VIII.1.2. Двухрастворная силикатизация

Вопросы внедрения метода в практику и его исторические аспекты [31, 32] изложены в работах Йостена, Стаматиу, Ржаницына. Двухрастворная силикатизация применяется для закрепления песков при коэффициенте фильтрации 2—80 м/сут и сводится к поочередному нагнетанию в грунт растворов силиката натрия и хлористого кальция. В результате химической реакции, происходящей между этими растворами, в порах грунта выделяется гидрогель кремневой кислоты (SiO₂) и грунт быстро и прочно закрепляется [31]. Химическая реакция взаимодействия между растворами протекает следующим образом:

Na₂OnSiO₂ + СаСl₂ + mH₂O >> n SiO₂(m – 1)Н₂О + Са(ОН)₂ + 2NaCl.

Помимо геля кремневой кислоты, как видно из реакции, в порах грунта образуется и гидроокись кальция, которая также участвует в его упрочнении, связывая своей аморфной массой мелкие частицы грунта. В дальнейшем, как показали исследования, реакция между гидратом окиси кальция и избытком хлористого кальция приводит к образованию оксихлоридов кальция, что является также положительным фактором в процессе закрепления грунта:

nСа(ОН)₂ + СаСl₂ + mН₂O >> nСаO · СаСl₂ · mН₂O.

В результате всех этих процессов песчаный грунт приобретает прочность порядка 1,5—5 МПа, водонепроницаемость и устойчивость в агрессивных средах. Эти свойства обеспечили способу применение в различных областях строительства для:

• – увеличения несущей способности грунта под фундаментами зданий и сооружений;
• – защиты котлованов от притока грунтовых вод;
• – закрепления грунтов при проходке шахт, штолен и других подземных выработок;
• – создания водонепроницаемых завес и стенок гидротехнических сооружений;
• – борьбы с фильтрацией воды в бетонных сооружениях.

VIII.1.3. Однорастворная силикатизация

Возводить фундаменты и подземные сооружения часто приходится в сложных гидрогеологических условиях. Особую опасность представляют мелкие пески и плывуны, обладающие подвижностью. Коэффициент фильтрации их незначителен и колеблется в пределах 0,5—1 м/сут. Для закрепления мелких песков и плывунов разработан способ однорастворной силикатизации [19, 20]. Он основан на введении в грунт гелеобразующего раствора, состоящего из двух или трех компонентов, с вязкостью, близкой к вязкости воды и с замедленным (заранее заданным) временем гелеобразования. Однорастворная силикатизация сообщает грунту водонепроницаемость, достаточно высокую механическую прочность и применяется для защиты котлованов от притока грунтовых вод; закрепления грунтов при проходке подземных выработок; создания водонепроницаемых завес в гидротехнических сооружениях; увеличения несущей способности грунтов под фундаментами зданий и сооружений (рецептура: силикат натрия + кремнефтористоводородная кислота).

Силикатно-фосфорнокислая рецептура. В качестве отвердителя в данной рецептуре используется ортофосфорная кислота — Н₃РО₄. Выделение геля из гелеобразующего раствора происходит по реакции

Na₂OnSiO₂ + H₃PO₄ + mH₂O >> nSiO₂(m + 1)H₂O + Na₂HPO₄.

Широкого применения в строительной практике из-за дефицитности фосфорной кислоты рецептура не получила.

Силикатно-алюмосернокислая рецептура. Отвердителем в этой рецептуре является жидкое стекло кислого золя, состоящее из двух компонентов — серной кислоты и сернокислого алюминия. Использование серной кислоты в качестве коагулянта рентабельно, однако она слишком быстро коагулирует жидкое стекло, вследствие чего затрудняется регулирование времени гелеобразования. Для замедления процесса коагуляции в раствор серной кислоты добавляют реагенты, выполняющие роль буфера в процессе гелеобразования. Таким реагентом и является сернокислый алюминий.

Общий ход реакции между компонентами смеси можно представить следующим уравнением:

Na₂OnSiO₂ + H₂SO₄ + Al₂(SO₄)₃ + mH₂O >> nSiO₂(m – 1)H₂O + Na₂SO₄ + Al₂(SO₄)₃.

По тампонажным качествам силикатно-алюмосернокислый раствор не уступает силикатно-фосфорнокислому, но в состав его входят дешевые и недефицитные реактивы: серная кислота и сернокислый алюминий, что в 3—4 раза уменьшает стоимость материалов.

Силикатно-фтористосернокислая рецептура. В качестве отвердителя в указанной рецептуре используется серная кислота (в составе кислого золя). Буферные свойства кислоте придает фтористый натрий. Кислый золь готовится на 5%-ном растворе серной кислоты, в которую добавляется 0,5% фтористого натрия. Отдельно готовится раствор жидкого стекла плотностью 1,05 г/см³. Эти два раствора сливаются в соотношении 1:1. Приготовленный кислый золь вводится в раствор силиката натрия плотности 1,19 г/см³ в соотношении 4,3—3,4 части кислого золя (в зависимости от времени гелеобразования) на 2 части раствора силиката натрия.

Аммонийно-силикатная рецептура. В качестве коагулянтов в рецептуре используются сернокислый аммонии (NH₄)₂SO₄ и углекислый аммоний (NH₄)₂CO₃.

На месте работ из кристаллических аммонийных солей готовятся растворы нужной концентрации, которые затем смешиваются с разбавленным жидким стеклом в соотношении, соответствующем заданному времени гелеобразования, после чего приготовленный силиказоль нагнетается в грунт.

