространственные структуры образуются молекулярным взаимодействием - сцеплением частиц грунтовых минералов "с участием также природных структурообразователей (выкристаллизовывающихся солей) или дополнительно вводимых, структуирущих агентов (известь, цемент, битум, силикатные растворы, полимерные вяжущие)».
|
Структуры в грунтах, по П.А.Ребиндеру, можно разделить в зависимости от видов контактов сцепления на следующие типы:
1) обратимые - тиксотропные коагуляционные структуры, которые после разрушения восстанавливаются; они малопрочны, пластичны и эластичны; последнее свойство у нихсуществует вследствие сохранения остаточных прослоек водной среды в местами контактов;
2) псевдоконденсационные и конденсацинно-кристаллизацонные структуры, которые необратимо разрушаются, обладают высокой прочностью, но не имеют пластичности и эластичности; данные структуры имеют непосредственные контакты: для псевдокондексационных характерны точечные, а для конденсационно-кристаллизированных - фазовые контакты срастания или спекания.
В глинистых грунтах с разрушенной первичной структурой и достаточным содержанием воды возникают коагуляционные дисперсные структуры. В осадочных порогах развиваются псевдоконденсационные структуры. Их отличительной особенностью является нестойкость к воде.
Конденсационно-кристаллизационные дисперсные структуры обладают высокой прочности фазовых контактов. Поэтому эти структуры обладают высокой прочностью. Разрушение этих структур происходит необратимо.
|
Большинство методов укрепление пород имеет в своей основе образование новых фазовых контактов. В процессе закрепления происходит как бы пронизывание коагуляционной или псевдоконденсационой структуры породы своего рода армирующим каркасом - конденсационно-кристаллизационной сеткой. Это наблюдается при укреплении. цементом, полимерными вяжущими и др.
В результате введения в породу вяжущих в порах происходит образование новых дисперсных фаз, которые кристаллизуются или твердеют, и образуется множество зародышей новой фазы на поверхностях минеральных частиц породы. В процессе роста зародыши сращиваются, переплетаются, пронизывают пористую структуру грунта прочным каркасом. Создание каркаса обеспечивает повышение прочности и водостойкости. К таким новым дисперсным фазам П.А.Ребиндер относит гидратные новообразования - кремнекислоты (при укреплении жидким стеклом), гидросиликаты, гидроалюминаты и др. (при цементации). К структурообразующим новообразованиям П.А.Ребиндер относит "также и полимерные фазы, возникающие при полимеризации в грунте гидрофильных мономеров в виде водных растворов или гидрофобных мономеров в виде эмульсий с последующим образованием латексных дисперсных систем и соответствующих структур".
Возрастание прочности укрепляемого массива горных пород происходит за счёт увеличения' сил сцепления (адгезии) укрепляющего раствора и укрепляемой породы. Адгезия относится к поверхностным явлениям, действующим на границе раздела двух разнородных фаз. Одну из них, скажем, твёрдое тело принято называть субстратом, а жидкость - адгезивом.
Использование закономерностей, обусловливаемых поверхностными явлениями, позволяет активизировать самые разные процессы, связанные с наличием дисперсных систем.
ОСНОВЫАДГЕЗИИ
Адгезией называется молекулярная связь между поверхностями двух соприкасающихся разнородных твёрдых тел или жидкостей. Адгезионное взаимодействие между жидкой и твёрдой фазами ограничивается слоем жидкости всего в несколько молекул. Затем оно постепенно уменьшается и в слое адгезива начинает проявляться когезионное взаимодействие.
Когезия жидкости - это взаимодействие между молекулами, атомами, ионами в объёме жидкой фазы, прочность. сцепления в адгезиве в результате процессов полимеризации (укрепление смолами), коагуляции и гелеобразования (укрепление растворами жидкого стекла), гидратационного твердения (укрепление цементом) и др.
Адгезия определяет прочность прилипания клеящей плёнки к склеиваемым материалам и может быть рассчитана как работа, необходимая для разъединения контактирующих фаз по формуле: , где
- площадь контакта капли жидкости с поверхностью твёрдой фазы;
- работа адгезии на единицу площади контакта. Работа когезии
, которая в отличие от адгезии характеризует идеальную прочность только одной фазы (адгезива или субстрата) вычисляется по формуле
, где
поверхностное натяжение жидкой фазы.
