Определение физико-механических характеристик сапропелевых суспензий по данным лабораторных испытаний

Размещено на http://www.allbest.ru/

УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК САПРОПЕЛЕВЫХ СУСПЕНЗИЙ ПО ДАННЫМ ЛАБОРАТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ

А.А. Боровиков, старший преподаватель

г. Горки, Беларусь

Аннотация

Для контроля качества сапропелевых суспензий при строительстве противофильтрационных завес способом «стена в грунте» нет необходимости определять инструментально все показатели. Достаточно определить те из них, которые требуют меньших затрат времени, тем самым повысив оперативность.

For quality assurance of sapropelic suspensions at building grout curtains in the way «the wall in a ground» is not present necessity to define laboratory all indicators. It is enough to define those from them which demand smaller expenses of time, thereby having raised efficiency.

Основная часть

В качестве тиксотропных суспензий при строительстве противофильтрационных завес способом «стена в грунте», бурении скважин используют суспензии, приготовленные на основе высокодисперсных глинистых пород (бентонитовые глины), реже отдельных видов местных глин. Тиксотропные свойства проявляются в грунтах содержащих в своем составе глинистые минералы.

Глинистые минералы являются наиболее активной составляющей дисперсных горных пород и в значительной степени обуславливают их свойства (гидрофильность, прочность, водопроницаемость, пластичность, набухание и т.д.). Их высокая активность объясняется не только большой удельной поверхностью, но и особенностями их внутреннего строения. Одной из важнейших особенностей глинистых минералов является широкое развитие в них изоморфизма, в результате которого идет замещение в структуре одних катионов другими. При этом тип кристаллической структуры минерала не изменяется. Происходит изменение его химического состава и физико-химических свойств.

В зависимости от характера взаимодействия структурных слоев и заполнения межслойного пространства выделяют несколько групп глинистых минералов, характеризующиеся определенными свойствами.

Минералам группы каолинита благодаря особенностям их строения при взаимодействии с водой не свойственно внутрикристаллическое набухание.

Для монтмориллонита - характерно внутрикристаллическое набухание.

Гидрослюда - подобно каолиниту не склонна к внутрикристаллическому набуханию. По гидрофильности и активности в обменных адсорбционных реакциях занимает промежуточное положение между каолинитом и монтмориллонитом.

Хлорит - по своим физико-химическим свойствам подобен гидрослюде.

Смешаннослойные минералы - (монтмориллонит-гидрослюда, монтмориллоннит-хлорит и т.д.) занимают по физико-химическим и другим свойствам промежуточное положение между теми минералами, из структурных слоев которых они образуются.

Наиболее пригодными по минералогическому составу для приготовления глинистых растворов считаются глины [1]:

а) содержащие в большом количестве минерал монтмориллонит (наилучшие, встречаются редко);

б) каолинито-гидрослюдистые или гидрослюдисто-каолинитовые (наиболее распространенные);

в) каолинитовые, состоящие из каолинита и каолинизированных гидрослюд. Могут быть использованы для приготовления глинистых растворов с добавлением химических реагентов для улучшения коллоидальных свойств.

Для обеспечения устойчивости траншей при их разработке под защитой тиксотропной суспензии согласно современным представлениям суспензия должна отвечать следующим основным требованиям:

· иметь избыточную плотность по отношению к грунтовой воде для создания повышенного гидростатического давления на стенки траншеи во избежание их обрушения;

· образовывать на стенках траншеи достаточно прочную глинистую корку для предотвращения излишних потерь суспензии за счет фильтрации;

· на протяжении всего периода использования сохранять относительное постоянство своих основных параметров;

· обеспечивать нормальную работу применяемых при проходке и заполнении траншей механизмов.

Первое из названных требований не является определяющим, так как гидростатическое давление на закольматированные стенки можно увеличить за счет повышения уровня суспензии в траншее, тем более, что для обеспечения устойчивости стенок не требуется большого гидростатического давления. Увеличение же плотности за счет добавок тяжелых минералов (частиц) будет приводить к снижению стабильности суспензий.

Увеличение плотности за счет концентрации твердых частиц в суспензии будет приводить к увеличению их вязкости и сопротивлений при разработке траншей.

Способность суспензии образовывать на стенках траншеи достаточно прочную глинистую корку является одним из основных требований, за счет чего должны предотвращаться излишние потери суспензии на фильтрацию, снижение уровня суспензии в траншее и, как следствие, гидростатического давления на стенки.

Так как прочность глинистой корки не высокая, то при небольшой толщине корки, образующейся на поверхности стенок траншеи, она может нарушаться механизмами при разработке траншеи. Следовательно, она должна обладать достаточной устойчивостью, что может быть достигнуто при возможности проникновения суспензии в грунт на определенную глубину. Однако практически создать экран за счет проникновения суспензии в грунт на определенную глубину не возможно. Поэтому глинистая корка должна обладать способностью быстро восстанавливаться при повреждениях механизмами, разрабатывающими траншею.

