Н.Г. Максимович

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГИПСА С ОКСАЛАТОМ НАТРИЯ - КОМПОНЕНТОМ ПОСТИНЬЕКЦИОНОГО РАСТВОРА ЩАВЕЛЕВОАЛЮМОСИЛИКАТНОЙ PEЦЕПТУРЫ

Щавелевоалюмосиликатная рецептура, разработанная в проблемной лаборатории геологического факультета МГУ С.Д. Воронкевичем и Л.А. Евдокимовой является наиболее перспективной для иньектирования пород с низкой проницаемостью В скальных грунтах она использована впервые при химическом уплотнении преимущественно карбонатных гипсоносных (до 35% по весу) пород основания Камской ГЭС.

Тампонажный эффект данной рецептуры достигается за счет образования после инъекции геля кремневой кислоты, заполняющего трещинное пространство. Гелеобразование происходит при взаимодействии жидкого стекла плотностью г = 1,19 г/см3 и комплексного отвердителя, который содержит в 100 л воды 5 кг сернокислого алюминия и 5 кг щавелевой кислоты (Воронкевич, Евдокимова, Сергеев, 1978). Время гелеобразования можно менять в широких пределах в зависимости от количества отвердителя.

Со временем из тела завесы вследствие диффузии в подземные воды выносится силикат натрия, оксалат натрия, сернокислый натрий. Максимально возможные концентрации этих компонентов дает стехиометрический расчет по уравнению гелеобразования, который показывает, что в одном литре геля образуется сернокислого натрия 11,8 г, оксалата натрия 15,5 г, а количество непрореагировавшего силиката натрия достигает 30-35%.

Автором производилось исследование взаимодействия гипса - наиболее активного в химическом отношении компонента разреза основания Камской ГЭС - с растворами оксалата натрия различной концентрации. Для опытов использовалась фракция гипса 1-3 мм. Рентгенометрическое исследование керна гипса из основания Камской ГЭС показало, что он представляет собой селенит, определенный по линиям с d = (4,26, 3,79, 3,38, 3,06, 2,87, 2,68, 2,59, 2,49, 2,45, 2,39, 2,21, 2,08, 1,99, 1,95, 1,90, 1,87, 1,81, 1,79, 1,66, 1,62, 1,59)*10-10 м. Из примесей в гипсе присутствует незначительное количество СаСО3 в виде арагонита, определенного по линиям с d = (2,14, 1,70, 1,64)*10-10м (Михеев, 1957).

Для исследования фракция гипса в количестве 5 г помещалась в колбы и заливалась 50 мл раствора оксалата натрия следующих концентраций г/л: 37,0 (насыщенный раствор); 27,75; 18,50; 9,25, а также в дистиллированную воду. Такая методика учитывает различную степень разбавления постиньекционного раствора подземными водами.

Известно, что сульфат кальция взаимодействует с оксалатом натрия с образованием малорастворимого оксалата кальция и сернокислого натрия:

через 35 суток производился химический анализ растворов на  и Са2+. Такой срок дает наиболее полную картину процессов происходящих в растворах. При малых концентрациях про реагировало все количество оксалата натрия (9,25 г/л) и начался процесс растворения гипса, о котором мы судим по появлению в растворе иона кальция, причем количество растворенного гипса в 1,4 раза меньше растворимости его при данной концентрации сернокислого натрия (рис. 1). При больших концентрациях оксалата натрия прореагировала только его часть. Интересно отметить, что количество вступившего в реакцию оксалата натрия по отношению к исходному пропорционально уменьшается с увеличением концентрации исходного раствора, в то время как абсолютное количество прореагировавшего оксалата натрия увеличивается. Это связано, во-первых, с выпадением при больших концентрациях большего количества труднорастворимого оксалата кальция на поверхности гипca, что затрудняет процесс дальнейшего взаимодействия. Во-вторых, так как взаимодействие идет более активно на углах и сколах волокон селенита, то растворы с большей концентрацией быстрее сглаживают эти поверхности, а растворы с меньшей концентрацией еще не исчерпали «запас» активных поверхностей, что видно при изучении зерен гипса под бинокуляром. При исходной концентрации оксалата натрия 9,25 г/л на поверхности гипса видны острые углы волокон, при концентрации 37,0 г/л поверхность существенно выровнена.

Рис. 1. Содержание компонентов в растворе после взаимодействия с гипсом (35 суток) в зависимости от начальной концентрации оксалата натрия.

Свойство гипса образовывать при взаимодействии с раствором содержащим кислотный остаток щавелевой кислоты трудно растворимый оксалат кальция на поверхности гипса использовал Л.Г. Берг и др. (1941) при изучении возможности защиты гипса от растворения путём создания пленок труднорастворимых веществ. При обработке гипса раствором оксалата аммония им установлено, что предельная толщина пленки оксалата кальция зависит от концентрации раствора (2,5% раствор - 9 мк, 0,65% - 5 мк). За двое суток пленка достигает своей предельной толщины. Перемешивание раствора на толщине и скорости образования пленки не сказывается.

Таким образом, содержание в постиньекционном растворе оксалата натрия приводит к образования на поверхности гипса труднорастворимого оксалата кальция, растворимость которого при температуре 25°С составляет 0,0060 г/л, что в 330 раз ниже растворимости гипса. Образование осадка снижает растворимость гипса. С увеличением исходной концентрации оксалата натрия увеличивается количество выпавшего осадка и пропорционально уменьшается относительное количество прореагировавшего оксалата натрия. Все сказанное позволяет говорить, что наличие в постиньекционном растворе оксалата натрия играет положительную роль и может усилить тампонажный эффект при химическом закреплении гипсоносных пород. 

ЛИТЕРАТУРА

1. Л.Г. Берг, А.В. Николаев, К.И. Равич. О защите гипса от растворения. Совещание по закрепления грунтов и горных по род. Из-во АН СССР, 1941.

2. С.Д. Воронкевич, Л.А. Евдокимова, В.И. Сергеев. Тео ретические основы и результаты внедрения способа химического тампонирования полускальных и скальных пород. Вопросы инженерной геологии и грунтоведения. Изд-во МГУ, 1978.

3. В.И. Михеев. Рентгенометрический определитель минералов. Госгеолиздат. М., 1957.