Физико-химической основой адгезии являются ещё два поверхностных явления: смачивание и адсорбция. Смачивание твёрдого тела жидкостью - это результат действия сил поверхностного натяжения, т.е. сила притяжения между молекулами поверхности твёрдого тела и жидкости больше силы притяжения между молекулами жидкости. Смачивание тел характеризуется краевым углом смачивания .
Адсорбция - это концентрирование вещества из объёма фазы (адсорбата) на поверхности раздела фаз (адсорбента). Подробнее эти явления рассмотрены в учебном пособии (6). В результате адсорбции уменьшается свободная поверхностная энергия твёрдой фазы. Адсорбция жидкости твёрдыми телами приводит к изменению смачиваемости последних.
На взаимодействие адгезива и субстрата могут влиять различные процессы, сопровождающие адсорбцию, которые, естественно, здесь рассмотреть полностью не представляется возможным.
Факторы (условия), влияющие на взаимодействие адгезива и субстрата. Эффективность взаимодействия зависит не только от природы адгезива и субстрата, но и от свойств поверхности субстрата, а также от условий, в которых происходит контакт: температуры, давления, продолжительности контакта, концентрации и консистенции адгезива и т.д.
К физическим, физико-химическим и химическим факторам, влияющим на адгезионную прочность новообразования из адгезива и субстрата, могут быть отнесены:
1) температура (увеличивает тепловое движение макромолекул, улучшает диффузию адгезива в поры субстрата, смачивание поверхности);
2) давление контакта (повышает контакт, интенсифицирует диффузию адгезива в поры субстрата);
3) время контакта (параболически увеличивает глубину проникновения молекул адгезива в поры и трещины);
4) концентрация и консистенция (вязкость), дисперсность (раздробленность). Последнее -для адгезивов, находящихся в диспергированном состоянии;
5) толщина клеевой плёнки;
6) природа субстрата и его поверхность: её величина, шероховатость, наличие пор и трещин.
Что касается условий 1)-3), то их можно не развивать, т.к. их влияние на взаимодействие, очевидно, обусловливается общими закономерностями.
Рассмотрим в качестве примера адгезионную способность органических веществ-полимеров, используемых при смолизации горных пород.
Органические вещества в основном являются высокомолекулярными полимерами, сложного состава. Клеящая способность подобных адгезивов определяется строением отдельных звеньев макромолекул и структурой (геометрией молекул), ибо в закреплении на твёрдых поверхностях принимает участие лишь часть активных в отношении адгезии центров.
Сетка, возникающая между линейными молекулами полимера за счет химических связей, придаёт особую прочность его структуре. Для линейных молекул характерна гибкость. 0дной из причин гибкости является то, что длина таких молекул значительно превышает ах поперечные размеры. Отдельные звенья таких цепей совершают вращательные движение по месту ковалентной связи, которое возрастает с повышением температуры.
Гибкость макромолекул является важным условием высокой адгезионной способности. Установлено, что на адгезионную способность полимера существенное влияние оказывает наличие тех или иных функциональных групп, переходящих в полимер из мономера. Например, наличие в мономере группы циана (CN) значительно ухудшает адгезионные свойства; наличие в мономере аминогруппы (NH2) улучшает адгезию и теплоустойчивость полимера. Полимеры с активными функциональными группами (ОН, СООН) плохо смачивают минералы с низкой поверхностной энергией, а минералы, обладающие высокой поверхностной энергией, например кварц (SiO2.), смачивает хорошо.
В некоторых случаях введение в раствор смолы кремнийорганических соединений значительно повышает адгезию. Кремнийорганические соединения обладают способностью придавать поверхности, на которую они наносятся, гидрофобные свойства (несмачиваемость водой).
Основой молекул кремнийорганических соединений является силоксанный скелет, т.е. цепь атомов кремния и кислорода, чередующихся между собой (как в кварце и силикатах [I]). В кремнийорганических полимерах атом кремния связан с двумя или тремя атомами кислорода (а в кварце - с четырьмя). Остальные связи кремния замещаются органическими группами (радикалами); в результате неорганические цепи молекул обрамляются органическими группами, занимая промежуточное место между миром органической и неорганической природы.
