Файл: Воронкевич, С. Д. Газовая силикатизация песчаных пород.pdf

ки. Основная идея способа заключалась в нагнетании в поро­ ду двух различных химических веществ, которые, вступая между собой в реакцию, дают нерастворимый осадок, запол­ няющий трещины и пустоты, и производят, таким образом, укрепление и уплотнение пород. В качестве таких растворов были использованы натронное или калийное растворимое стекло и растворы различных металлических солей. Наиболь­ ший эффект получается при использовании растворов хлорис­ тых солей щелочноземельных металлов.

Химическая реакция между жидким стеклом и хлористым кальцием, по мнению Стаматиу, соответствует уравнению:

СаС12 + Ме20 • «Si02 = 2МеС1 + СаО • n.Si02.

При этом образуются хлористые соли щелочных металлов и силикаты кальция, содержащие в себе частично свободную кремнекислоту. Однако эта точка зрения не подтвердилась более поздними исследованиями.

Фактическая недоступность немецких патентов для совет­

способа двухрастворной силикатизации, определить основные химические реагенты и разработать технологический процесс, определяющий надежное закрепление пород.

рия и растворов солей двух- и трехвалеитных металлов, из которых наиболее экономичным и недефицитным является раствор хлористого кальция. Быстрота протекающих реакций взаимодействия между силикатом натрия и хлористым каль­ цием обусловливает возможность закрепления грунтов при наличии грунтовых вод с большой скоростью движения.

Основная реакция взаимодействия между раствором си­ ликата натрия и хлористым кальцием, по Б. А. Ржаницыну (1949),'протекает по схеме:

Na20 • «Si02 -f СаС12 -j- mH20 = nSi02 (т — 1) Н 20 ~

-f Са (ОН)2 + 2NaCl.

На поверхности раздела жидкого стекла и хлористого кальция образуется вследствие коагуляции пленка кремне­ кислоты, через которую в раствор хлористого кальция диф­ фундирует щелочь. Обедненное щелочью жидкое стекло по­ степенно желатинизируется и переходит в гидрогел~ь крем­ ниевой кислоты. Освободившаяся щелочь взаимодействует с хлористым кальцием с образованием гидроокиси кальция и хлористого натрия. При наступлении предела растворимости

30

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).