Частицы твердой фазы в суспензии должны находиться во взвешенном состоянии продолжительное время, что возможно в том случае, если они характеризуются хорошей гидрофильностью и образованием вокруг частиц устойчивых и достаточно толстых водных пленок, препятствующих сближению и слипанию твердых частиц.

Связанную твердыми частицами воду подразделяют на прочно- и рыхлосвязанную. Рыхлосвязанная вода может быть удалена под действием уплотняющей нагрузки, приложенной на грунт. Прочносвязанная вода не может быть отжата из грунта даже при очень больших нагрузках. Считают, что максимальное количество прочносвязанной воды в грунтах практически совпадает с величиной максимальной гигроскопичности. Содержание прочносвязанной воды в грунтах определяется их минералогическим и гранулометрическим составом и составом обменных катионов. В зависимости от дисперсности, минерального состава и состава обменных катионов содержание прочносвязанной воды в грунтах колеблется от 0,2 до 30% и более.

Рыхлосвязанная вода имеет значительно меньший уровень энергетической связи, чем прочносвязанная вода. Она образуется вокруг частиц и адсорбированных ионов благодаря молекулярным связям. Ее называют пленочной водой, образующейся вокруг частиц под влиянием сил молекулярного притяжения. Содержание связанной воды в грунте принято называть молекулярной влагоемкостью, которая фактически определяет количество связанной частицами грунта воды под действием поверхностных сил притяжения.

Величина максимальной молекулярной влагоемкости определяется теми же факторами, что и величина максимальной гигроскопичности грунта.

Значения максимальной молекулярной/(полной) влагоемкости для грунтов различного минералогического состава по В.Д. Ломтадзе следующие для: монтмориллонитовой глины (бентонит) - 44%/(71%), каолинитовой глины - 22 %/(43 %), гидрослюдистой глины - 14%/(29%), тонкозернистого кварцевого песка -2%/(25%).

При взаимодействии дисперсных пород с водой происходит ионный обмен и механическое поглощение. Причинами поглощения ионов является наличие поверхностной энергии и электрического заряда у твердых частиц. Обменной способностью обладают тонкодисперсные фракции (d<0,005 мм), то есть частицы, обладающие большой поверхностной энергией, так называемые активные частицы. Бентонитовые глины обладают большой емкостью обмена, а у других видов глин она значительно меньшая.

В гранулометрическом составе сапропелей содержание тонкодисперсных фракций размером менее 0,005 мм содержится от 40 до 50% и более. Эти фракции образовались в основном в результате разложения растительных и животных организмов и обладают высокой обменной способностью и способностью связывать большое количество воды. Влажность сапропелей в естественном состоянии в залежи значительно превышает влажность аналогичных по гранулометрическому составу глинистых грунтов.

В результате выполненных компрессионных исследованиях различных видов сапропеля получены данные, свидетельствующие о том, что во всех исследованных видах сапропелей максимальная молекулярная влагоемкость не ниже, а у многих из них и выше чем у бентонитовых глин, что свидетельствует о наличии в их составе большого количества активных частиц, в основном органического происхождения, обладающих высокой обменной способностью и поверхностной энергией, в результате чего они способны связывать и прочно удерживать в структуре грунта большое количество связанной воды, что позволяет сделать предположение о возможности использования их для приготовления качественных тиксотропных суспензий.

Задачей настоящих исследований являлось определения оптимальных концентраций сапропелевых суспензий, пригодных для строительства противофильтрационных завес методом «стена в грунте» и разработка методики контроля качества суспензии в процессе их строительства.

В процессе исследования по существующим методикам определялись следующие параметры суспензий: предельное статическое напряжение сдвига через 10 мин - по прибору СНС-2; водоотдача через 30 мин - по прибору ВМ-6; плотность менее плотных суспензий - ареометрическим способом, более плотных - весовым; суточный отстой - в цилиндре емкостью 100 мл; стабильность - по стабилометру ЦС-2; вязкость - по вискозиметру ВБР-1; водородный показатель - потенциометрическим способом; содержание песка и недиспергированных частиц - с помощью отстойника ОМ-2; толщина глинистой корки - по прибору ВМ-6 [2, 3].

Ориентировочное время, необходимое для определения одного из вышеперечисленных параметров приведено в табл. 1.

Таблица 1

Затраты времени для определения параметра готовой суспензии

В качестве исходных материалов для приготовления тиксотропных суспензий нами использовался сапропель с зольностью 90%(№1) и 85 %(№2). Сапропель был взят возле деревни Старые Лавки Чашницкого района Витебской обл. в пойме реки Лукомка. Образцы отбирались с различной глубины: №1 - 0,5-0,7 м, №2 - 1,5-1,8 м.

Суспензии сапропеля готовились в пропеллерной механической мешалке емкостью 2 л с электроприводом. Сапропель предварительно растирался в ступке по методу пластифицирования. Частота вращения вала мешалки равна 24,6 с^-1, а время перемешивания составляло 15 минут.