Сущность процесса гидрофобизации поверхности смачиваемого водой (гидрофильного) минерала, например кварца, заключается в следующем. Молекулы кремнийорганического соединения ориентируются так, что полярные силоксановые () связи направлены к полярной поверхности зерна минерала , а гидрофобные органические радикалы, связанные с кремнием, обращены в противоположную сторону. В результате поверхность зерна имеет как бы щётку, состоящую из углеводородных радикалов, имеющих гидрофобные свойства.
Для образования таких гидрофобных плёнок требуется очень мало вещества. Например, I грамм диметилдихлорсилана ( может образовать мономолекулярную гидрофобную плёнку площадью 1000 м2.
3. ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫНЕКОТОРЫХ СПОСОБОВ УКРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
3.1. С молизация.
Сущность способа смолизации заключается в том, что в горную породу под давлением вводят растворы высокомолекулярных органических соединений типа карбамидных, фенолформальдегидных и других синтетических смол в смеси с отвердителями (кислотами, кислыми солями). Через некоторое время в результате взаимодействия смолы с отвердителем начинается процесс полимеризации смолы. Процесс этот протекает в три стадии:
1) разбор теряет первоначальную вязкость - густеет;
2) раствор переходит в результате коагуляции в желатинообразное состояние - превращается в гель;
3) гель структурируется и превращается в твёрдое тело.
Для закрепления пород следует выбирать такие смолы, которые при введении в породу обеспечивали бы высокую прочность и водонепроницаемость, т.е. они должны обладать высокими адгезионными и когезионными свойствами, и способностью полимеризоваться при нормальной и пониженной температуре.
Кроме того, смолы должны обладать способностью в процессе полимеризации связывать значительное количество воды.
Подобными свойствами обладают смолы мочевиноформальдегидные (карбамидные), фурановые и др. В таблице I приведены смолы в сочетании с отвердителем (второй реагент) и назначение этих рецептур.
Таблица I
Основной компонент (смола) | Отвердитель | Назначение рецептуры |
Мочевиноформальдегидная смола (крепитель М) | Кислоты: соляная, щавелевая и др.контакт Петрова | Герметизация скважин в угле, изоляция пластовых вод, укрепление оснований. Фундаментов и т.д. |
Мочевиноформальдегидная смола (МФ-17;МФ-1,2) | Кислоты: фосфорная, соляная, щавелевая и др., хлористый аммоний | Заполнение скважин в горных породах, укрепление горных пород |
Фенолформальдегидная смола | Хлористое олово, едкий натр, углекислый натрий, щавелевая кислота | Укрепление песчаных грунтов и пород |
Акриламид | Персульфат аммония | Тампонаж трещиноватых пород, укрепление стенок скважин, укрепление откосов и др. |
Акрилат кальция | Персульфат кальция, тиосульфат натрия | Укрепления трещиноватых пород |
Латекс | Хлористый кальций | Укрепление карбонатных пород |
Наиболее целесообразно применение мочевиноформальдегидных (карбамидных) смол. Им присущи необходимые для укрепления пород свойства, и из всех синтетических смол, выпускаемых отечественной химической промышленностью, они самые дешёвые.
Мочевиноформалъдегидные смолы представляют собой результат поликондексации формальдегида с мочевиной:
2) Затем происходит полимеризация образовавшегося непредельного соединения:
При поликонденсации выделяются побочные продукты (H20). При полимеризации соединяются молекулы мономера без отщепления побочных продуктов; в этом случае относительная молекулярная масса образующегося полимера равна сумме относительных молекулярных масс соединяющихся молекул мономера.
Карбамидные смолы способны отверждаться (превращаться в гель и твердеть) на холоде в присутствии органических и неорганических кислот, солей, т.е. в кислой среде при pH=3,7-6,2.
При отверждении смолы происходят следующие явления:
-нарушается стабильность смолы, развивается реакция поликонденсации, повышается молекулярная масса и вязкость, уменьшается растворимость в воде и образуется твердая масса.
