Физико-химические методы изменения состояния горных пород

Физико-химические методы применимы в основном к глинистым породам, обладающим значительной или высокой обменной способностью, а также при комплексных методах их закрепления. Принцип воздействия заключается в обработке пород небольшими дозами реагентов (не более 1—3%), изменяющих их обменную способность и поверхность минеральных частиц. Обработка производится с целью изменения структуры (диспергации, агрегации) или защиты естественной структуры породы (например, от влияния воды). К физико-химическим методам относятся: кольматация, глинизация, глинование, пескование, торфование и солонцевание.
Собственно химические методы основаны на введении в породу химических реагентов, что приводит к значительному увеличению прочности, водо- и морозостойкости, уменьшению ее водопроницаемости в результате изменения состава и характера структурных связей.
Из химических методов наиболее широко применяются битумизация, силикатизация, цементация и известкование.
Битумизация пород подразделяется на глубинную (в массиве) и поверхностную. Горячая битумизация (введение в породу подогретого битума — до 160° С) применяется для закрепления и гидроизоляции трещиноватых пород с раскрытием трещин до 0,2—1 мм и удельным водопоглощением Q до 0,5 л/мин. Холодная битумизация (введение в породу битумных эмульсий) применяется для закрепления и гидроизоляции гравелисто-песчаных и песчаных пород с kф от 10 до 100 м/сут и удельным водопоглощением 0,1—1 л/мин. Грунтово-битумная изоляция выдерживает гидростатические давления более 2,5*10в5 Па.
Глубинная битумизация применяется для придания водонепроницаемости трещиноватым и щебенисто-гравийным породам, а также пескам, особенно при наличии в них подземных вод, движущихся с большой скоростью, или агрессивных вод, когда применять портландцементные растворы нецелесообразно.
Упрочнение пород синтетическими полимерами. При использовании синтетических полимеров образуется прочная и долговечная структура породы с затратой небольшого количества вяжущего вещества.
Продукты полимеризации и поликонденсации практически не подвергаются деструкции или расщеплению на исходные мономеры. Они обычно представляют собой химически инертные вещества, нерастворимые в воде и стойкие к биологическим воздействиям.
Наиболее распространены методы инъекционного закрепления массивов песчаных пород мочевиноформальдегидными смолами.
Упрочнение пород растворами жидкого стекла (силикат-растворами). Силикатизация подразделяется на двухрастворную и однорастворную.
Двухрастворный способ силикатизации (укрепление песков) предусматривает нагнетание в массив двух растворов: жидкого стекла и отвердителя. В результате песок приобретает значительную механическую прочность [осж = (5—60)*10в5 Н/м2] и водопроницаемость. Прочность силикатизированного грунта не снижается при воздействии на него кислых агрессивных вод.
Упрочнение обусловлено реакцией, происходящей между жидким стеклом и отвердителем (например, хлористым кальцием) с образованием кремнегеля:

Такая двухрастворная силикатизация эффективна для грунтов с коэффициентом фильтрации от 2 до 80 м/сут.
В качестве отвердителя жидкого стекла могут быть использованы также серная кислота, алюминат натрия, фосфорные кислоты, кремнефтористый натрий или аммоний, углекислый газ и др.
Однорастворный способ силикатизации имеет две модификации: 1) для пород химически активных — лёссов и 2) для пород химически неактивных — мелко- и тонкозернистых.
Способ силикатизации лёссов основан на легком и быстром проникновении (при небольшом давлении (2—3)*10в5 Па разведенного силикатраствора (10—20%-ной концентрации) и выделении пленки геля кремниевой кислоты, цементирующей лёсс. При этом лёсс приобретает водостойкость, прочность [осж = (8—18)*10в5 Н/м2].
Способ однорастворной силикатизации мелкозернистых песков и плывунов заключается в том, что в породу через систему инъекторов вводится силиказоль в состоянии слабовязкой жидкости с заранее заданным временем гелеобразования. При этом вода, заполняющая поры породы, вытесняется и замещается золем, который через определенное время превращается в гель. Гель заполняет поры песка и цементирует частицы, превращая песок в водонепроницаемый песчаник с повышенной прочностью.
В качестве коагулятора силиказоля используются: H3PO4; H2SO4; (NH4)2SO4; H2SiF6; NaO*Al2O3 и др.
Прочность кислых гелей несколько выше щелочных: через несколько часов осж достигает (40—60)*10в5 Н/м2. Прочность песков, закрепленных золями, обычно (1,5—2,5)*10в5 Н/м2 и более.
Силиказоли на основе жидкого стекла имеют незначительную вязкость, близкую к вязкости воды, что позволяет осуществить инъекцию пород с коэффициентом фильтрации от 0,3 м/сут и выше. Прочность закрепленных песков от 10 до (40—80)*10в5 Н/м2.
Цементация пород используется для устройства противофильтрационных завес, оснований и покрытий автомобильных дорог ii аэродромов и создания стройматериалов. Упрочнение пород цементом — наиболее распространенный и экономичный метод.
Применяются различные виды цементов: портландцементы, фоманцементы, шлаковые и пуццолановые цементы и др. Портландцемент представляет собой гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем обжига до спекания сырьевой смеси надлежащего состава, обеспечивающего преобладание в полученном клинкере силикатов кальция. Процесс твердения цемента определяется гидратацией его основных клинкерных минералов: 3СаО*SiO2; SCaO*Al2O3; 4СаО*Al2O3*Fe2O3 и др.
Продукты гидратации и гидролиза цемента (в результате силификации, алюминоза, химических, хемосорбционных и обменных процессов) способны сращиваться со всеми минеральными составляющими грунта. Степень и механизм сращивания (упрочнение цементированного грунта) зависят от активности (величины и природы) поверхности минеральных частиц и их агрегатов, кристаллохимических особенностей и теплофизических свойств слагающих грунт минералов, а также их растворимости, особенно в щелочной среде.
Цементация подразделяется на глубинную (укрепление пород в массиве) и поверхностную (укрепление пород с нарушенной структурой).
Способ поверхностной цементации используется в дорожноаэродромном строительстве, в результате обработки получается прочное [осж = (50—200)*10в5 Н/м2] и морозостойкое покрытие.
Сущность глубинной цементации заключается в том, что через пробуренные скважины или инъекторы под давлением (от 3 до 70*10в5 Ца) нагнетаются цементные растворы (суспензии) из цемента и воды или сложные смеси жидкой консистенции из цемента, воды, песка, глины и химических добавок.
Раствор заполняет трещины и пустоты в породе и затем твердеет, в результате чего снижается ее водопроницаемость и приобретается значительная прочность.
Цементация лимитируется размером трещин в породах — до 0,1 мм, скоростью подземных вод — до 200 м/сут, видом агрессивности подземных вод (выщелачивающая, углекислая, общекислотная, сульфатная и магнезиальная).
Укрепление пород известью — один из способов упрочнения их в основаниях дорожных и аэродромных одежд. Известкование также применяется при изготовлении стройматериалов. В последнее время известь используется для укрепления илов (известковопесчаными сваями — дренами) и при комплексном упрочнении пород.
Упрочнение пород известью обусловлено: 1) испарением воды и постепенной кристаллизацией гидрата окиси кальция; 2) карбонатизацией гидрата окиси кальция при поглощении СO2 воздуха; 3) хемосорбционными и химическими процессами связывания извести кремнеземом в гидросиликаты кальция.