Введение к работе
Актуальность. Одним из важнейших направлений научно-технического прогресса в области наук о Земле является разработка фундаментальных технологических основ обеспечения рационального освоения геологической среды. Существенное место при взаимодействии человека -с неживой природой занимает химическое воздействие на вещество литосферы, активно проявляющееся в ходе реализации различных видов производственной деятельности и приводящее к образованию в верхних горизонтах литосферы искусственных физических тел с определенными геометрическими очертаниями, которые могут быть охарактеризованы как техногенно-геохимические системы. Взаимодействие химически активных веществ с твердой и жидкой фазой пород в таких системах приводит к существенному изменению геохимических параметров природных сред. Это обусловливает видоизменение существовавших и проявление новых физико-химических и фильтрационных свойств пород в пределах всей техногенной системы или отдельных ее частей (С.Д.Воронкевич). На горные породы в пределах таких систем могут воздействовать как кислотные, так и щелочные растворы. Взаимодействие с первыми изучено достаточно полно, поскольку этот процесс как в природе, так и в техногенезе распространен чрезвычайно широко; второй тип взаимодействия развивается гораздо медленнее, распространен локально, в связи с чем изучен существенно меньше. В последнее время большое прикладное значение приобретает разработка методики и приемов теоретического анализа техногенно-геохимических систем, возникающих вследствие выделения в поверхностные пылевато-глинистые отложения сильнощелочных технологических и инъекционных растворов, приводящих к химическим превращениям твердой фазы грунтов. В зависимости от типа глинистого минерала, концентрации щелочи и динамики развития процесса химические преобразования сопровождаются либо ростом на-бухаемости, либо вторичной цементацией и упрочнением структур. Обоснованность прогноза физических следствий обусловлена в том числе и корректностью определения наиболее вероятных направлений химических реакций, соотношением между минеральными фазами, факторами контроля условий их образования и устойчивости. Все эти вопросы до настоящего времени практически остаются неизученными.
Целью настоящей работы явилось исследование взаимосвязи изменения физико-механических свойств грунтов с происходящими в них химическими превращениями под воздействием щелочных растворов на основе разработки методики физико-химического моделирования систем
"глинистый минерал - реагент" с высокой щелочностью и изучение возможности практического приложения полученных результатов, в том числе для искусственного закрепления грунтов.
Учитывая тот факт, что в физико-химических исследованиях термодинамический подход дает возможность оценить вероятное направление протекания реакций и получить полное физико-химическое описание систем на основе весьма совершенной формализации химической термодинамики в работе поставлены следующие задачи:
-
Обосновать принципиальную возможность использования принципов равновесной термодинамики в целях изучения характера и направленности изменения физико-механических свойств глинистых грунтов в пределах сильнощелочных аномалий.
-
Разработать методику термодинамического анализа физико-химических моделей компонент-грунтовых композиций и методы расчета диаграмм устойчивости минеральных фаз.
-
На основе экспериментальных исследований реагент-грунтовых смесей оценить адекватность теоретически построенных диаграмм устойчивости минералов их реальным аналогам.
-
Исследовать взаимосвязь химических превращений в системах "глинистый минерал - раствор МаШ" с изменением физико-механических свойств исходных минералов и показать возможности физико-химического анализа таких систем для описания изменения состава и свойств полиминеральных глинистых грунтов в сильнощелочной среде.
-
Определить пути практического применения полученных экспериментально-теоретических результатов, в том числе для целей химического инъекционного закрепления глинистых грунтов.
ШїХНЇЇ2_!і25ї?:Щ_Еб_2їїї - показана эффективность использования методов равновесной термодинамики для физико-химического анализа формирования и эволюции техногенно-геохимических систем в глинистых грунтах в условиях сильнощелочных сред. Разработана методика такого анализа, методы построения диаграмм устойчивости минеральных фаз в высоко концентрированных растворах и факторы оценки их адекватности реальным компонент-грунтовым композициям; - исследованы закономерности химического превращения наиболее распространенных глинистых минералов в сильнощелочной среде и возможности количественного описания взаимосвязи между изменениями их минерального состава и физических свойств; - показаны возможности прогноза преобразования полиминеральных глинистых пород на основе физико-химического анализа модельных систем "глинистый минерал - раствор Mj-ОН"; - выявлена
физико-химическая роль кальция в формировании свойств глинистых пород в сильнощелочной среде.
Задидаеше_научные_положения:
-
Разработана методика термодинамического анализа физико-химических моделей систем A/agO-AIgOg- SlOo-I^O и //apO-CaO-ilgOo-SlOp-ikO и методы расчета диаграмм устойчивости минеральных фаз в концентрированных растворах гидроксида натрия, адекватно отражающих закономерности химических превращений в модельных системах "глинистый минерал - раствор А/аОН".
