Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Особенности сорбционного взаимодействия и распространения щелочных растворов (NaOH) в глинистых грунтах

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Особенности сорбционного взаимодействия и распространения щелочных растворов (NaOH) в глинистых грунтах"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра инженерной геологии и охраны геологической среды

На правах рукописи УДК 624.138.4:556.3.06

МАКЕЕВА Тамара Григорьевна

ОСОБЕННОСТИ СОРБЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЩЕЛОЧНЫХ РАСТВОРОВ ^аОН) В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ

Специальность 04.00.07 — Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

МОСКВА 1990

Работа выполнена в проблемной лаборатории геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Научный руководитель: кандидат геолого-минералогических наук Р. И. Злочевская.

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук В. И. Сергеев, кандидат технических наук А. Е. Орадовская.

Ведущая организация: Всесоюзный научно-нсследо-вательский институт гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО).

Защита диссертации состоится МмтШл 990 г.

• ' ® в ¿2^3 ауд. на заседании специализированного совета

К.053.05.06 в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, Москва, Ленинские горы, МГУ, геологический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ, корпус А, 6 этаж.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 119899, ГСП, Москва, Ленинские горы, МГУ, ученому секретарю специализированного совета К.053.05.06 — Красиловой Н. С.

Автореферат разослан /¿¿г

1990 г.

I, - <>-

Ученый секретарь V—

специализированного совета К.053.05.06, '

кандидат геолого-минералогических наук Н. С. Красилова

- I — ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы«, Реет масштабов хозяйственной деятзд-'-костн человека приводят к существенному утг-эллчэнлет захрязкегасо-ти геологической среди, источниками которой чгагут быть шлигепш подземного захоронения промстоков., моста складировании к хранения твердых к жидких отходов производства, утечки р&стзорог- да коммуникаций и технологических систем непосредствгшга на площадках промышленных предприятий. В связи с этил вопроси, связанны? с прогнозов миграции загрязнений и та воздействием на гсологичо— скую среду, являются в настоящее время особенно ак?уаль:«л;п»

Следует ответить, что в последнее время ь технической мелиорация грунтов асе болев широкое. применение »входят хкжчесхи» метода' закрепления грунтов, ь том число основанные ка использсза-нин щелочных растворов (аммонизация, силикатизация, цементация, известкование, защелачилакие и др.) „ При я том наряду с низко-( -с 0,1 и) и средне (0,1-2 н) концентрированными щелочными рас» творами используются и енлькокоицентр/ровашыо ркзности ( > 2 я). Однако, природа взаимодействия последних с повирхностзои твердой фазы исследована недостаточно, что затрудняет и изучение их миграции в глиниста породах. Хроме того, специфика сорЗцлонногс взаимодействия щелочных растворов разных концентраций д грума, а также изменение концентрации раствора в порах грунта за счет сорйцлонных явлений в процессе его миграции з значктел;.исй столени осложняет расчет миграционных параметров для щелочных растворов. В связи с этим методика прогноза распространения щелочите компонентов в глинистых грунтах до сих пор отсутствовала.

Цель да¿отц. Целью дачного исследования является разработ::а методики прогноза распространения растворов щелочи //аОИ различных концентраций в глинистых грунтах в сьлзя с использованием химических щелочных методов их закрепления для решения вопросов, связанных с загрязнением геологической среды.

Основными задачам работы являлись:

1. Изучение специфики сорбционных процессов при взаимодействия глинистых грунтов с щелочными растворами различных концентраций.

2. Изучение особенностей конвективного переноса щелочшаг растворов в всдоиасыщетшх глинистых грунтах раа-шчлой проницаемости, с учетом динамической сорбпди щелочи; оценка этого типа миграции в общем массопорепосй растворы.

Зо Исследование особенностей диффузионного распространения щелочных раотвороБ в глинистых грунтах с учетом их сорбционных процессов в зависимости о? состава и свойств последних» а также нйлкчея в них различных энергетачеехих ферм влаги; оценка роли этого механизма переноса и общем массопереносе раствора.

4. Разработка методики прогноза миграции щелочных растворов э глинистых грунте* з лаборатории;: и природных условиях „ и на

ее основе оценка опасности загрязнения геологической средн.4

Решение поставленных задач базировалось на использовании ¡'.омялекса современных фезихо-мьикческих (химического, ронтгено-структурного, тержческого, инфракрасно-спектроскопического, йлэкгрснкомикроскопаческого) методов псследова!;иА состава к структура глинистых грунтов, способов,, применяемых в грунтоведе-акк при определении свойств пород, а такхе чксленшсс методоз для моделирование миграционных процессов. Полученные расчетные данные, проверенные з лабораториях и полевых условиях на большом количестве соразцоз. ¿мзволяпт иаучше положения п выводы, изложенные в работе, считать достаточно достоверны?® и обоснованными0 Научнак новизна и заютаемко положения; .

1. Выявлены основные закономерности гетерогенных процессов при ввагаеодейстзии щелочных ргстворов с глинистыми грунтами.

