Электроосмотическое осушение глинистых грунтов.

Явление открыто профессором МГУ Рейссом. Основано на элетроосмосе. При наложении внешнего элек. поля постоянного тока ионы диффузного слоя менее связанные с поверхностью, станут смещаться по направлению к полюсу противоположного им знака и в силу молекуляр. сцепления и трения увлекут воду за собой. Глин. частицы имеют, как правило, отриц. заряд, ионы в диффуз. слое — положит.

Теория основана на допущении о том, что радиус пор больше толщины диффуз. оболочек глин. частиц, а концентрация электролита не превышает величины, необходимой для нейтрализации отрицат. заряда глин. частиц (это ни хера не так).

Уравнение Гельмгольца-Смолуховского:

Ve = (Dζi/4πηϰ) = (DζEF/4πη) = КэEF

Ve — скорость потока, D — диэлектр. проницаемость, ζ — дзета-потенциал, E — напряжённость электрического поля в вольтах, η — вязкость пор. раствора, i — сила тока, ϰ — удельная электропроводность жидкой фазы системы, F — площадь поперечного сечения, Кэ — коэф. электроосмоса.

Все факторы, влияющие на толщину диффуз. слоя, определяющего величину ζ-потенциала, влияют на скорость электроосмоса: грансостав, минер. состав, ЕКО, состав и кол-во обмен. катионов, концентрация электролита, влажность.

Факторы, осложняющие применение метода:

1)деформирование грунта в процессе электроосмоса;

2)непостоянство физ.-хим. природы поверхности раздела из-за хим. активности и коллоид.-хим. природы грунтов;

3)микростроение, часто с преобладанием пор диаметром <0,02 мм;

4)гидравлическая прерывистость грунтовых систем.

Классификация по эффективности проведения электроосмоса:

1) крупный песок <0,25, неактивный;

2) мелкие и средние пески 0,25-2,5, малоактивные;

3) супеси и легкие суглинки 2,5-25, среднеактивные;

4) средние суглинки, легкие глины, 25-1000, высокоактивные

5) средние и тяжелые глины >1000, высокоактивные;

Электроосмос используют вместе с откачкой.

Применяется для грунтов с влажностью от предела пластичности до влажности набухания.

Наиболее эффективен при содержании в грунте частиц <0,01 мм в количестве >50% и Кф<0,01 м/сут.

Электроосмос влияет на Кф (диаметр пор увеличивается).

Схемы электроосм. понижения:

-при значительных объёмах осушения (>1000 кубометров) участок осушаемой выработки ограждают 2 рядами перфорированных труб-электродов: катодным и анодным (аноды — внутр. линия)

-при небольших объёмах работ электроды располагают рядами и в шахм. порядке. Глубина заложения зависит от мощности осушаемого слоя.

Использование силикатных растворов при уплотнении скальных трещиноватых грунтов.

Наибольшие трудности при инъециовании осад. пород с низкой проницаемостью (q<0,1 л/мин) типа песчаников, алевролитов, гипсов, известняков, мергелей и т.д. Для карбонатов и гипсов нижно минимально снижать скорость фильтрации воды, чтоб не развивался карст.

Из щелочных силикат. рецептур используют алюмосиликат. рецептуру, обладающую малой вязкостью и хорошо регулируемым временем гелеобразования. Минусы: при снижении температуры время гелеобр. резко увеличивается. Т.к. инъецируемый р-р почти сразу принимает температуру среды, гель может не успеть сформироваться и быть снесённым на хер от точки инъекции.

Кремнефтористоводородная (КФВ) рецептура. Минусы: необходимость предварительного охлаждения компонентов р-ра до темп. ниже 10˚С и коррозионная активность КФВ-кислоты по отношению к металлу.

У нас на грёбаной кафедре в 1972 Воронкевич и др. разработали новый тампонаж. раствор, в основу которого были положены следующие принципы:

1) помимо обычных свойств, тампонаж. р-р должен обладать высокой проникающей способностью;

2) структура гелей должна при водостойкости и прочности обеспечить отток вредных для для стабильности геля продуктов реакции;

3) растворы и гели должны обладать высокой адгезией по отношению к породам;

4) они должны быть устойчивы против действия агрессивных вод.