-
Показано, что основным продуктом взаимодействия глинистых минералов с растворами А/аОН 2,5-10н концентрации является гидросодалит, образование которого начинается с конденсации из контактирующего раствора щелочного алшосиликатного геля и протекает через ряд метастабильных фаз типа цеолитов А/а-А, А/а-Р, А/а-Х, "лосод".
-
Степень изменения физических свойств компонент-грунтовых композиций в сильнощелочных средах полностью определяется составом и соотношением минеральных новообразований, что обуславливает перспективность использования моделей, реализованных на принципах равновесной термодинамики, для прогнозного моделирования физических следствий техногенного щелочного воздействия на глинистые грунты.
-
Введение СаО в систему "глинистый грунт - раствор А&ОН" приводит к образованию соединений типа гидрогранатов и гидросиликатов кальция, способных цементировать песчаные и пылеватые частицы грунтов, что приводит к еще большему упрочнению таких грунтов, чем" при взаимодействии только с растворами щелочи; дополнительное обогащение закрепляемых грунтов соединениями кальция позволяет снизить концентрацию щелочи до 2,5 моль/л при ее использовании в качестве инъекционного раствора.
Пр_актическая_значимость работы заключается в том, что разработанная методика термодинамического анализа сильнощелочных техногенных обстановок и методы расчета коэффициентов активности компонентов растворов в них применимы для исследования щелочных аномалий, возникающих при техногенном выделении в поверхностные отложения концентрированных химических реагентов. Совместно с НИИПромстрой (г.Уфа) разработана новая рецептура для закрепления слабых водона-сыщенных глинистых грунтов, основанная на инъекционном применении известково-щелочных растворов с концентрацией А/аОН не выше 2,5 моль/ л. Полученные результаты использованы при разработке технических решений по усилению грунтов оснований под фундаментами зданий базы
треста № 3 Главбашстроя в г.Бирске и общежития профтехучилища №100 в г.Горьком. Рекомендуемый способ закрепления грунтов по сравнению с- методом задавливания многосекционных свай позволит уменьшить сметную стоимость работ на 244,6 тыс. рублей.
$актический_материал. В основу работы положены экспериментальные исследования автора за І98І-І989 гг. Изучено 13 разновидностей глинистых пород различного возраста, генезиса и состава в системах "глинистая порода - раствор ЛЫ)Н" и "глинистая порода - СаО - раствор tfaOH" в диапазоне концентраций щелочи 2,5-10 моль/л и добавок СаО 0,1-9 % к твердой фазе, что составило НО реагент-грунтовых композиций. Кроме непосредственных исследований автора в работе использованы архивные материалы инженерно-геологических изысканий Западно-Уральского ТИЗЖА (г.Уфа).
Апробация_работы. Основные положения и выводы диссертации изложены на научных конференциях молодых ученых геологического факультета МГУ в 1985, 1987-1988 гг.; Симпозиуме по физико-химической механике и коллоидной химии (Ребиндеровские чтения), Москва, 1988; ХІУ Всесоюзном совещании "Глинистые минералы и породы, их использование в народном хозяйстве", Новосибирск, 1988; II Всесоюзном симпозиуме "Термодинамика в геологии", Миасс, 1988; У Всесоюзном симпозиуме по кинетике и динамике геохимических процессов, Черноголовка, 1989; Всесоюзном совещании по инженерной геологии лессовых пород, Ростов-н/Д, 1989; Региональной научно-технической конференции "Использование отходов промышленности при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог", Суздаль, 1989.
По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ и получено два авторских свидетельства на изобретение Ш 1079756,1521830.
0бъем_рабрты. Диссертационная работа состоит из введения,5 глав, выводов и 5 приложений. Общий объем работы составляет 3SZ страниц и включает 156 страниц машинописного текста, 53 рисунка,35 таблиц, список используемой литературы (274 наименования) и 81 страниц приложений.
Работа выполнена под руководством профессора, доктора геол,-мин. наук С.Д.Воронкевича, которому автор выражает глубокую благодарность за постоянное внимание и детальное обсуждение результатов.
Автор выражает искреннюю благодарность кандидатам геол.-мин. наук Р.И.Злочевской и Ф.Е.Волкову за постоянное внимание, консультации и помощь в проведении лабораторных и натурных экспериментов.
Автор также признателен В.Г.Шлыкову, З.А.Кривошеевой, М.В.Бори-
сову, В.Н.Соколову, В.А.Королеву, Е.Н.Огородниковой, В.И.Дивисиловой, М.Г.Михеевой, О.В.Ржезницкому за консультации и помощь при проведении отдельных экспериментов.
