БЕНТОНИТОВЫЙ СТРУКТУРООБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА, ЗАТРУБНОГО ИНЪЕКТИРОВАНИЯ И ЩИТОВОЙ ПРОХОДКИ ТУННЕЛЕЙ Российский патент 2023 года по МПК C04B33/04 C09K17/08 C09K8/05 

Область техники

Изобретение относится к области производства строительных и ремонтных работ, частности, технологий возведения подземных частей промышленных, энергетических и гражданских зданий, гидротехнических, транспортных и коммунальных инженерных сооружений, восстановления гидроизоляции в грунте методом инъектирования и для устройства противофильтрационных завес, инъекционной гидроизоляции объектов нового строительства и при ремонте зданий и сооружений.

Предшествующий уровень техники

В процессе щитовой проходки туннелей образующаяся траншея с вертикальными стенками находится под гидравлической защитой глинистого раствора, что создает необходимые условия для последующего заполнения выработки материалами или конструкциями. Глинистый раствор является изолирующим гелеобразным материалом, выполняющим роль противофильтрационной завесы. В процессе разработки траншеи и возведения стен ее заполняют глинистым раствором, который предотвращает обрушение грунта. Устойчивость стенок траншеи обеспечивается за счет укрепления поверхностного слоя путем создания экрана, состоящего из заглинизированного грунта и глинистой корки, а также передачи на стенку гидростатического давления глинистого раствора. В устойчивых грунтах для удержания частиц разрушенного грунта во взвешенном состоянии при разработке траншеи применяют тиксотропные глинистые растворы, которые удерживают частицы шлама во взвешенном состоянии при прекращении циркуляции раствора, вследствие чего поддерживается устойчивая работа механизмов, применяемых для разработки траншеи. Тиксотропный раствор позволяет сохранить устойчивость траншеи в период разработки грунта и устройства стены.

Для укрепления и гидроизоляции грунтов весьма распространена инъекционная технология, суть которой заключается в нагнетании в грунт изоляционного затвердевающего или гелеобразующего материала. Подача материала происходит под давлением: ударно-вращательный механизм выполняет бурение грунта и подает раствор вглубь. В качестве инъекционных материалов применяют полимерные составы (полиакрилаты, полиуретаны), композиции на основе вяжущих материалов (цемент, гипс), а также гелеобразующие глинистые композиции, позволяющие выполнить грунтовую отсечку, горизонтальный барьер, вертикальное укрепление основания фундамента здания.

Таким образом, к гелеобразующим составам для строительных и ремонтных работ существуют общие требования образования тиксотропных структур с высоким уровнем псевдопластических характеристик, обеспечивающих низкое гидравлическое сопротивление при прокачке или инъекционном нагнетании геля, в сочетании с антифильтрационными характеристиками, обеспечивающими устойчивость стенок траншеи и обеспечивающими эффективную гидроизоляцию проницаемых пород и строительных конструкций. В изобретении по патенту RU 2672069, опубликованному 09.11.2018, повышение долговечности гидроизоляционного экрана обеспечивается за счет наличия полимерных смесей, которые увеличивают несущую способность грунтов, а также снижают их пористость и капиллярность. Данный инъекционный состав включает бентонитовую глину, кремнеземистую породу и полимерные смеси, включающие анионный полисахарид, полиакрилат натрия триглицериды жирных кислот. Присутствующие в данном составе полимерные добавки увеличивают стоимость суспензии и снижают ее тиксотропные свойства.

В патенте на изобретение RU 2238958, опубликованном 27.10.2004, описано получение гелеобразующей смеси, которую можно хранить в течение длительного периода времени и которая не подвергается преждевременному неконтролируемому гелеобразованию. Данный гелеобразователь содержит порошкообразную или молотую сукновальную глину, шихтовый наполнитель и набухающий в воде полимер (сополимер акриламидного типа с неразветвленной цепью, с молекулярной массой от 500000, степенью гидролиза не более 30 %), концентрация которого составляет от 0,8 до 10 % от массы глины. Данный глинистый структурообразователь весьма непрактичен в применении, так как используемый в его составе полимер является флокулянтом и проявляет стабилизирующие свойства только при достижении концентрации продукта, превышающего порог быстрой флокуляции. Это приводит к перерасходу структурообразователя при получении рабочей суспензии и существенно повышает ее стоимость.