2. Установлены количественные показатели кинетики сорбции С5ЛОЧ2ШХ растворов различных концентраций глинистыми грунтами в процессе массоперенсса.

3. Создана количественная физическая модель миграции ограниченного объема щелочного раствора з порах химически закрепляемых гл^истых грунтов 0

40 Разработана комплексная методика количественного прогноза распространения щелочных растворов (//аОН) широкого спектра концентраты (0,01-10 н) для конечного источника в глинистых грунтах за счзт процессов молекулярной и конвективной диффузии с учетом кинетики сорбции этих растворов.

5, Теоретически и экспериментально доказано9 чтр глинистые порода любой степени влажности, независимо от преобладающего механизма миграции з них щелочных растворов различных концентраций (0,01-10 к) яз ограниченного источника, являются естественным геохпютческии барьером на пути распространения растворов.

Практическая значимость и реализация работы.

I. Комплексная методика, разработанная автором, позволяет прогнозировать состояние и поведение щолочных растворов в порах

глинистых грунтов з условиях лосаинъекционного ях распространения при хиг.мчоо.ком закрепления грунтов, а также оцепить лозчюж-кое воздействие этих растворов на геологическую сроду. Примен-з-нне разработанного подхода дает бозксялтость рационально выбрать и использовать химические щелочные метода закрепления грунтов ь конкретных инженеркс-гоолсгичееких условиях, с целы? обаспэчзшгя экологической, чистоты среда и регулирования "агресстгаиых" свойств растворов.

Проверка результата? исследований осуществлялась на горрк-торщ' полигона и базы ШИПрсмстроя г.Уфы, Полученные результата подтверждают корректность расчетной методики прогноза для фронта миграции щелочных растворов из коночного иг.то'-ипс.а в водснасы--ггенных глинистых грунтах и доказывают локальность их распространения ( <1 м м источника). Комплексная мзтодкка и ¡голучпшшо прогнозное данные могут быть использованы организациями ;'Фулда-ыентпроект, НИИПромстрой, Прокстройкроекг, ВНИИОСП и Л1>-) г которые ведут работы, связанные с закрепленном груктон щелочишь раствора",ж.

Апробация работы. Основные палоавкия диссертации до1!ладмв&-лиоь на следующих совещаниях, конференциях и сажкарах:

Всесоюзном совещании "Теоретические основы и методика прогноза аагрязяения подземных эсд", Москвс, МГУ, />6-27 1/.ач,Т965; 4. Всесоюзном совещания по фундамонтостроэнип, г.Уфа, 1Ь-Г7 сентября, 1987; Семинаре "Обоснование и выбор керопр/ят/Л но сглжеплы интенсивности опасны:: техногенных процессов, 18-23 шля, 1У05, г.Петушки; Всесоюзном совещании "Глкнистье минераш и ¡городы.и* использование в пародном хозяйство, Новосибирск, сентябрь,1иС6; конференциях молода ученых и аспирантов МГУ, Моокьа,1986,1937, [988; Всесоюзном совещании ко инженерной геологии лессовых пород, [•.Ростов-на-Дону, октябрь, 1989; Региональной научно-технической {онференции "Использование отходов промышленности при строитель" угве и эксплуатации автодорог", Суспаль, декабрь, 1989; Ьпучнсч ¡еминарв на кафедра гидрогеологии геологического факультета ¡ЛГУ, [990; Научном сэмтт.-?арэ Проблемной лаборатории по технической мо~ шорации грунтов геологического факультета ШТ, ХСШ.

Публикации. По теме- диссертации опубликовано II печатных забот.

Сбьем работы; Диссертационная работа состоя-/ из введения, > глав. заключения, пзлокенных нь Ь стра;ттгх ютыиолионэго 'бкета, списка литерагурк, содертевдего 220 нагыэноганла.'.Йлллр^.,

ряруйтся 55 рисунками» 3 фотографиями. 18 таблицами. В приложении помещены алгоритма и прсгр&таа для ЭВМ и акт о прозадокик •долевых опытов по проверке прогнозного расчета,

В основу диссертационной работы положены исследованиями-пслнэ:шыа втором в 1984-1986 годах, в Проблемной лаборатории геологического факультета М1У "Изучение злияняя геологических факторов на физико-химическое закрепление грунтов" по темз: "Пре~ образование глинистых к лссссвих пород концентрированными щелочными растворами" (.В гос.регксграции 01,8.80057856 КП АК СССР 5.1.13.1.4),

.'Штор выракае? глубокую благодарность своему научному руке— водителю канд. гэол.-мин.наук Р.И.Злочевской, и постоянному консультанту канд. геоя.-мга.наук И.А.Брклинг за большую научно-методическую помощь и постоянное внимание к работе» Автор также горячо благодарят канд. геол.-ки&наук Ф.Е.Волкова за помощь в рэадизавдк ?■. проверке расчетных миграционных показателей в полазил условиях,

Ирд кроведачки отдельных исследований автор пользовался консультациями и помощью докторов геоле-мин.наук В «Но Соколова. й.И.Швсникой, В.А.Королсва и кандидатов геэл.-мин.наук:А.А<,Ро-даля, В„1<ьД!Шл»:еиловсй. В „1\> Шлыкова 8 З.А.Кривошзэвсй, Г.П.Алекса» зже. С.АсДГашщкого, какд.тэхк.наук В.А.Трофкмова. ксгорым выражает с.уоз искрзшюв признательность»

ООДВРЖАНИБ! РАБОЙ!