Синтез тампнаж. щавелевоалюмосиликатного (ЩАС) раствора базируется на следующих особенностях алюмосиликатных систем:

1) сильное коагулирующее действие солей алюминия на коллоидный кремнезём;

2) существенное уменьшение скорости и степени деполимеризации геля кремнекислоты в присутствии алюминия в щелочной среде;

3) соотношение растворимости кремнезёма и глинозёма в зависимости от pH среды;

4) защитное действие органич. кислот по отношению к золям кремнекислоты и глинозёма.

ЩАС-рецептура основана на использовании жидкого стекла и комплексного отвердителя (раствор сернокислого алюминия в растворе щавелевой кислоты. Происходит образование золя кремнекислоты. Затем, вследствие его насыщения алюминием происходит гидролиз сернокисл. алюминия в щелоч. среде, что приводит к поликнденсации кремнекислоты и алюмосиликатных комплексов. Общее уравнение реакции силиката натрия с отвердителем:

4Na2OnSiO2+H2C2O4+Al2(SO4)3+6H2O=2Al(OH)3(n-2)SiO2+2H4SiO4+ Na2C2O4+3Na2SO4

Комплексный отвердитель используется если раствор силиката не плотнее 1,20 г/см3. Или при более высоких рН будет происходить преждевременный гидролиз сернокислого алюминия. С увличением расхода отвердителя уменьшается содержание кремнезема в растворе, но силикат. модуль растет.

Температуры ЩАС-растворов от +16 до +20, вязкость не больше 1,2-1,6 сП. Прочность гелей на сжатие после 1 суток от 4 (время гелеобр. - 2-3 ч) до 14,5 кПа (60-90 мин).

Радиус инъекции.

Является одним из основных параметров инъекционного процесса при движении раствора через пористую и трещиноватую среды. Есть несколько жопных формул (Мааг, Адамович, Каранфилов, Луговской) для ориентировочного расчёта.

Это здоровое выражение, где под квадратным корнем (у Каранфилова - кубическим) дробь. В числителе присутствуют Кф или коэфф. проницаемости, время движения раствора, напор (давление инъекции), отношение кинематических вязкостей воды и раствора (кроме Луговского), плотность раствора (только у Луговского). В знаменателе — объёмная или активная пористость, динамическая вязкость у Луговского, коэфф., учитывающий степень заполнения пустот грунта инъекционным раствором.при нагнетании однородных вязких жидкостей (силикат. растворов, битум. эмульсий)

Формулами имеет смысл пользоваться для ориентировочной оценки радиуса инъекции

Во всех этих формулах исходят из условий сохранения постоянного перепада давлений.

Основной момент, определяющий выбор давлений — это условие ведения инъекционных работ. Их может быть 2:

1) инъекция с разрывом сплошности грунта;

2) без разрыва.

Когда разрыв не противопоказан безопасности, устойчивости объекта и эффективности инъекции, он может характеризоваться как положительное явление. А ещё его иногда используют специально (отдельный билет).

При цементации радиус равен 1-1,5 м. Зависит от Кф, характера трещиноватости, типа цемента.

При глинизации первые десятки сантиметров. Раствор глины более вязкий.

Битумизация. Радиуса как такового нет, поскольку она применяется при залечивании трещин, вытеснении из них воды.

Двухрастворная силикатизация. 30-50 см.

Однорастворная. 1-2 м (?).

