книги из ГПНТБ / Воронкевич, С. Д. Газовая силикатизация песчаных пород

ние представляют собой молекулы поликремниевой кислоты, каждая из которых состоит из нескольких атомов кремния, или коллоидные частицы S i0 2, содержащие тысячи атомов кремния. Поверхность частиц построена из групп SiO H . Воз­ никновение структурной сетки силикагеля происходит в ре­ зультате конденсации по силанольным группам с образова­ нием между частицами силоксановых связей, что постулиро­ вано Карманом.

Рис. 2. Электронномикроскопический снимок силикагеля, полученного при отверждении раствора силиката натрия H2SiFe (увеличение

1000)

Описанный тип поликонденсации отчетливо наблюдается при отверждении раствора силиката натрия кремнефтористо­ водородной кислотой. Исследованиями, проведенными на сканирующем микроскопе с разрешающей способностью 250 А, установлено, что частицы сферической формы явля­ ются основными структурными элементами силикатно-крем- нефтористых гелей (рис. 2 ). Конденсация силикагелей сопро­

52

вождается сшиванием частиц в агрегаты с первоначально слабо выраженной ориентацией. Со временем в структуре силикагеля появляются новообразования с четко выраженной

ориентацией частиц.

По С. А. Гринледжу и Д . Синклеру (1965), в щелочной среде монокремниевая кислота полимеризуется по уравнению

(НО)з S10 + Si (ОН)4 ^ (ОН)3—Si—О—Si (ОН)з + ОН“ .

Полимеризация вызывает конденсацию силонольных групп (SiOH) с образованием силоксановых связей. Сетка геля полпкремниевой кислоты построена из трехмерных цепей, не­ сущих большее или меньшее число тидроксильных групп

ниевой кислоты, образовавшихся при отверждении силиката натрия углекислым газом при увеличениях того же порядка, не дали картины агрегативного строения затвердевшего геля. Гель на поверхности частиц закрепленного песка отличается большой однородностью и полным отсутствием каких-либо структурных элементов (рис. 3). Газовый реагент при давле­ нии 4—5 атм вызывает почти мгновенную его коагуляцию. Это исключает возможность возникновения сферических эле­ ментов и способствует образованию однородной (при разре­ шающей способности микроскопа 250 А) объемной структуры полимера. Характерным для гелей является наличие тончай­ ших микротрещин, образование которых наблюдается в боль­ шой степени на образцах воздушного хранения, однако они просматриваются и при водном хранении образцов. Возник­

реагентом. Короткий срок гелеобразования неизбежно при­ водит к возникновению перенапряжений в системе геля крем-

53

пекпслоты за счет частичного отжатия жидкой фазы из структуры геля. Эти напряжения обусловливают местами нарушение целостности объема геля и возникновение тончай­ ших разрывов. При хранении закрепленных образцов на воз­ духе трещины выполняются кристаллами карбоната п бикар­ боната натрия. Образования кристаллов солен п заполнения ими трещин в воздушно-влажной и водной средах не про­ исходит.

Рис. 3. ЭлектроннОіМикроскошіческий снимок силикагеля, отвержденного С О 2 (увеличение 1000)

Проведенные теоретические представления и эксперимен­ тальные исследования показывают, что характер искусствен­ ного кремнеземистого цемента и, в частности, особенности его структуры зависят от условий, в которых протекает процесс поликонденсации с образованием неорганического полимера.

54

В конкретных условиях газовой силикатизации пород особен­ ности физико-химической обстановки в различных частях массива обусловливаются действием газообразного отверди­ теля. Механизм действия углекислого газа может быть в дан­ ном случае в общих чертах представлен следующим образом.

Газ, поступающий в пропитанную силикатным раствором породу под давлением около 5 атм, благодаря растворению и взаимодействию со щелочью энергично поглощается раство­

поглощаться в пределах ограниченной зоны вокруг инъектора. Можно ожидать, что за пределы этой зоны благодаря высокой

давление и мигрирующий газ обусловливают незначительный отток силикатного раствора и образующегося в ходе реакции ЫаНСОз от инъектора к периферии пропитанного массива, что приводит к известному снижению концентрации реаген­

образования геля кремнекислоты. Ширина этой зоны обуслов­

б) зона подкисления С 0 2, увеличения плотности раствора си­

делах первой зоны, что в свою очередь обусловливает возра­ стание количества поступающего в соседнюю зону газа и сме­ щение пространственного наложения выделенных зон в направлении от инъектора.

