Способ химического закрепления техногенных грунтов

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при закреплении искусственных грунтов техногенного происхождения, обваловки действующих накопителей для пастообразных дисперсных и иных жидких и сыпучих материалов, а также для создания защитного слоя в местах смещения грунтов типа оползней. Способ включает совместный помол и перемешивание щелочного компонента, техногенного грунта и воды, подачу полученного раствора на место закрепления грунта с последующим его твердением. Согласно изобретению к вышеперечисленным компонентам дополнительно добавляют измельченную до 3500 см²/г алюмосиликатную твердую фазу на основе техногенного грунта, а воду вводят непосредственно в процессе помола и в подогретом состоянии, причем соотношение воды и грунта находится в пределах 1:1,5. Использование предлагаемого технического решения позволяет полностью исключить потребление цемента при закреплении грунтов, повысить прочность укрепления границы полости с техногенным грунтом и уменьшить коэффициент фильтрации в этом слое. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области химического закрепления искусственных грунтов техногенного происхождения, а также обваловки действующих накопителей пастообразных, дисперсных промотходов.

Известны способы поверхностного закрепления техногенных грунтов за счет применения геокомпозиционных экранов. Процессы химзакрепления за счет биогенного и техногенного воздействия на грунты весьма незначительны в этом случае и не обеспечивают достаточную несущую способность, слабо снижая их коэффициент фильтрации, что не позволяет строить на них какие-либо серьезные инженерные сооружения. Они, эти грунты, пригодны только для рекреационных целей (См. А.А.Алексеев. Эффективность применения геокомпозиоционных экранов при восстановлении ландшафтов. II Всероссийская международная конференция. Бетон и железобетон, пути развития, М., 2005 г., том 5, стр.16).

Но между тем, площади, занимаемые техногенными грунтами: золо- и шлакоотвалами, вскрышными и горелыми породами, а также продуктами обогащения - растут, увеличиваются действующие полигоны по содержанию дисперсных отходов, укладываемых методом намыва. Все эти техногенные геологические образования близки по структуре к нецементированным песчаным грунтам.

Имеется насущная необходимость в их закреплении, прежде всего с экологических позиций, а затем и для того, чтобы использовать этот грунт для промышленного строительства.

Известен способ цементации грунтов, который по своей сущности наиболее простой и до недавнего времени доступный. Для него в грунты закачивались цементные, цементно-песчаные или цементно-глиняные растворы, которые определяли ввиду сброса активности (за счет большого количества воды В/Ц составляло 0,4-1) и малой проникающей способности, активатора, цемента в грунт относительно малую прочность укрепляемого грунта 1-2 МПа при слабом уменьшении коэффициента фильтрации (Б.А.Ржаницин. Химическое закрепление грунтов в строительстве. М., Стройиздат, 1971 г. стр.7).

Поэтому недостатком этих способов является большой расход дефицитного ныне цемента высоких марок активности >400 кг/см². Кроме того, за счет контракции, присущей этому вяжущему, укрепленные грунты дают усадку и, как следствие, трещины.

Также известен способ укрепления скальных и рыхлых грунтов, находящихся в контакте с водой и имеющих в своей структуре ионы кальция и окись кремния в виде кремнезоля до 40% сухого вещества в перерасчете на общую массу. В вещество дополнительно введены стабилизаторы твердения в виде растворов кислот, например аминориус (метиленфосфоновую кислоту). Укрепляемый материал соединяют с описанным водным раствором и подвергают выдержке для их соединения и упрочнения. (см. патент №2227152 РФ по кл. С09К 17/00 за 2001 г.)

Недостатком этого способа является то, что смесь в своем составе является многокомпонентной и отличается от состава укрепляемого грунта, находящегося на месте закрепления, что вызывает усиление образования трещин в этой композиции. Кроме того, она имеет дорогостоящие компоненты и не может быть эффективно использована в больших количествах.

Наиболее близким по технической сути является более активный в химическом отношении способ стабилизации - укрепления грунта с использованием 100 мас. частей доменного граншлака, 15-60 мас. частей портландцемента умеренной экзотермии и добавкой гипса в количестве 1-1,5% от массы безводного укрепленного грунта (заявка №63-20385, Япония по кл. С09К 17/00, РЖ №19 м. Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов. №2. М., 1989 г., стр.59).

