Понятие инъекции. Области применения

Инъекционный процесс – это принудительное распространение жидкостей различного состава и состояния в поровом пространстве пород и связанный с этим процесс пропитки массива на возможно большее расстояние.

1802г – впервые Беренье использовал для «лечения» каменной кладки ниже УГВ.

Промышленное распространение – конец 19 века.

Инъекционный процесс ограничен действием давления гелеобразования, которое определяет временной интервал инъекции.

По качеству инъекции выделяют: а) силовые рецептуры (увеличение силовых свойств) и б) тампонажные

По агрегатному состоянию выделяют: а) суспензии (глинистые, цементные), б) эмульсии (битумные), в) коллоидные и истинные растворы

К коллоидным относят растворы жидкого стекла и синтетические смолы

К истинным относят растворы щелочей и кислот высокой концентрации

Коллоидные и истинные растворы объединяют в химические. Выбор инъекционного раствора обусловлен следующими факторами:

1) устойчивость во времени, расслаивание растворов и водоотдача

2) время схватывания

3) объем затвердевшего раствора

4) достаточная сопротивляемость действию нагрузок и движущейся воде

5) вязкость растворов; чем ниже – тем лучше (в общем случае)

6) реологические свойства растворов, структурная прочность, тиксотропия и др.

7) размер частиц дисперсной фазы, маскимальный диаметр, распределение по фракциям

8) долговечность затвердевшего раствора

9) неагрессивность по отношению к породе

Подбор того или иного инъекционного раствора основан на полуэмпирических формулах. Для суспензии инъекция успешна, если d₁₅/D₁₀ >25, где d – диаметр частиц породы, D – частиц суспензии; для скальных d_тр/D_max >3, где d – раскрытие трещин, D – max диаметр частиц суспензии.

Из практики видно видно, что очень плохо закрепляются горные породы с Кф > 200м/сут, грунты с Кф < 5 м/сут.

Решаются следующие задачи: 1)снижение противодавления и взвешивающего давления при возведении плотин. 2)снижение фильтрационных расходов (скоростей движения) подземных вод. 3)предохранение от химической и механической суффозии и размыва. 4) повышение прочности и модуля деформации.

Билет 16

Влияние геол. среды на эффективность закрепления.

1) Обезвоживание суспензий. При движения раб. р-ра в поровом и трещинном пространстве грунта наблюдается отжатие влаги из рабочей суспензии. Это приводит к повышению ρ и ŋ (вязкость), что сказывается на реологич. св-вах. Цементные суспензии способны проникать в трещины с раскрытием 0,1-0,2 см. Но на практике оказывается, что цементный суспензионный р-р теряет до 50% дисперсионноый среды (воды). Различные добавки активирующие (глины, жидкое стекло) способны снизить водоотдачу рабочей суспензии. Цементно-глинсто-силикатный р-р имеет водоотдачу 10-15%.

2) Разбавление рабочего раствора. При наличии в поровом пр-ве влаги с меньшей концентрацией по отношению к рабочему р-ру происходит разбавлению. Принципы разбавления: а) За счет разности концентрации, б) За счет микродисперсии. Последняя связана с тем, что движение рабочего раствора происходит не единым фронтом, а дробится на струйки, которые смачивают грунт грунт неравномерно. Для снижения эффекта разбавления точки располагают так, чтобы обеспечить 50% перекрытие радиусов инъекций. 4 зоны разбавления 1) t = t_исх, C = C_исх; 2) t > t_грунта, C = C_исх; 3) t = t_гр, C₀ < C <C_исх; 4) t = t_гр, C ~ C_0.

3) Сродство выпадающих в виде цемента новообразований к минеральной пов-ти грунта.

Эффект закрепления зависит от состава пов-ых аутигенных пленок (при прочих равных). Пленки: гидроокислы, окислы Fe, Mg, Al, глинистые, органо-минеральные. Наибольшим сродством с минералом цементного камня, силикатам, карбомидным смолам обладают минеральные пленки. Помимо этого минералы аутигенных пленок могут реагировать с компонентами рабочих растворов, изменяя их физ-хим. св-ва и влиять на время цементообразования.

Газовая силикатизация и аммонизация лессовых грунтов.