Время отверждения - очень важный фактор при инициировании растворов смол в массивы горных пород. Так, например, установлено [7], что CaCl2 и CuSO4·5Н2О (медный купорос) ускоряет отверждение раствора, состоящего из мочевиноформальдегидной смолы и щавелевой кислоты.
На сроки отверждения оказывает влияние наличие различных примесей и включений в породе, в частности карбонатов. Наличие карбонатов в песке ведёт к увеличению сроков отверждения и, в дальнейшем, к снижению прочности образцов. Этому явлению способствует взаимодействие между щавелевой кислотой (отвердитель) и карбонатными породами. Реакция при этом имеет следующий вид:
В результате данной реакции происходит снижение содержания щавелевой кислоты в растворе.
На процесс отверждения смолы и его скорость также оказывают влияние условия и процессы, которые развиваются на поверхности зёрен и трещин породы между нагнетаемым раствором и находящимися там плёнками жидкостей и поверхностью зёрен. Благодаря этим процессам в некоторых случаях отверждение вообще не будет происходить, в других—с большой скоростью или очень медленно.
Вязкость.
Вязкость жидкости определяет сопротивление движению жидкости под действием сдвигающей силы в условиях ламинарного потока.
При нагнетании раствора при укреплении пород его вязкость имеет большое значение. Растворы с меньшей вязкостью обладают лучшей способностью проникать в породу - в поры и мелкие трещины.
На вязкость раствора смолы влияют следующие основные факторы: концентрация смолы и свойства растворителя; количество и свойства отвердителя; продолжительность взаимодействия смолы с отвердителем; температура раствора; молекулярная масса смолы.
Понижение концентрации смолы даёт возможность уменьшить вязкость раствора. Это выгодно и экономически, так как смолы достаточно
дороги. Но в некоторых случаях для укрепления пород необходимо использовать растворы со значительной вязкостью. Например, в тех случаях, когда маловязкая легкоподвижная смола может быть оттеснена от укрепляемого участка водой, если последняя находится под большим давлением в массиве. Кроме того, раствор реагента может быть вымыт, если вода перемещается с большой скоростью и это может произойти раньше, чем смола превратится в гель (коагуляционную структуру).
С увеличением температуры (подогрев) вязкость растворов смолы уменьшается.
Вязкость раствора смолы в процессе нагнетания не остаётся
постоянной. Изменение вязкости раствора в породе в значительной
степени определяет условия его нагнетания. Желательно, чтобы вязкость
раствора оставалась минимальной и постоянной в течение определенного
времени, необходимого для того, чтобы раствор проник
на требуемое расстояние в породу.
Возрастание вязкости можно количественно связать с молекулярной массой растворенного полимера. Растворы мономера при одинаковой концентрации имеют меньшую вязкость в сравнении с раствором полимера. Вязкость увеличивается с ростом степени полимеризации.
С технологическими параметрами способа смолизации, границами его применения, примерами использования различных полимерных материалов и т.д. можно ознакомиться в работе [8].
3.2. Силикатизация
При проведении силикатизации в породу нагнетают раствор силиката
натрия, Na2SiO3 - соль кремниевой кислоты.
В зависимости от целей укрепления, а также от состава и свойств укрепляемой породы применяют однорастворную или двухрастворную силикатизацию.
Если необходимо повысить механическую прочность массива, а породы - песчаные, то применяют двухрастворную силикатизацию (при значении коэффициента фильтрации от 2 до 80 м/сутки). Если необходимо уменьшить водопроницаемость массива и породы более связные (лессы, супеси, суглинки), то в этом случае обычно применяют однорастворный способ (коэффициент фильтрации менее 2 м/сутки).
Физико-химической сущностью способа силикатизации является гидролиз силиката натрия в растворе с образованием геля кремниевой -кислоты, который склеивает отдельные частицы порода и постепенно твердеет, образуя структуру по типу коагуляционно-конденсационных структур.
Химическая реакция гидролиза:
Кремниевая кислота в течение нескольких часов превращается в гель состава: n SiO2·m H2O. При двухрастворной силикатизации в породу поочерёдно нагнетают раствор силиката натрия и раствор солей двух- и трёхвалентных металлов, из которых наиболее экономичным и обеспечивающим хорошую прочность закрепления является хлорид кальция (СаСl2).