В авторском свидетельстве SU 885432, опубликованном 30.11.1981, тиксотропный глинистый раствор для возведения подземных сооружений получают введением в глинистую суспензию хлористой соли, кислого фосфорнокислого натрия, а также карбоксиметилцеллюлозы и черного сульфатного щелока. При этом достигается максимальная степень диспергирования глинистых частиц и улучшение структурных свойств рабочего раствора. В результате реализации данной технологии, однако, необходимо контролировать уровень рН суспензии в узком диапазоне 9,5 – 10, что весьма затруднительно в промышленных условиях. Кроме того, использование минеральных солей в составе глинистой суспензии снижает делает ее экологически опасной и требует применения дополнительных дорогостоящих технологий по утилизации отработанного раствора.

В изобретении по патенту RU 2480276, опубликованному 27.04.2013, для повышения тиксотропных свойств глинистого золя используют технологию сшивки глинистых наночастиц полиакрилатом или полиакрилсульфонатом таким образом, чтобы любая конкретная глинистая наночастица была связана по меньшей мере с одной другой глинистой наночастицей акрилатного или акрилсульфонатного полимерного мостика. При этом получается прочный гель, который обеспечивает сохранение формы стабилизируемого объекта. Однако, применение данной технологии в строительной практике затруднено практическим отсутствием соответствующего промышленного смесительного оборудования, позволяющего произвести приготовление глинистого золя с требуемым медианным размером частиц 60 – 80 нм.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению является бентонитовый структурообразователь, раскрытый в патенте на изобретение RU 2297434, опубликованном 20.04.2007, способ получения которого обеспечивает высокое качество и активность глинопорошка. Данный способ предусматривает совместный помол глины с натрийсодержащим активатором, в качестве которого используют ромбический кристаллогидрат соды или природный минерал – термонатрит, полученный дегидратацией кальцинированной соды при температуре 60-70°С в автоклаве, а затем на воздухе в течение не менее 48 часов.

Полученный данным способом бентонитовый структурообразователь имеет следующие недостатки:

1. Применение кристаллогидрата соды или термонатрита позволяет добиться относительно высокой степени ионного обмена щелочноземельных катионов обменного комплекса глинистых минералов на катионы натрия, обеспечивающие гидратацию, набухание и диспергирование глинопорошка. Однако в изобретении по патенту RU 2297434 не указаны основные принципы выбора глинистого сырья, химический состав которого существенно влияет на эффективность ионного обмена. Согласно изобретению по патенту RU 2297434, добавка соды в глинистое сырье составляет 1,5 – 2 % и не дифференцирована, в зависимости от концентрации монтмориллонита в глинистом сырье. В результате введения соды в указанном диапазоне концентраций при использовании глин различных месторождений приводит к различной степени активации сырья, эффективность которой невозможно прогнозировать. Например, при использовании в качестве исходной глины щелочноземельного бентонита с высоким содержанием монтмориллонита (выше 80 мас.%) указанная в изобретении по патенту RU 2297434 концентрация активатора (1,5 – 2 %) оказываются недостаточна и бентонит не приобретает способность к эффективному набуханию в водной среде и образованию суспензий с требуемой прочностью геля.