Билет №9

1. Битумы и битумные эмульсии.
Битумы. По происхождению битумы бывают: природные и искусственные (нефтяные или сланцевые (продукты переработки нефти или сланцев)). Природные битумы встречаются в чистом виде или содержаться в асфальтовых горных породах. Представляют собой смесь углеводородов и их производных – кислородных, сернистых, азотистых. В составе: масла, смолы (дисперсионная среда), асфальтены, карбены, карбоиды, парафин (дисперсная фаза), асфальтогеновые кислоты, ангидриты асфальтогеновых кислот (ПАВ). От состава битума зависят его физ-мех св-ва: чем больше масел, тем меньше вязкость; смолы увеличивают растяжимость; чем больше асфальтенов, тем больше вязкость и температура размягчения, и меньше температурная чувствительность; чем больше асфальтеновых кислот и их ангидритов, тем больше прочность прилипания битума к минеральным материалам; чем больше парафина, тем больше температурная чувствительность и гидрофобность.
Классификация битумов: твердые, полутвёрдые, жидкие – нормируются по вязкости, выраженной в градусах глубины. 1г.г. – погружение стальной иглы в битум на 0,1 мм под нагрузкой 100г за 5 сек. Жидкие (>200г.г.) – медленно и среднегустеющие, температура вспышки (возгарания) – 650. Полутвердые (80-200г.г.) и Твердые (<80г.г.) – температура вспышки – 180-210^о. Для разжижения битумов и более рационального их использования в них добавляют керосин или бензин (которые испаряются) или готовят битумные эмульсии.
Битумные эмульсии. Эмульсия – коллоидно-дисперсная система, в которой одна жидкость в виде мельчайших капелек (1-10 мкм) диспергирована в другой жидкости, не смешивающейся с ней. От величины поверхностного натяжения дисперсгой среды и диспергированной фазы зависит степень устойчивости эмульсии. Для повышения устойчивости вводят эмульгаторы – катионоактивные и анионоактивные водорастворимые вещества. Эмульсии с анионоактивными эмульгаторами (мыла: щелочные соли жирных и др. органических кислот) называются щелочными; с катионоактивными (соли аминов) – кислыми. Молекулы эмульгаторов заряжают капли битума одноименными зарядами и они отталкиваются друг от друга.
Эмульсии бывают прямые (битум в воде) и обратные (вода в битуме). Распад эмульсии происходит при выделении воды и сливании капелек битума под действием коагулянтов (например, кислоты и их соли). Битумы отличаются высокой химической инертностью, что обусловливает их устойчивость к агрессивным водам, водо- и воздухонепроницаемость, адгезионные свойства и долговечность.
2. Методы механического уплотнения песчаных пород.
Принципы и методы уплотнения весьма разнообразны. Существует уплотнение укаткой, трамбованием, вибрацией, энергией взрывов и др. Уплотненным считается песок с плотностью скелета более 1,6 г/см³.
Гидровиброуплотнение. Под действием вибрации частицы песка теряют структурное сцепление, φ уменьшается на 30о, песок переходит в текучее состояние. Дальнейшее уплотнение происходит за счет силы тяжести, поэтому метод является пассивным. В итоге частицы испытывают колебательные движения, происходит их перемещение с образованием более плотной упаковки, уменьшается пористости, увеличивается φ. Наилучший эффект возникает при влажности на 20-30% большей, чем W_опт. Если W<W_опт на 20-30%, то уплотнения не происходит вообще.
Глубинное уплотнение. С 1939г. Для уплотнения используют вибраторы (цилиндрической формы 2-5 м на 10-45 мм) для укладки бетона, состоящие из мотора, эксцентриситета и 2ух соплов для подачи воды. Вибраторы опускаются на заданную глубину и в момент опускания подаётся вода. Чтобы не наблюдалось опускания поверхности через скважину производится подсыпка песка. В результате образуется песчаная свая с высокой плотностью сложения. R=3√(9.41*Q/γ) – радиус уплотнения, Q – вес рабочей части вибратора, γ – плотность песка. Между сваями грунт также становится более уплотненным. Глубинность уплотнения до 2 м.
Энергией взрывов. С 1936 г. (Филимонов и Маслов). Заряды располагают по скважинам на определенном расстоянии, после взрыва скважина расширяется. Ее послойно заполняют грунтом, методом утрамбовывания. Скважины располагаются по сетке и взрываются в 4 очереди. h=3√C/0.055 – глубина заложения заряда, С – масса заряда. Глубина влияния 1,5h. R=K*3√C – мах. Радиус зоны уплотнения, К – зависит от плотности.
Электроискровой метод. С 1961 г. В массив опускается 2 электрода, пропускают разряд в течение 10-60 мкс, 4-50 кВ. Возникающий заряд создаёт давление до 3000 атм на расстоянии 3 см от эпицентра и до 15 атм на расстоянии 1,5 м.
Электро-вибро-импульсный метод. С 1963 г. Под действием колебаний, подобных сейсмоволнам, которые развиваются электроимпульсной вибрацией и при одновременном инъецировании воды происходит уплотнение песка. В результате импульсного воздействия создаются акустические колебания с ускорением в 10-20g. Радиус воздействия увеличивается до 2ух м. Метод самый экономичный.
Уплотнение грунтов укаткой. Грунт при W_опт (для песков 8-13% укладывается слоем в 0,5 м и укатывается катками. Процесс нарастания прочности продолжается несколько суток. Для песков используется редко, чаще для глинистых.
Трамбование грунтов. Позволяет уплотнять более мощные слои. Метод обычно используется для недоуплотненных песчаных грунтов, образованных искусственной отсыпкой. Трамбование – за счет энергии падающей массы. Приповерхностная часть утрамбовывается лучше.
3. Типы агрессивности к цементным растворам.
Минералы цементного камня могут подвергаться агрессии. Степень агрессии определяется по степени разрушения защитного слоя над железной арматурой за 50 лет, толщиной 3 см. <1 см – низкая, 1-2 средняя, >2 – сильная агрессия.
Карбонатная – связана с повышенным содержанием СО₂, приводящим к выщелачиванию: Са(ОН)₂+СО₂=СаСО₃+Н₂О, СаСО₃+СО₂+Н₂О=Са(НСО₃)₂. Присутствие в цементном камне гидроалюминатов кальция и карбоната кальция способствуют формированию новообразований, что вызывает потерю прочности, водо- и морозостойкости цемента.
Сульфатная – под действием SO₄, при наличии которого образуется гипс а затем гидросульфоалюминат кальция («цементная бацилла» или эттрингит): 3CaO*Al₂O₃*3CaSO₄*31H₂O. Он при кристаллизации увеличивает объём в 2,5 раза, образуя игольчатые кристаллы. При взаимодействии с солями (NaCl) превращается в студень.
Кислотная – растворение проходит до ионного состояния.
Магнезиальная – при повышенном содержании Mg, происходит замещение вяжущего кальцита с образованием легкорастворимого Mg(OH)₂.
Выщелачивающая – под воздействием ультрапресных вод.
Для повышения устойчивости цементного камня были созданы различные разновидности цемента. Для увеличения сульфатостойкости вводят пуццолановые добавки (трепел, опока, жидкое стекло), которые связывают Ca(OH)₂ c SiO₂.