Между растворами протекает реакция:
и образуются продукты: гель кремниевой кислоты и гидрат окиси металла (кальция).
Реакция между гелем n·SiO2·mH2Oи Са(0Н)2 протекает очень медленно, и через 20-30 суток в твердеющей системе образуется некоторое количество труднорастворимого силиката кальция CaSiO3. который кристаллизуясь, упрочняет систему в результате образования конденсационно-кристаллизационной структуры.
Свойства применяемых исходных растворов. Приготовление основного раствора - силиката натрия ведётся в заводских условиях в два этапа. На первом этапе производится сплавление компонентов стекольной шихты:
Расплавленное стекло малыми порциями выпускают из стеклоплавильных печей. Остывая, стекло превращается в стеклообразные твёрдые куски (силикат-глыбу). Шихта компонуется с учётом силикатного модуля:
(в соответствии с ГОСТом).
Второй этап заключается в разварке силикат-глыбы в автоклавах до состояния раствора силиката натрия (жидкое стекло). Раствор силиката натрия после соответствующего разбавления водой до нужной плотности пригоден для использования в качестве реагента для укрепления пород. Основным показателем раствора Na2SiO3 для его качества является силикатный модуль. Другим важным показателем раствора силиката натрия, имеющим значение для ведения работ по укреплению, является его вязкость. Вязкость раствора в значительной степени определяет радиус и однородность закрепления. Вязкость раствора связана с его плотностью и температурой.
Вязкость представляет собой силу, приходящуюся на единицу поверхности соприкосновения двух слоев жидкости, необходимую для поддержания градиента скорости . Вязкость проявляется при наличии относительного движения слоев жидкости и зависит от сил сцепления между молекулами. Сила Ƒвзаимодействия между слоями выражается формулой
Где η – вязкость или коэффициент внутреннего трения, пуаз;
- градиент скорости в направлении, перпендикулярном поверхности S.
Вязкость раствора жидкого стекла зависит от силикатного модуля, температуры, длительности хранения на воздухе. Так, например, плотность и вязкость (при температуре 20°C) связаны между собой следующим образом:
Плотность, кг/м3 1.038 1.070 1.160 1.210 1.325 1.385
Вязкость, сПа 2,7 3,0 3,7 5,0 16,0 46,0
Снижение вязкости при нагреве раствора до 60°С тем больше, чем больше его плотность. На практике обычно раствор Na2SiO3 предварительно нагревают от 40-50° до 60°С.
Однорастворный способ силикатизации заключается в нагнетаниив укрепляемую породу раствора силиката натрия с отвердителем.
Сущность способа определяется необходимостью создания гелеобразующих растворов с малой вязкостью, которая должна сохраняться в течение всего времени нагнетания-раствора в породу. Следовательно, закрепляющие растворы должны обладать регулируемым временем гелеобразования. За время гелеобразования принимается период между моментом окончания введения отвердителя в основной раствор и моментом перехода приготовленной смеси из жидкого состояния в желеобразное. Раствор отвердителя выполняет функции коагулянта, способствующего переходу золя в гель. Растворами-отвердителями могут служить кислоты и соли. На время гелеобразования существенное влияние оказывают концентрация растворов силиката натрия и "отвердителя", температура растворов.
Породы, закреплённые по этому способу, особенно мелкозернистые пески, однородные по гранулометрическому составу, практически водонепроницаемы, прочны и долговечны в агрессивных средах (рН=8¸12).
В настоящее время разработано около 15 рецептур однорастворной силикатизации. Широкое распространение нашли следующие: силикатнокремнефтористоводородная, алюмосиликатная и глиносикатная. Физико-химические основы рецептур однорастворной силикатизации приведены в таблице 2.