Концентрации суспензий сапропеля были приняты в пределах 0...40% с интервалом через 5 %.

Результаты исследования физико-механических характеристик сапропелевых суспензий [4, 5] были обработаны с целью подбора наиболее близкого по коэффициенту корреляции уравнения. Им оказалось уравнение вида:

где а и b - параметры уравнения;

У - параметр, характеризующий тиксотропность суспензии;

Х - концентрация суспензии, %.

Уравнение справедливо для диапазона изменения концентрации суспензии в пределах от 10 до 40%, для суточного отстоя - от 20 до 40%, плотности - от 15 до 40%.

В табл. 2 приведены параметры уравнения для различных показателей тиксотропной суспензии.

Таблица 2

Параметры уравнения

сапропелевый суспензия бурение глинистый

Проанализировав полученные данные лабораторных исследований сапропелевых суспензий можно отметить следующее:

1. Содержание органического вещества в диапазоне изменения его в исследованных видах сапропеля незначительно сказывается на величине предельного статического напряжения сдвига. Суспензии сапропеля отвечают необходимым требованиям при концентрации 24…33 % для сапропеля №1 и 22…32 % для сапропеля №2.

2. Водоотдача сапропелевых суспензий в значительно большей степени зависит от содержания в сапропеле органической составляющей, определяющей содержание активных частиц способных прочно связывать большое количество воды. 30 % концентрация суспензии с сапропелем, содержащим 15 % органического вещества (ОВ), отвечает требованиям по водоотдаче, а при содержании 10 % - только при концентрации более 45%.

3. В еще большей степени от содержания органического вещества сапропелей зависит стабильность суспензий. Требуемые условия стабильности для суспензии на базе сапропеля, содержащего 15 % ОВ обеспечивается при 27 % концентрации, а при содержании 10 % ОВ - при концентрации более 50 %.

4. По показателю суточного отстоя суспензии удовлетворяют требованиям при концентрации более 36 % для сапропеля с содержанием ОВ 10 % и более 24 % при содержании ОВ 15 %.

5. Условная вязкость возрастает с увеличением содержания ОВ в суспензии. Однако для исследованных видов сапропеля диапазон ее изменений не выходит за пределы нормативных требований к суспензиям в диапазоне концентраций 18…40 %.

Следует заметить, что изменчивость физико-механических характеристик сапропелевых суспензий находятся в тесной взаимосвязи с их концентрацией. При этом при изменении одного из показателей, так же происходит изменение и остальных. Имея результаты лабораторных исследований исходных материалов в процессе производства работ для контроля качества суспензии нет необходимости определять инструментально все показатели. Достаточно определить те из них, которые требуют меньших затрат времени, тем самым повысив оперативность.

Принимая во внимание вышеизложенное и учитывая табл.1 можно рекомендовать для оперативного контроля качества сапропелевых суспензий при строительстве противофильтрационных завес способом «стена в грунте» определять инструментально плотность суспензии и условную вязкость, а остальные ее характеристики по результатам лабораторного испытания (по графикам или формулам).

Например, согласно полученных измерений получена плотность суспензии 1,20 г/см³. Этой плотности соответствует концентрация сапропеля №2 - 26 % (рис. 1, а).

Этой концентрации соответствует водоотдача - 33 см³ через 30 минут (рис. 1, б).

а) б)

Рисунок 1 Зависимости: а) плотности от концентрации сапропеля в суспензии; б) водоотдачи от концентрации сапропеля в суспензии

Библиографический список

1. Справочник по бурению и оборудованию скважин на воду / В.В. Дубровский [и др.]; под общ. ред. В.В. Дубровского. 2-е изд. М.: Недра, 1972. 512 с.

2. Справочник по бурению скважин на воду / Д.Н. Башкатов [и др.]; под общ. ред. Д.Н. Башкатова. М.: Недра, 1979. 560 с.

3. Траншейные стенки в грунтах / Н.Н. Круглицкий [и др.]; под ред. Ф.Д. Овчаренко. Киев: Наукова думка, 1973. 304 с.

4. Боровиков, А.А. Использование сапропелевых суспензий в качестве буровых растворов при строительстве противофильтрационных завес способом «стена в грунте» / А.А. Боровиков, М.В. Нестеров // Вестник Брестского гос. тех. ун-та. Водохоз. строит., теплоэнерг., экол. 2003. №2. С. 29-31.

5. Боровиков, А.А. Исследование буровых суспензий на основе сапропеля для строительства противофильтрационных завес способом «стена в грунте» / А.А. Боровиков // Социально-экономические и экологические проблемы мелиорации и водного хозяйства: материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 150-летию закладки первого гончарного дренажа на террит. России, Горки, 29?31 мая 2003 г. / Белорус. гос. с.-х. акад. Горки, 2004. С. 190?193.

Размещено на Allbest.ru