2. Использование ромбического кристаллогидрата соды - Na₂СО₃·1Н₂O (природный минерал - термонатрит) для активации бентонитовых глин существенно снижает технико-экономическую эффективность процесса активации бентонитового сырья, по сравнению с использованием в качестве натрийсодержащего агента крупнотоннажной кальцинированной соды, которая существенно дешевле и доступнее термонатрита. Кроме того, кальцинированная сода оказывается более эффективна в процессе активации при правильном выборе ее дозировки в зависимости от химического состава бентонита.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка эффективного бентонитового структурообразователя для приготовления структурированных глинистых суспензий с гелеобразующимими и стабилизирующими характеристиками на основе активации специально подобранного бентонитового сырья, химический состав которого находится в соответствии с концентрацией натрийсодержащего активатора.

Техническим результатом, достигаемым при реализации настоящего изобретения, является создание бентонитового структурообразователя для строительства, затрубного инъектирования и щитовой проходки туннелей, обеспечивающего безаварийную реализацию проектов, связанных с решением крупных производственных задач по прокладке траншейных и бестраншейных коммуникаций, возведению подземных сооружений, укреплению грунтов, ремонту зданий и строительных конструкций.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в бентонитовом структурообразователе для строительства, затрубного инъектирования и щитовой проходки туннелей, получаемом активацией глинистого сырья кристаллическим карбонатом натрия, в качестве глинистого сырья используется бентонитовая глина с мольным соотношением оксидов алюминия (Al₂O₃) и кремния (SiO₂) в диапазоне 1:4 – 1:8, соответственно, а в качестве карбоната натрия используется кальцинированная сода при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Бентонитовая глина 92 – 99;

Кальцинированная сода 1 – 8.

При выборе глинистого сырья и определении оптимальной концентрации активирущего агента (карбоната натрия) необходимо ориентироваться на химическую структуру глинистых минералов, которая должна быть максимально приближена к монтмориллониту – породообразующему слоистому алюмосиликату, способность которого к набуханию и диспергированию в водной фазе обеспечивает максимально высокие гелеобразующие свойства глинопорошка. Формула монтмориллонита (Al₂[Si₄O₁₀](ОH)₂·nH₂О) обуславливает мольное соотношение между оксидами алюминия и кремния в составе минерала 1:4, соответственно. При этом, отношение массовой доли оксида алюминия к массовой доли оксида кремния составляет 0,43. Однако, в составе бентонитовых глин катионы алюминия способны к изоморфному замещению на катионы двухвалентных металлов (Fe²⁺, Mg²⁺), что обуславливает появление избыточного отрицательного заряда на внутрикристаллической поверхности глинистых алюмосиликатных пакетов и наличие комплекса обменных катионов щелочных и щелочноземельных металлов. В реальном бентоните ((Na,K)_0,33(Al(Fe),Mg)₂(Si₄O₁₀)(OH)₂·nH₂O) из-за наличия изоморфных замещений массовое соотношение оксидов алюминия и кремния может меняться от 0,43 до 0,2, что соответствует диапазону их мольных соотношений от 1:4 до 1:8. С уменьшением мольной доли оксида алюминия и увеличением доли двухвалентных катионов в кристаллической решетке, в среднем, увеличивается отрицательный заряд поверхности кристаллических пакетов и способность бентонита к гидратации. При этом, в интервале мольных соотношений A₂O₃ и SiO₂ 1:4 – 1:8 оптимальная концентрация активирующего карбоната натрия должна снижаться, так как в этом ряду увеличивается способность бентонитовой глины к самопроизвольному диспергированию из-за повышения поверхностной плотности отрицательного заряда. Например, при приготовлении 6 %-ной суспензии из бентопорошка, активированного 1 % кальцинированной соды уровень рН водной фазы не поднимается выше 8,8, в то время, как при активации бентонита 8 % соды уровень рН суспензии превышает 9,5. Соответственно, оптимальная добавка активатора в низкозамещенный щелочноземельный бентонит с мольным соотношением A₂O₃:SiO₂ =1:4 – 1:5 должна быть на уровне 6 – 8 %, что обеспечивает высокий уровень рН суспензии и стимулирует гидратацию и диспергирование бентопорошка. Наоборот, добавка соды при активации высокозамещенного щелочноземельного бентонита с мольным соотношением A₂O₃:SiO₂ = 1:7 – 1:8 должна составлять 1 – 2 %, что позволяет стабилизировать уровень рН суспензии в интервале 8,5 - 9 и, соответственно, не приводит к коагуляции глинистых частиц из-за избыточной щелочности системы. В целом, при последовательном изменении мольного соотношения A₂O₃:SiO₂ в ряду 1:4, 1:5, 1:6, 1:7, 1:8 соответствующие оптимальные концентрации активирующего карбоната натрия образуют последовательность: 8%, 6%, 4%, 2%, 1%.