Характер и интенсивность действия С 0 2, а следовательно, и конкретные формы механизма этого процесса (особенности протекания основных химических процессов, ширина отдель­ ных зон, скорость распространения основных процессов в мас­

прочность закрепления как индекс нужной направленности и

55

полноты протекания процессов падает при увеличении водо­ проницаемости пород (рис. 4).

Сравнительно низкие значения прочности при закреплении песков с /Сф> 2 0 м/сут обусловлены уменьшением концентра­ ции углекислого газа в растворе силиката натрия в резуль­ тате спада газового давления в сильнофильтрующих грунтах. В связи с этим в грунте не создаются, с одной стороны, необ­ ходимые для полного отверждения силиката натрия концент­

рации углекислоты, с дру­

ты на поверхности в кон­ тактах песчаных зерен. Поры частично остаются незаполнен­ ными. Это подтверждается остаточной фильтрацией в закреп­ ленных песках (табл. 16). Коэффициент фильтрации в них тем выше, чем больше Кф грунта до закрепления.

Однако полевые опытные работы по закреплению аллю­ виальных кварцевых бескарбонатных песков показали, что увеличение концентрации жидкого стекла до значения удель­

10 кг/см2 в приинъекторной части. Низкие значения прочности после закрепления грунта в центральной части массива по сравнению с периферийной объясняются отжатием раствора силиката натрия газовым реагентом. Поэтому чем выше вяз­ кость раствора, тем меньше отжатие раствора и прочнее пленки геля.

Использование газообразного отвердителя позволяет не­ сколько увеличить объем закрепляемой толщи пород по срав­ нению с объемом закрепленного грунта одиорастворной сили­ катизацией при одинаковом расходе реагентов. По нашим данным, в зоне аэрации происходит увеличение объема закрепленного массива на 60—75%, а при закреплении водоиасыщенных песков — на 25—40%. По данным В. С. Шев­ цова и И. П. Черного (1971), радиус закрепления в зависи-

56

57

мостп от давления С 0 2 колеблется в пределах от 0,50 до 0,90 м, составляя 0,70 м при давлении газа 5 атм. Интересно отметить, что для исследованных ледниковых, песчаных отло­ жений прочность закрепления определяется не только кон­ центрацией силиката натрия, но и проницаемостью пород. В породах с низкой проницаемостью (/<ф<3 м/сут) концент­ рация основного раствора мало влияет на прочность закреп­

концентрации жидкого стекла всегда имеют практически по­ стоянную низкую прочность закрепления. Прочность закреп­ ления песчаных пород с /Сф, равным 3— 15 м/сут, тесно свя­ зана с концентрацией силикатного раствора и растет по мере ее увеличения.

Описанное явление свидетельствует о том, что качество закрепления зависит не только от концентрации жидкого стекла, но и от условий поступления газа в пропитанный мас­ сив. Причем наиболее сильно это влияние сказывается при наилучших н нанхудших условиях карбонизации массива. В этих случаях прочность определяется давлением и расхо­ дом углекислого газа. Так, например, независимо от концент­

карбонатного песка с /Сф= 17,34 м/сут после закрепления со­ ставляет 6 —7, 6 — 8 м/сут (см. табл. 16).

Таким образом, увеличение концентрации раствора сили­ ката натрия почти вдвое меньше влияет на прочность закреп­ ления песка с водопроницаемостью 16,8— 17,3 м/сут.

ХИМИЗМ ПРОЦЕССОВ В ПОРОДАХ, ОБРАБОТАННЫХ ГАЗОВОЙ СИЛИКАТИЗАЦИЕЙ

В составе геля кремниевой кислоты, образовавшегося при карбонизации раствора силиката натрия, оказывается зажа­ той вода с растворенными в ней бикарбонатами и карбона­

58

1 см3 воды, в то время как при давлении 1 атм и тех же температурах она равна 1,09— 1,0 см3 в 1см3 Н 20 . Поэтому при давлениях углекислого газа в ходе реакции 4—5 атм должен

Однако в закрепленном грунте фиксируется остаточная гид­ роокись натрия (табл. 18). В связи с этим pH среды не опу-

59

60