Реакция между компонентами силиказоля протекает по схеме

Na₂OnSiO₂ + (NH₄)₂SO₄ >> nSiO₂ + Na₂SO₄ + 2NH₃ + 2Н₂О.

Аммонийно-силикатные золи и гели обладают необходимыми для тампонажа качествами: легко регулируемым временем гелеобразования и малой вязкостью, а грунт, закрепленный ими, приобретает водонепроницаемость и прочность порядка 0,25 МПа. Реакция раствора щелочная (рН = 10,8), что позволяет применять его для закрепления карбонатных грунтов.

Ниже приведена рецептура растворов со временем гелеобразования 30—90 мин.

Для сернокислого аммония

раствор силиката натрия плотностью 1,19 г/см³                                                  1 часть

6%-ный раствор (NH₄)₂SO₄ плотностью 1,035 г/см³                                           0,85—0,75 части

Для углекислого аммония:

раствор силиката натрия плотностью 1,19 г/см³                                                  1 часть

4,8%-ный раствор (NO₄)₂CO₃ плотностью 1,016 г/см³                                       0,8—0,75 части

Силикатно-кремнефтористоводородная рецептура. Жидкое стекло недефицитной кремнефтористоводородной кислоты H₂SiF₆ применено в качестве отвердителя данной рецептуры.

Кремнефтористоводородная кислота имеет комплексное строение, которое обеспечивает медленное ее разложение в щелочной среде. Высокая потенциальная кислотность, возникающая при разложении кислоты, позволяет применять ее как эффективную коагулирующую добавку к раствору силиката натрия, а наличие в составе кислоты SiO2 обеспечивает большой выход геля кремнекислоты. Реакция взаимодействия ее с жидким стеклом протекает по уравнению

3Na₂OnSiO₂ + H₂SiF₆ + 3Н₂О >> 6NaF + 4SiO₂ + 4Н₂О.

Предложенная рецептура экономична, так как в ней используются очень разбавленные растворы, например, жидкое стекло плотностью 1,04 г/см³ и кислота плотностью 1,037 г/см³ в соотношении 9 : 1. Время гелеобразования раствора колеблется в пределах от 15 мин до 3 ч и легко регулируется.

Ввиду малых концентраций применяемых растворов этот способ пригоден для закрепления маловлажных песков. Дальнейшие исследования привели к разработке второго варианта силикатно-кремнефтористоводородной рецептуры раствора, очень эффективной, позволяющей закреплять сильновлажные и водонасыщенные пески.

В основу рецептуры положено использование растворов — компонентов гелеобразующей смеси повышенной концентрации: жидкого стекла плотностью 1,3 г/см³ и H₂SiF₆ плотностью 1,1 г/см³ в соотношении от 10:3 до 10:2,5.

Рецептура дает высокопрочные гели с R_сж = 2,4 МПа через 24 дня после приготовления и R_сж = 5,2 МПа через 28 дней. Благодаря этому в отличие от всех рецептур однорастворной силикатизации данная рецептура позволяет получить в результате закрепления не только водонепроницаемый, но и прочный массив грунта с R_сж = 2—4 МПа.

Сочетание водонепроницаемости и значительной механической прочности закрепленного грунта расширяет область применения данной рецептуры в строительной практике, так как она может быть рекомендована для создания водонепроницаемых завес и экранов и для закрепления грунта с целью усиления основания фундамента зданий и сооружений. Высокие качества закрепленного грунта делают пригодной эту рецептуру и для проходки подземных выработок в мелких песках.

Вязкость гелеобразующего раствора незначительна. Время гелеобразования в отличие от более разбавленного силикатно-кремнефтористоводородного раствора занимает всего 18—20 мин, что потребовало разработки специальной технологии нагнетания, предусматривающей использование специального растворонасоса, в котором совмещено приготовление небольшого объема золя с одновременным его нагнетанием в закрепляемый грунт.

Рецептура на основе силиката натрия и кремнефтористоводородной кислоты повышенной концентрации закрепляет трехфазные слабопроницаемые и водонасыщенные грунты, содержащие карбонаты, глинистые фракции и гумусовые вещества, что делает рецептуру универсальной.

Алюмосиликатная рецептура. Эта рецептура основана на применении в качестве отвердителя кристаллической соли алюмината натрия.

Алюминат натрия — NaAlO₂ — соль сильного основания и слабой металюминиевой кислоты (каустический модуль алюмината натрия, равный отношению Na₂O Al₂O₃ = 1,65, должен быть не менее 1,5). В воде она гидролизуется на NaOH и НАlO₂. Образование геля происходит в результате взаимодействия НАlO₂ с силикатом натрия.

Алюмосиликатный гелеобразующий раствор представляет собой смесь двух растворов — силиката натрия (плотность 1,15 г/см³) и алюмината натрия (плотность 1,05 г/см³) в соотношении 5 : 1. Он имеет щелочную реакцию (рН = 13,7), малую вязкость и легко регулируемое время гелеобразования. При закреплении им грунт приобретает практическую водонепроницаемость и небольшую прочность порядка 0,15—0,2 МПа.

Рекомендуется для тампонажа аллювиальных мелкозернистых песков (K_ф = 5—10 м/сут), супесей (K_ф = 0,2—0,5 м/сут) и мелкозернистых дюнных песков (K_ф = 5—10 м/сут).