Силикатизация двухрастворным методом

Химическая сущность двухрастворной силикатизации, необ­ходимые реагенты и технология были установлены еще в 1931 г. исследованиями, проведенными под руководством Б. А. Ржаницына.

Процесс заполнения пор и упрочнения песка происходит по следующей схеме. Нагнетаемое через скважину жидкое стекло заполняет поры грунта, вытесняя из них воду. При этом жидкое стекло разбавляется водой и, концентрация его уменьшается. Нагнетаемый затем в скважину раствор хлористого кальция вы­тесняет из пор жидкое стекло, за исключением тонких пленок его вокруг минеральных частиц. В результате реакции между жидким стеклом и раствором хлористого кальция на границе раздела этих жидкостей образуется пленка геля кремневой кис­лоты. Через эту пленку, из жидкого стекла диффундирует ще­лочь, которая взаимодействует с хлористым кальцием, образуя гидрат окиси кальция и хлористый натрий. Этот процесс, по данным Б. А. Ржаницына и В. А. Каргина, можно представить так:

2On SiO2 + СаСl2 + Н2O = п SiO2 + Са(ОН)2 + 2NaСl

Обедненное щелочью жидкое стекло постепенно желатинизируется и целиком переходит в гидрогель кремневой кислоты с адсорбированным на нем гидратом окиси кальция. Этот процесс заканчивается в пленке толщиной до 1 мм лишь через   10 сут.

В процессе реакции исходных растворов в осадок выпадают гель кремневой кислоты и окись кальция, заполняющие поры грунта, а адсорбционное соединение кремневой кислоты и гид­рата окиси кальция образует на поверхности частиц песка це­ментирующую их пленку. Хлористый натрий остается в раство­ре и уносится новыми порциями раствора СаСl2 в отдаленные зоны, частично смешиваясь с ним и разбавляя раствор силика­та натрия, что приводит к постепенному уменьшению прочности закрепляемого грунта, ограничивая радиус закрепления.

Значение радиуса закрепления определяется концентрацией жидкого стекла и раствора хлористого кальция, а также модулем жидкого cтекла. С уменьшением этих характеристик ради­ус упрочнения грунта уменьшается, причем уменьшение концентрации раствора хлористого кальция и возрастание количества щелочи происходят интенсивней в грунтах, имеющих   большую площадь суммарной поверхности минеральных частиц. Поэтому у крупнозернистых грунтов  радиус упрочнения больше, чем у мелкозернистых.  На основе исследований процессов двухрастворной силикатазации Б. А. Ржаницын рекомендует определять   максимальный радиус закрепления песков в пределах применимости метода по следующей формуле:

   (6.3)

где:   - коэффициент фильтрации песка, м/сут.

Кроме основной реакции при двухрастворной силикатизации могут происходить и побочные, например с образованием окси хлоридов кальция по схеме

п Са(ОН)2 + СаСl2 + mН2O = пСаО.СаСl2 (m + п) Н2O

что также способствует упрочнению связей минеральных частиц песка.                                                              
Отвердение жидкого стекла происходит при взаимодействии его не только с хлористым кальцием, но и с другими хлоридами (табл. 6.4).

Однако прочность закрепления при применении всех этих хлоридов, кроме хлористого бария, получается меньше, а хлористый барий является более дорогим отвердителем, чем СаСl2.

 

 

Ограничение области применения метода двухрастворной си­ликатизации   обусловлено тем, что вязкие растворы силиката натрия и хлористого кальция не проникают в более мелкие пески с меньшим коэффициентом фильтрации. Ограниче­ние же области его применения   обусловлено тем, что при нагнетании этих растворов в грунт с большим коэффи­циентом фильтрации радиус их распространения даже при нез­начительном давлении будет большим, растворы не заполнят все поры и кремнегель поручится рыхлым, кроме того, неболь­шая площадь суммарной поверхности частиц грунта приводит к малой прочности закрепления массива.