Билет 10.

1. Типы инъекционных растворов (ИР). Основные требования, применяемые к ним.

По хар-ру процессов, протекающих при твердении ИР, их разделяют на группы:

1) Гидратационые (портланд-цемент (ПЦ);

2) коагуляционные (глины, битумы);

3) поликонденсационные (жидкое стекло, синтетические смолы).

По агрегатному состоянию:

1. Суспензии

a. Глинистые

b. Цементные

2. Эмульсии (битумные)

3. Коллоидные и истинные р-ры (также химические растворы)

a. Синтетические смолы

b. Растворы щелочей и кислоты высокой концентрации

Технологические св-ва (~требования) для

суспензионных ИР:

1. Устойчивость во времени

2. Время схватывания (седиментации)

3. Объем затвердевшего ИР (чем больше при равных затратах материалов ― тем лучше)

4. Сопротивляемость нагрузкам

5. Вязкость

6. Реологические свойства

7. Размер и распределение по размерам дисп. Фазы

8. Долговечность затвердевшего ИР

Химических ИР:

1. Растворимость цементообразующего в-ва в воде

2. Низкая плотность и вязкость

3. Неизменность ИР до момента затвердевания

4. Нечувствительность к рабавлению и изм-ию t^o С

5. Регулируемость времени гелеобразования

6. Прочность и водостойкость геля

7. Высокая адгезия к породам и контактирующим с ИР стройматериалам и при этом неагрессивность к ним

8. Отсутствие влияния компонент грунтов на ход реакции

9. Низкая стоимость, нетоксичность

Подбор проводится по полуэмпирическим формулам:

Для дисп-х: _, d₁₅ ― размер ч-ц, меньше которого ― 15 % по массе грунта, D₈₅ ― аналогично для суспензии.

Для скальных: > 3, ― раскрытие трещины, ― макс. Р-р ч-ц дисп-й фазы ИР.

Также проводят опытные инъекции.