I. Физико—химические основы структурообразования (прочности) в укрепляемых горных городах

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 Н_о504 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