Газовая силикатизация относится к однорастворной силикатизации. Сущность её заключается в последовательном нагнетании в породу через инъекторы или специально оборудованные скважины углекислого газа (СО2) и раствора силиката натрия. Растворимая СО2 связывает щелочной компонент силиката натрия по реакции:
Реакцию отверждения силиката натрия углекислым, газом можно представить следующим образом:
Этот способ повышает эффективность закрепления в результате предварительной обработки порода углекислым газом: она вызывает подкисление, замещение воздуха в порах и трещинах на СO2. растворение СO2 в поровой воде. Следовательно, образуется трёхфазная система, основным компонентом является углекислый газ. Всё это
Т а б лица 2 Физико-химические основы рецептур однорастворной силикатизации | |||
Название рецептуры; отвердитель | Химическая реакция | Особенности | Границы применения |
Силикатно-кремнефтористоводородная; кремнефтористоводородная кислота H2SiF6 | ![]() | Большой выход геля кремниевой кислоты (H2SiO4). Это способствует полимеризации силикатных растворов и упрочняет гель кремнекислоты. Золи маловязкие; имеют щелочную реакцию (рН = 10,2-10,9) | Породы с небольшим коэффициентом фильтрации; с повышенной карбональностью |
Алюмосиликат натрия NaAlO2 | ![]() | Небольшая вязкость, приблизительно равна вязкости воды | Мелкозернистые пески с малой проницаемостью |
Силикатно-фосфорнокислая: Фосфорная кислота H3PO4 | ![]() | рН =7-8: вязкость минимальная | Мелкозернистые пески с Кф=2 м/сутки для создания водонепроницаемых завес |
Силикатно-алюмосернокислая; серная кислота H2SO4 и сульфат алюминия Al2(SO4)3 | ![]() | АВ^О^)} добавляют к основному отвесдителю -серной кислоте" для замедления процесса коагулят:;; и регулирования времени гелеобгезованпя | Крупнозернистые пески с К<р> >2 к/ сутки |
Таблица 2
Физико-химические основы рецептур одкорастворной силикатизации
Название рецеиуры;! Химическая реакция! Особенности! Границы применения
отвердитель!!!
Силикатно-кремнее&торис-Большой выход гэля Породы с небольшим
товодородная; кремне-кремниевой кислоты коэффициентом
бтошс товодородная кис-(!Ь&04). Это слособст- фильтрации; с повы-
лотавует полимеризации си- шеннои карбональ-
Еп8о7с < лпкатных растворов и ностью
~ ь упрочняет гель кремне-
кислоты.
Золи маловязкие; имеют щелочную реакцию (рН = 10,2-10,9)
АлюмосиликатНебольшая вязкость, Мелкозернистые пески
натрия ЯаАЮп приблизительно равна с малой проницае-
. вязкости воды местью
Силикатно-фосфорнокис-рН = 7-8: вязкость Мелкозернистые пес-
лая; Фосфорная кислотеминимальная кз: с Щ>- 2 м/сути:
Н^РО^ для создания водо-
и - непроницаемых завес
Силикатно-алкмосерно- АВгСЗО^З добавляют к Крупнозернистые
кислая; серная кисло-основному отвердителю - пёс к:: с К<р>
та Но504 и"сулъфат,серной кислоте"для за- >2 к/сутки
алкминия АЬДЗО,,),медления процесса коа-
■* ^гуляш:;; 7. регулирования
= времени гелеобгезованпя
Окончание / табл. 2
~1~~!~-~ 2! 3! ■ 4
■ Аммонийно-силикат-рН = 10,8; растворы Крупнозернис-
ная; сульфат аммониясредней вязкости с тые пески с
карбонат аммонияхорошим временем ге- К<р >
Шп^2 С03 леобразования >2 м/сутки
Силикатно-фтористо-При рН * 10,7 начи- Мелкозернистые
сернокислая;нается активная по- пески с карбо-
серная кислоталимеризация кремни- натным цемен-
НоЙОд и фторид нат-евой кислоты; время тем при высо-
риялгаРгеле образования ре- ких градиентах
I гулируется легко напора
Ысо
I
существенно влияет на предварительное отверждение раствора <глл'.:-ката натрия. Окончательное отверждение происходит при повторна: нагнетании углекислого газа. Механизм твердения раствора силиката обусловлен нейтрализацией щелочи (МаОЮ углекислым газам (но уравнению I). В результате этого увеличивается силикатный модуль, ' что приводит к образованию более прочного геля кремниевой кислоты, а следовательно,-к более прочному закреплению. Этот способ применяется в основном в водонасыщенных песках.