Но и этот способ имеет практически те же недостатки, что и перечисленные выше, - незначительное повышение активности на 20-30% приводит к увеличению трудозатрат - создание многокомпонентной смеси с использованием дефицитных продуктов (цемента и гипса). Активная часть, то есть вяжущие, вступают в «работу» только после затворения, после закачивания в грунт их частицы оседают вблизи скважины, т.к. их размер больше пористости грунта, и процессы контракции, усадки протекают в той же мере, что и у вышеперечисленных аналогов, высокое В/Ц не позволяет в полной мере шлаку проявить свою активность и он является, в данном случае, балластом.

Технической задачей предлагаемого способа закрепления грунта является упрочнение укрепляемого грунта и его малая фильтрация. В этом случае носителем активности является раствор щелочи, золи алюмо- и кремнекислоты, обеспечивающие структурообразование техногенного укрепляемого измельченного особым образом грунта (золы, шлаки, осадки и т.д.). Известно, что вяжущие такого типа значительно более активны, особенно в условиях химзакрепления грунтов.

Указанная задача достигается тем, что в предложенном способе закрепления техногенных и рыхлых грунтов, включающем совместный помол щелочного раствора (S=1,2-1,4 г/см²) температурой 40-70°С в закрытом объеме мельницы с техногенным грунтом в соотношении 1:1,5 по объему добавляется измельченная алюмосиликатная твердая фаза при достижении ее удельной поверхности 3500 см²/г. А так как твердые фазы комплексно активизированного компонента и грунта одинаковы, то процесс закрепления идет более активно, за счет жидкого носителя активности - щелочного компонента и кремне- и алюмозолей, которые пластифицируют смесь, обеспечивают большее количество гелевых фаз, сходных с частицами грунта, которые перераспределяют щелочную компоненту, что приводит к большей плотности воды в субмикроструктуре и активизирует поверхностный слой вяжущего и грунта, которые абсолютно сходны по своим составам, обуславливая формирование расширяющейся гидратной (щелочной) пленки вокруг каждой твердой частицы с образованием смешанной коагуляционной структуры, обеспеченной щелочным компонентом, т.е. обеспечивается связывание всего конгломерата матрицы техногенного грунта, что и определяет повышенную активность связки, малую усадку и фильтрацию. То есть нарастание прочности, химическая и физические усадки идут равномерно за счет самопроникновения гелеобразной массы, размер активных частиц которой на порядок меньше микропор в грунте, карбонизация которой практически отсутствует, так как нет в достатке СаО, за счет чего повышается устойчивость твердеющей фазы по отношению к изменениям концентрационной обстановки в жидкой фазе щелочного связующего, обуславливая упорядочивание и твердение нового композиционного материала техногенного грунта, укрепленного щелочно-алюмосиликатной связкой и отсутствием дестабилизирующих примесей в кристаллах новообразований вяжущего и грунта им закрепляемого, так как они одного состава. А температурная активация щелочной связки с совместным помолом позволяет получить увеличенную прочность грунта до 5-10 МПа и ускорить химактивность связки на 30-60% через 28 суток твердения по сравнению с аналогом.

Использование предлагаемого способа активации щелочного вяжущего для химзакрепления техногенных грунтов позволяет исключить потребление цемента для этих целей, резко повысить прочность укрепленного техногенного грунта и обваловки полигонов с резким уменьшением коэффициента фильтрации.

1. Способ химического закрепления техногенных грунтов, включающий совместный помол и перемешивание щелочного компонента, техногенного грунта и воды, подачу полученного раствора на место закрепления грунта с последующим его твердением, отличающийся тем, что к вышеперечисленным компонентам дополнительно добавляют измельченную до 3500 см²/г алюмосиликатную твердую фазу на основе техногенного грунта, а воду вводят непосредственно в процессе помола и в подогретом состоянии, причем соотношение воды и грунта находится в пределах 1:1,5.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура подогрева воды равна 40-70°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что помол и перемешивание производят одновременно в подогретой щелочной среде.