Для борьбы с просадкой лессовых грунтов Аскалановым в 1946г был разработан способ однорастворной силикатизации. Применение силикатных растворов низкой вязкости (ρ=1,05-1,15), что обуславливает высокую проникаемость. В результате взаимодействия силиката натрия с обменными основаниями и воднорастворимыми солями грунтов, на поверхности частиц образуются тонкие пленки геля кремневой кислоты. [ПК]Ca+Na₂O*nSiO₂ +mH₂O=[ПК]2Na+nSiO₂(m-1)H₂O+Ca(OH₂) CaSO₄+Na₂O*SiO₂+mH₂O=n SiO₂(m-1) H₂O+Ca(OH₂)+Na₂So₄. Роль отвердителя силикатных растворов в данном случае выполняет сам закрепляемый грунт. При малой обменной емкости лессов или отсутствии гипса значительная часть введенного в грунт силиката остается непрореагировавшей и разработан способ основанный, на применении углекислого газа. Метод основан на инъекции растворов силиката натрия и последующем отвердении углекислым газом раствора силиката, непрореагировавшего с грунтом. Для закрепления лессовых грунтов с пониженной физико-химической активностью и повышенной влажностью, был предложен способ силикатизации с предварительной активизацией среды углекислым газом. Перед инъекцией раствора силиката натрия в грунт, пропускается 2-3 кг углекислого газа на 1 м³ грунта, углекислый газ растворяется в пленочной влаге, происходит ее подкисление карбонаты переходят в бикарбонаты. Затем инъецируется раствор силиката натрия и бикарбонат кальция реагирует с ним, на поверхности частиц формируется микрослой цементирующих новообразований известково-силикатного вяжущего. После инъекции для непрореагировавших силикатов натрия в порах породы, еще раз закачивают углекислый газ для дальнейшего отверждения. Применение углекислого газа позволяет: повысить качество закрепления: прочность 5кг/см², водоустойчивость, неразмокаемость, минимальные значения просадочности и долговечность.

В ряде случаев не возникает необходимости в повышении прочности, достаточно бывает ликвидации или уменьшение просадочности. Способ основан на нагнетании газообразного аммиака при давлении 0,2-0,6 атм. В грунт через инъекторы или пробуренные скважины. Аммиак поглощается водными пленками и вступает в реакции обмена с обменным комплексом породы. Выделение Ca(OH₂) происходит на поверхности и в местах контактов частиц. Повышается pH среды, в результате чего образовавшийся ион аммония вступает в обменную реакцию, вытесняет Ca в виде портлантида. В результате взаимодействия гидроокиси кальция и кремневой кислоты образуется известково-кремнеземистое вяжущее. Это обуславливает стабилизацию грунта и предотвращает просадочность при его замачивании.

Типы цементов

Порошкообразные смеси на основе главным образом силикатов и алюминатов кальция, известные в строительном деле – цемент. Специально подобранные смеси используют для получения искусственных материалов с заданными свойствами. Портландцемент продукт спекания извести и глины. В состав цемента входит: алит (40-65%); белит (15-30%); трехкальциевый алюминат (6-12%); четырехкальциевый алюмоферит и феррит (5-15%). Свойства портландцемента зависят от его состава и тонкости помола и определяются на основании показателей нормальной густоты цементного теста, сроков схватывания и марки (прочность на изгиб и прочность на сжатие). Минералы цементного камня могут подвергаться карбонатной и сульфатной агрессии. Были введены пуццолановые добавки (трепел, опока, жидкое стекло и т.д.), действие сводилось чтобы связать Ca(OH₂) с SiO₂, что обусловило получению сульфатостойких пуццолановых цементов. Также к этому типу относятся глиноземестый цемент, который является монокальциевый алюминат Ca (45-65%). Он обуславливает высокую прочность цементного камня в ранние сроки твердения при нормальной скорости схватывания. Марки глиноземистого цемента устанавливают по прочности в возрасте 3-х суток. Гидратация глиноземистого цемента протекает с большим тепловыделением, поэтому он может твердеть при отрицательных температурах. Добавка 30% двуводного гипса к глиноземистому цементу способствует получению расширяющегося цемента. Применение для тампонажного закрепления горных пород. Кроме того используются золы и шлаки в цементе, которые образуются от сжигания твердых видов топлива (уголь, сланцы, торф) на тепловых станциях (ТЭС). Вяжущие свойства зол зависят от химико-минерального состава, дисперсности и микроструктуры, которые в свою очередь зависят от состава минеральной части топлива, режима сжигания, способа улавливания и удаления от места сбора. В состав входит: 30-50% клинкерных материалов; CaO, CaSO₄, гипс, кварц (10-40%); карбонаты (5-30%); кремнезем (до 40%); стекловатая фаза (состав не постоянен): в качестве примесей магнетит, глауконит, опал, КПШ, циркон, гранат, рутил и корунд. Выделяют: 1)золы сухого удаления; 2)золы гидро удаления; 3)гранулированные шлаки; 4)гранулированные шлаковые обвальные смеси. Активность 3) и 4) обусловлено стекловидной структурой. Эти материалы обладают повышенной стойкостью против сульфатных вод.