При укреплении пород, содержащих кальцит (СаСОо), например песков с карбонатным цементом или лессов, химическая сущность газовой силикатизации заключается в следующем:
-
растворимое соединение;
Отверждение раствора силиката натрия происходит на поверхности карбонатных частиц. Образуется поверхностная плёнка силиката кальция (СаЙОо), который не растворяется в воде, постепенно твердеет, превращаясь в прочный практически нерастворимый цемент.
Злектросиликатизация.
Электросиликатизация является одним из способов электрохимического укрепления пород. Она основана на сочетании укрепления способом силикатизации и электрической обработки. Способ электросиликатизации заключается в том, что через погруженные в породу перфорированные трубы-инъекторы, служащие одновременно электродами, нагнетаются силикатные растворы и пропускается постоянный электрический 'Гок. Суммарное воздействие силикатного раствора и электрического тока на породу способствует ускорению продвижения раствора, вызывает обезвоживание и агрегацию грунта, а также образование з нем геля кремниевой кислоты.
В результате этого породе сообщается водоустойчивость и высокая прочность. Применяется этот способ для упрочнени- переувлажнённых мелких песков и супесей.
При электросиликатизации протекают следующие физико-химические процессы:
I) электроосмос, способствующий перемещению раствора в породе; о 2) электролиз и изменение реакции среда (рН), способствующие образованию гидроокиси кальция (Са(0Н)2) и гидроокиси алюминия (А1(0Н)з). ускорению образования геля в результате коагуляции раствора силиката натрия, структурообразованию (агрегации часта?;4
- 19 -
и кристаллизации химических соединений.
Электросиликатизация подразделяется на двухрастворную и одно-рр.створную. В первом случае вводят поочередно растворы Л/с^ЗбО-г и СаСТр. во втором - один раствор: смесь силиката натрия с отвер-дателем(серная кпслота?и соль А^СЗО^о.),
Наибольшее упрочнение породы достигается в анодной и средней зонах. В катодной зоне прочность намного ниже и я-за образования здесь щелочной среды.
Установлено, что эффект °т наложения постоянного электрического тока п-п однорастворной силикатизации значительно выше, чем при двухраствориой.
3.3. Цементация.
При проведении цементации г трещиноватые породы нагнетают цементный рг:твор, представляжвдй суспензию цементных частиц,в •воде.
Цемент (чаще портландцемент) - сложное минеральное образование, состоящее из минералов силикатного и алтаннатного состава, например Са^Л-Ое илл Са^АЮ^.
Цемент - это продукт измельчения клинкера, получающегося путём высокотемпературного обжига (до 14?3°С) смеси силикатных (МеО-я&0.,-/7?Л103'фН20) и карбонатных (СаС03) пород [т].
:.'лнералс:ическпй состав портландцементного клинкера представлен в таблице 3.
д, ' Таблица 3
Название минерала! Химическое название! Формула
Длит Трёхкальциевый силикат
селит Двухкальциевый силикат
Трёхкальциевый алюминат
Четырёхкальцневый алю-моферрят
Минералы портландцементного клинкера, поученные в процессе высокотемпературное обработки,обладают большим запасом свободной энергии, а поэтому неустойчивы к воздействию окружающей среды, прежде всего к воде. Они хорошо адсорбируют воду, тем.-самым углень-
шаю" поверхностную энергию,:;роявляют гидрофзлъность. При взаи-
. - 20 -
модействии с водой в результате сложных физико-химических процессов безводные формы минералов переходят в водные (гидратные) новообразования. Этот процесс перехода минералов в более устойчивое состояние с последующим образованием прочной структуры (каынепо-добное тело, бетон) называется процессом гадтатацмонного тверде ния. Твердение вяжущих веществ осуществляется в результате нескольких протекающих последовательно стадий (процессов):
Процесс гидратации. т.е. адсорбция молекул воды к поверхности цементного зерна.
В результате образуются новые фазы (соединения), содержащие в своём составе воду - гидратные новообразования.
Двухкальциевый силикат (белит) образует в воде двухкальцие-вый гидросиликат:
Эта реакция прот