СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА
METHOD FOR PRODUCING TAMPONATIVE SOLUTION

Изобретение относится к подземному строительству, в частности к щитовой проходке тоннелей, и может быть использовано для тампонажа трещиноватых горных пород при сооружении и ремонте шахтных стволов и щитовой проходке тоннелей различного назначения (строительстве тоннелей), а также для растворов первичного контрольного и уплотнительного нагнетания при сооружении подземных выработок различного назначения. Цель изобретения - получение нового тампонажного раствора за счет замены цемента золой от сжигания топочного мазута, ускорение процесса схватывания и твердения золо-бентонито-цементной смеси, повышение прочности и стабильности свойств композитного раствора, а также расширение области утилизации отходов техногенного происхождения. Способ приготовления золо-бентонито-цементной смеси, включающий перемешивание бентонита золы, портландцемента с водой, где осуществляют растворение серы, находящейся в золе гидрооудаления, в течение 20 мин при скорости вращения лопастей 300 об/мин, затем в полученную смесь вводят жидкое стекло и окончательным перемешиванием получают композитную смесь однородной консистенции.
Сущность изобретения заключается в создании тампонажного состава вяжущего на основе золы топочного мазута тепловых электростанций, обладающего повышенными прочностными и улучшенными строительно-техническими свойствами, что также приводит к увеличению объема утилизации кислых и ультракислых зол-уносов ТЭЦ.
Применение зол от сжигания мазута в составах тампонажного раствора позволяет сократить затраты на наиболее дорогостоящий компонент цемент, без существенного снижения его прочностных показателей.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ сооружения тоннелей, коллекторов с использованием механизированного щита и сборных кольцевых обделок, включающий разработку грунта рабочим органом, тампонаж за обделочного пространства тампонажным раствором с ускорителем схватывания через отверстия в элементах сборной кольцевой обделки, описанный в патенте США №5645375, опубл. 1997-07-08.
Недостатком этого известного способа является невозможность вести ускоренную проходку с применением быстросхватывающегося тампонажного раствора из-за наличия опасности его застывания при остановке проходки и прекращении подачи тампонажного раствора с ускорителем схватывания. По этой причине способ применяется преимущественно в ограниченных условиях при тампонаже устойчивых рыхлых пород со значительными кавернами и вывалами.
Известно вяжущее, включающее высококальциевую золу-унос, портландцемент и глинистую добавку, отличающееся тем, что в качестве глинистой добавки оно содержит порошок неполнообожженной глины при следующем соотношении компонентов, мас.%: высококальциевая зола-унос - 55-40; портландцемент - 25-45; порошок неполнообожженной глины - 20-15 (см. Заявка на изобретение С04В 7/28, №98120832/03, 13.11.1998. Дата публикации заявки: 10.09.2000). Недостатком описанного вяжущего является сравнительно высокая водопотребность, недостаточно высокие прочностные показатели, а также необходимость использования при производстве данного вяжущего исключительно высококальциевых зол тепловых электростанций, что приводит к ограниченному выпуску подобного вяжущего и снижению объема утилизации отходов ТЭЦ.
3
Известен способ приготовления композитного тампонажного раствора с заменой 20% цемента золой от сжигания отработавших деревянных шпал при следующем соотношении компонентов (на сухое), мас.%: бентонит 5; зола-уноса 10; цемент марки 400 - 40, при добавлении в качестве ускорителя схватывания раствора силиката натрия с плотностью 1,3-1,45 г/см в количестве 5% по объему. Приготовление тампонажного раствора с добавлением воды производят при В/Т 2:1 (Устинова М.В., Зубрев Н.И., Аксенов В.А. Утилизация золы от сжигания деревянных железнодорожных шпал в составе композитных систем / Научно-технический журнал «Наука и техника транспорта» №4. - М.: МИИТ РОАТ, 2011. - с. 61-64).
Наиболее близкими к техническому результату и взятыми за прототип являются способы приготовления тампонажных растворов, состоящих из бентонита, золы и цемента, полученных путем смешивания портландцемента, золы, бентонита, воды и жидкого стекла.
3
Известен тампонажный раствор с длительным сроком схватывания, полученный при следующем соотношении компонентов (на сухое), мас.%: бентонит 2-8, зола-унос 30-78, цемент класса ЦЕМ-1-42,5Б- 20-68, при добавлении в качестве ускорителя схватывания раствора силиката натрия с плотностью 1,3-1,45 г/см в количестве 2,5-15% по объему. Приготовление тампонажного раствора с добавлением воды производят до водотвердого отношения: В/Т 0,5 - 0,9 (см. заявка на изобретение №2476675 от 18.05.2011, дата публикации 27.02.3013 (Закрытое акционерное общество "Триада-Холдинг" (RU).