Приготовление образцов активированных бентопорошоков осуществляется следующим образом: на отобранную сырьевую бентонитовую глину сверху насыпается расчетное количество кальцинированной соды (от 1 до 8 % к массе сырьевого бентонита), после чего смесь увлажняется водой, тщательно перемешивается и настаивается при комнатной температуре в течение 7 суток. После выдержки смесь высушивается в сушильном шкафу при температуре 70°C до остаточной влажности 10 – 12 % и измельчается в истирателе. Полученный бентопорошок используется в качестве структурообразователя водно-бентонитовых суспензий, применяющихся в качестве рабочих растворов в строительных, инъекционных, антифильтрационных и проходческих технологиях.

Для исследования технологических характеристик глинистых суспензий на основе бентонитового структурообразователя использовали следующие методики:

- для определения прочности геля через 1 минуту (GEL₁) и 10 минут (GEL₁₀) и коэффициента тиксотропии (Kт) глинистой суспензии используют ротационный вискозиметр прямой индикации FANN-35SA (фирма Baroid) согласно п.6.3 ГОСТ 33213-2014 «Контроль параметров буровых растворов в полевых условиях. Растворы на водной основе»;

- определение показателя фильтрации (F) глинистой суспензии производилось на стандартном фильтр-прессе LPLT FANN (фирма Baroid) при перепаде давления 7 атм. согласно п.7 ГОСТ 33213-2014.

Примеры рецептур получения бентонитового структурообразователя представлены в табл.1.

В Рецептуре 1 бентонитовый структурообразователь получают из щелочноземельного бентонита Таганского месторождения, в котором мольное соотношение A₂O₃:SiO₂ близко к 1:4. Концентрация кальцинированной соды, используемой для активации бентонита составляет 8 мас.%.

В Рецептуре 2 бентонитовый структурообразователь производится из щелочноземельного бентонита Зырянского месторождения, в котором A₂O₃:SiO₂ составляет к 1:6. При этом, концентрация активирующей соды равна 4 мас.%.

В Рецептуре 3 бентонитовый структурообразователь получен из сырьевого бентонита Даш-Салахлинского месторождения, для которого соотношение A₂O₃:SiO₂ стремится к 1:8. Это обуславливает применение кальцинированной соды в концентрации 1 мас.%.

Бентонитовый структурообразователь обладает следующими преимуществами по сравнению с наиболее близким аналогом по патенту RU 2297434:

1. В рецептурах бентонитового структурообразователя, в отличие от патента RU 2297434, концентрация активирущего агента (Na₂CO₃) выбирается в зависимости от соотношения породообразующих оксидов в составе сырьевого бентонита. Например, для бентонита Таганского месторождения с максимальным мольным соотношением A₂O₃:SiO₂=1:4 максимальная концентрация активатора – 8 мас.%. Для бентонитов Зырянского и Даш-Салахлинского месторождений, в которых соотношение A₂O₃:SiO₂ снижается от 1:6 до 1:8, концентрация активатора, соответственно уменьшается до 4 и 1 %, соответственно (табл.1, рецептуры 1-3). Такой подход позволяет максимально реализовать структурообразующие свойства активированного бентонита, который образует высокоструктурированные свободнодисперсные гели, пределы прочности и коэффициенты тиксотропии которых существенно превосходят аналогичные показатели суспензии по патенту RU 2297434.

