3 Двухрастворный способ силикатизации песков

Двухрастворный способ силикатизации предложен впервые И. Езерским в 1886 г. (Германия). Сущность способа состояла в нагнетании под давлением через полые трубки растворов калиевого или натриевого жидкого стекла, а затем растворов солей щелочноземельных металлов, например ВаС1₂, СаС1₂, MgCl₂, Ba(N0₃)₂, Ca(N0₃)₂, Mg(N0₃)₂ Способ был применен при создании фундаментов-опор мостов и укреплений стенок шахт в водонасыщенных грун­тах. Перед инъекцией закрепляющих растворов автор рекомендовал пропус­тить через трубы-инъекторы сжатый воздух для оттеснения воды из грунта.

Основная идея способа заключается в нагнетании двух различных химиче­ских веществ, которые, вступая между собой в реакцию, дают нерастворимый осадок, заполняющий трещины и пустоты, и производят, таким образом, укрепление и уплотнение грунта. В качестве таких растворов были использова­ны натриевое или калийное растворимое стекло и растворы различных хло­ристых солей. Наилучший эффект получался при использовании растворов хлористых солей щелочноземельных металлов.

В российском варианте способ основан на использовании раствора силиката натрия и растворов солей двух и трехвалентных металлов, из которых наиболее эконо­мичным и недефицитным является хлористый кальций. Быстрота протекаю­щих реакций взаимодействия между силикатом натрия и хлористым кальци­ем обусловливает возможность закрепления пород при наличии подземных вод с большой скоростью движения.

Основная реакция взаимодействия между раствором силиката натрия и хло­ристым кальцием происходит по схеме:

Na₂0*nSi0₂ + СаС1₂ + mH ₂0= nSi0₂*(n - 1)Н₂0 + Са(ОН)₂ + 2NaCl

На контакте растворов жидкого стекла и хлористого кальция, вследствие коагуляции, образуется пленка кремневой кислоты, через которую в раствор хлористого кальция диффундирует щелочь. Обедненное щелочью жидкое стек­ло постепенно желатинизируется и переходит в гидрогель кремневой кисло­ты. Щелочь взаимодействует с хлористым кальцием, при этом образуется гид­роокись кальция и хлористый натрий. Насыщение раствора хлористого каль­ция гидроокисью кальция приводит в последующий период к выпадению твердой фазы Са(ОН)₂. Со временем гидроокись кальция вступает во взаимо­действие с кремневой кислотой и образуется силикат кальция. Эта реакция протекает очень медленно, в течение многих месяцев. Технологически двухрастворный способ осуществляется путем последовательного нагнетания растворов силиката натрия с плотностью 1,35-1,44 г/см³ и хлористого кальция плотностью 1,25-1,26 г/см³ через систему инъекторов, забитых в грунт. Со­единения, образовавшиеся в результате химических и физико-химических ре­акций, цементируют рыхлые песчаные грунты, придают им прочность и обес­печивают водонепроницаемость. Прочность закрепления зависит как от со­става и свойств жидкого стекла, так и от состава грунта и степени его увлажнения.

Прочность закрепления зависит от концентрации раствора жидкого стек­ла: чем больше разведение стекла, тем ниже прочность. Это необходимо учитывать при закреплении грунтов. При закреплении водонасыщенных песков концентрация рабочих растворов силиката натрия должна быть мак­симальной. Однако применение высококонцентрированных растворов сили­ката натрия с плотностью более 1,44 г/см³ затруднено в связи с резким возрас­танием вязкости, которая достигает значения 9,5-10,0 сПа, что обусловлива­ет резкое уменьшение проникаемости растворов в породу и сокращение радиуса закрепления.

Прочность закрепленных песков зависит от времени. Основное нараста­ние прочности (70-80%) наблюдается в первые 10 суток, остальные 20-30% прочности добавляются постепенно в течение трех месяцев. Дисперсность пес­чаных грунтов и, соответственно, величина удельной поверхности оказывает непосредственное влияние на результаты закрепления. Увеличение дисперс­ности приводит к росту числа контактов в закрепленном грунте, что обуслов­ливает рост прочности.

Исследования, проведенные на различных фракциях кварцевого песка, позволили установить эмпирическую зависимость вида:

δсж =0,015*S*M_C*³√Sуд

где а^ - прочность на одноосное сжатие, МПа; S - содержание Si0₂ в жид­ком стекле; М_с - модуль жидкого стекла; S_уд - удельная поверхность частиц см²/см³. Недостатком этой зависимости является отсутствие учета качества поверхности песчаных зерен. Можно только предположить, что коэффициент 0,015 в какой-то степени отражает влияние состава и рельефа поверхности частиц.

Влияние примесей глинистых частиц в песчаных грунтах на прочность за­крепления весьма значительно и двойственно. С одной стороны, высокая физико-химическая активность глинистых фракций обусловливает повышенные результаты по прочности закрепления (табл.49). С другой, - присутствие гли­нистых фракций снижает проницаемость пород и радиус закрепления. Влияние минералогического состава песков при закреплении их двухрастворным способом специально не исследовалось. Однако уже в 1935 г. Б.А. Ржаницын отмечал, что значительная часть минералов, в особенности кварц, принимает участие в происходящих процессах. Это предположение вытекало из условия, что закреплению могут быть подвергнуты только те грунты, частицы которых адсорбируют на своей поверхности кремнекислоту.Разработка двухрастворного способа явилась важным этапом развития инъекционного закрепления песчаных грунтов. Способ не потерял своего зна­чения и в настоящее время. Границы применимости двухрастворного способа силикатизации установлены для песчаных грунтов с коэффициентом фильт­рации не менее 2 и не более 80 м/сутки. Верхний предел применимости ограни­чивается песчано-гравелистыми грунтами, для закрепления которых уже воз­можно применять цементацию.

Недостатками двухрастворного способа является, во-первых, некоторая неоднородность и небольшой радиус закрепления в грунтах с небольшими ко­эффициентами фильтрации и, во-вторых, относительная сложность его технологической схемы. Неоднородность закрепления обусловлена неравномер­ностью смешения растворов в закрепленном грунте, так как при последова­тельной инъекции двух растворов происходит оттеснение в сторону от инъектора предварительно введенного силиката натрия, и закрепление осу­ществляется на контакте двух растворов. Эти особенности определяют фактическую неприменимость способа для грунтов с К_ф менее 5-6 м/сут. Таким образом, за пределами применимости двухрастворного способа остается груп­па мелкозернистых, пылеватых песков и супесей.

Билет №2