Недостатком приведенных выше способов является использование золы без дополнительной обработки в щелочном растворе и высокая стоимость получаемого тампонажного раствора, так как замена цемента золой не превышает 20%.
Техническая задача изобретения - регулирование процесса схватывания и твердения золо-бентонито-цементной смеси, повышение прочности и стабильности свойств тампонажного раствора, расширение областей утилизации отходов техногенного происхождения за счет их дополнительного использования в качестве активных наполнителей в композитных системах. Это обеспечивает удешевление смеси за счет снижения расхода цемента без потери прочностных характеристик.
Технологические ограничения в приведенных прототипах в новом тампонажном растворе устраняются: опасность застывания за счет введения различных количеств жидкого стекла; высокая водопотребность за счет введения золы от сжигания топочного мазута; недостаточно высокие прочностные показатели за счет образования наночастиц серы.
Поставленная задача достигается за счет того, что зола от сжигания мазута содержит повышенное содержание серы, которая в процессе приготовления тампонажного раствора в щелочной среде переходит в раствор с образованием растворимых тиосульфата и сульфатов:
2
4
2
2
3
2
10S+6NaOH=2NaS+NaSО+3HO.
2
2
При этом возможно образование гомоцепей в концентрированных растворах основного сульфида: NaS+(n-1)S=NaSn, в присутствии которого образуются наночастицы, за счет которых происходит ускорение структурообразования системы [Массалимов И.А., Хусаинов А.Н., Абдракипова Л.Ф., Мустафин А.Г. Выделение наночастиц серы из растворов полисульфидов кальция и натрия // Журнал прикладной химии. - 2009. - Т. 82 №12 - С. 1946-1951].
Установлено, что при смешении бентонита и цемента с водой в смеси образуется щелочная среда с рН 12. Химические состав исходной золы и обработанной в течение 20 мин щелочным раствором приведены в табл. 1. Оказалось, что при выщелачивании происходит изменение химического состава золы, причем в наибольшей степени происходит снижение содержания серы. Таким образом, сера, перешедшая в воды затворения, выпадает в виде нананочастиц, которые со временем увеличиваются в размерах до высокодисперсных коллоидных размеров и заполняют полости кристаллизующегося цементного камня, образуя монолит.
3
Раствор содержит следующее соотношение компонентов, мас.%: цемент 30-60, бентонитовый порошок 3,3-5,0, зола мазутная 15-55 и раствор силиката натрия с плотностью 1,3-1,45 г/см в количестве 2,5-5% по объему. Приготовление тампонажного раствора с добавлением воды производят до водотвердого отношения: В/Т 2 - 1.
Бентонит смешивается с цементом и золой, добавляется вода в течение 20 мин со скоростью перемешивания от 200-300 об/мин, затем добавляется раствора силиката натрия и после 1-2-минутного перемешивания до получения однородной консистенции.
Использование новой последовательности приемов и операций, которые надо осуществить для достижения поставленной технической задачи изобретения, выгодно отличает предлагаемый способ изготовления золо-бентонито-цементной смеси от указанного прототипа, так как в результате активации зола выступает не только в роли инертного наполнителя цементной системы, но и приобретает дополнительную активность, способность вступать в химическое взаимодействие с продуктами гидратации цемента, и, кроме того, за счет перехода серы в раствор и образования наночастиц приводит к существенному росту прочности отвержденного тампонажного раствора даже при замене 40% цемента золы.
Технические свойства полученных образцов тампонажного раствора представлены в таблице.
Пример
Получение тампонажного раствора
Смешивают 330 г бентонита марки П2Т2А, 3000 г цемента и 200 г золы со скоростью не менее 300 об/мин в течение 20 мин и затем добавляют 26 г силиката натрия и перемешивают 1-2 мин. Для получения тампонажного раствора потребуется, мас.%: бентонит 3,30, цемент 30,00, зола 2,00, жидкое стекло 0,26, остальное - вода затворения 64,44.
Для приготовления золо-бентонито-цементного композитного раствора в мешалку добавляли воду и активировали смесь в течение 20 мин со скоростью не менее 300 об/мин. Затем добавляли силикат натрия и смесь окончательно перемешивали 1-2 мин до получения однородной смеси.