2. Химически обоснованный подход к выбору концентрации активирующего агента позволяет создать оптимальные условия для эффективного ионного обмена бентонитового сырья при использовании легкодоступной кальцинированной соды крупнотоннажного производства вместо дорогостоящего термонатрита. При этом, бентонитовый структурообразователь, активированный оптимально подобранным количеством кальцинированной соды, позволяет создавать высококачественные противофильтрационные завесы, о чем свидетельствует невысокие значения показателя фильтрации глинистых суспензий, которые в 1,5 – 2 раза ниже, по сравнению с показателем фильтрации по патенту RU 2297434.

Таблица 1. Технические свойства бентонитовых суспензий на основе бентонитового структурообразователя.

Состав бентопорошка,
мас.% Структурные и фильтрационные свойства 6 %-ной глинистой суспензии GEL₁,
Па GEL₁₀,
Па Кт
GEL₁₀/GEL₁ F,
см³/30 мин Рецептура 1
Таганский бентонит – 92
Na₂CO₃ – 8
A₂O₃:SiO₂ = 1:4 8,0 25,5 3,2 12,0 Рецептура 2
Зырянский бентонит – 96
Na₂CO₃ – 4
A₂O₃:SiO₂ = 1:6 1,8 4,5 2,5 16,0 Рецептура 3
Даш-Салахлинский
бентонит – 99
Na₂CO₃ – 1
A₂O₃:SiO₂ = 1:8 1,6 3,1 1,9 15 Патент RU 2297434 0,8 1,2 1,5 26

Изобретение относится к области производства строительных и ремонтных работ, в частности, технологий возведения подземных частей промышленных, энергетических и гражданских зданий, гидротехнических, транспортных и коммунальных инженерных сооружений, восстановления гидроизоляции в грунте методом инъектирования и для устройства противофильтрационных завес, инъекционной гидроизоляции объектов нового строительства и при ремонте зданий и сооружений. Технический результат заключается в создании бентонитового структурообразователя, обеспечивающего безаварийную реализацию проектов, связанных с решением крупных производственных задач по прокладке траншейных и бестраншейных коммуникаций, возведению подземных сооружений, укреплению грунтов, ремонту зданий и строительных конструкций. Бентонитовый структурообразователь для строительства, затрубного инъектирования и щитовой проходки туннелей, получаемый активацией глинистого сырья кристаллическим карбонатом натрия, при этом в качестве глинистого сырья используется бентонитовая глина с мольным соотношением оксидов алюминия (Al₂O₃) и кремния (SiO₂) в диапазоне 1:4 – 1:8, соответственно, а в качестве кристаллического карбоната натрия используется кальцинированная сода, при следующем соотношении компонентов, мас.%: бентонитовая глина 92-99; кальцинированная сода 1-8, при этом при последовательном изменении мольного соотношения Al₂O₃ : SiO₂ в ряду 1:4, 1:5, 1:6, 1:7, 1:8 соответствующие оптимальные концентрации активирующего кристаллического карбоната натрия образуют последовательность: 8%, 6%, 4%, 2%, 1%. 1 табл.

Бентонитовый структурообразователь для строительства, затрубного инъектирования и щитовой проходки туннелей, получаемый активацией глинистого сырья кристаллическим карбонатом натрия, отличающийся тем, что в качестве глинистого сырья используется бентонитовая глина с мольным соотношением оксидов алюминия (Al₂O₃) и кремния (SiO₂) в диапазоне 1:4 - 1:8, соответственно, а в качестве кристаллического карбоната натрия используется кальцинированная сода, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Бентонитовая глина 92-99 Кальцинированная сода 1-8,

при этом при последовательном изменении мольного соотношения Al₂O₃ : SiO₂ в ряду 1:4, 1:5, 1:6, 1:7, 1:8 соответствующие оптимальные концентрации активирующего кристаллического карбоната натрия образуют последовательность: 8%, 6%, 4%, 2%, 1%.