Глава I, Современное состояние вопроса о процессах взаимодействия к геохимической миграция цзлочнах раотЕоров в дисперсных гетерогенных системах - глинистых породах,

Глинистне породы являются ткпичншп представителями десеэть сии?; гетерогенных систем, при взаимодействии с растворами которых значительную роль играаог поверхностные мевфазные процессы» 2 главе изложены современные представления о структуре и кристалле химии поверхности основных глинистых минералов, рассмотрены ос-нозще закономерности процессов и явлений, происходящих на границе раздела саз глина - раствор с использованием работ: О.Л.Алекееева, Й.Н.Антилова-Каратаева, Г.Вигнерае К.К.Гедройца, Л.ЗЛЪловко, Р.Е.Х^шма, Б.В.Дерягина, Е.Г.Куковскогс.Л.И.Кульчицкого, С.Матгссна, П.А.Ребиндера, Е.М.Сергеева,Д.А.Фридрих-

сберга, А.В.ЧурабБае О.М.мдивтшбики, Б,ГиНикольского> Ф.Д.Озча-рэнко, Ю.И.Тарасевича, ma Dlpfcna iit ^MJck>plfZicifP.P&jf/mr.-г др. Уделено ссобоэ внимание нэу-юккосгл взашедейотаия гляякс-тнх пород с щелочными растворами (Д.Бред, Ф.Е.Волхоз, С.Д.Ес-рсл-хевич, С.П.Губила, Ю.Ф.Дейкога, З.М.Дишгялова, Н.Г.Добромиль-ская„ Р.С.Нуксва, Р.С.Зиянгаров, Р.И.Здочевскак. А.О.Ксржуев, С.С.Морозов, Г.С.Ростовская, К.П.Сарб-Серб:-ша, З^Э.Оепдгроз, В.Е.Ссколович,, Н.И.Хитароз, Р.С.Черная к др. 3 зтих работах ло~ казаио, что процесс га взаимодействия при милых концентрациях раствора { < I п) тлеет физико-хкжческую природу, а прк вкео-ккх - лрэсбладиот.- химические реакции.

Из анализа литературного материала такнэ елзяуо?,, что закономерности механизма взакмодсМстаия гликиетих грунтов с ¡целгеяи-ми растворами, а танке природа их поглотительной способность: до конца не ясны, но установлена многие количестьйянке сорбциоггине я миграционные параметры, являщиэся основой для составлзнжг spo-гкоза миграции щелочных растворов б глинистых грунтах.

Перенос растворов в грунтах мото? происходить как за счет процессов молекулярной, так :: конвективной диффузии Сг.мчено большое значение исследованийi И.А.Брклингt ¡¿.Е,Гилис, С.Л.Долгова, Дж.Клянконберга, Л.И.Кульчяцкого» И.А.Окнияой, А.А.Пакасе-вкча, В.М.Товопной, В,Чернова, Ю.А.'Чунаджаоза, А.Шошша, R У.

^ьИ&ааг- я др. в изучении процоссов диффузии и работ: Г.П.Алексеенко, Г.М.Бврезкикой, Н.Ф.Еокдарнжо, И.А.Брилииг, В.МЛЪльдберга, Б.В.Дорягина, А.М.Монюпко, Е.О.Мосьякива,Н.А, Новицкой, В.М.Павилопского, С.Н.Пахомоьа, Е.О.Релътовэ.Н.П.Снвор-цова, М.А.Сунцсза, Н.В.Чуразва в вопросах изучения фильтрации растаоров и.сопутствующих явлений в глинистых грунтах... Ра само а1-. рены особенности движения, влаги в ненасыщенных породах, обобщенные в работах И.А.Брилинг, А.Д.Еоронииа, A.M.Глобуса, Н.А.Качия-ского, А,А.Роде, Й.И.Судниццна и др.

Показано, что описание геохимический миграции растворов в гетерогенных средах развивается в настоящее время в р&лккх двух основных направлений: а) методов хишческой термодшемшеи (И.К.Карпов, Г.А.Соломин, Ю.В.Швяров), б) ыетодов физало-хЕшпе-. ской гидродинамики и кинетики (Ф.М.Бочавер, B.C.Голубев,A.£.0ра-довская, В.М.Шестаков и др.). Обоснованию инъекционного процес~-са при химическом закреплении грунтов посвящены раоотн В.И.Сергеева, Т.Г.Шамкс, В.И.Пашкова и др. '

Анализ литературном материала по ¿оьрюеам ыиграцйй р^о>

тгорои в дисперсных породах показал, что рэшениз прогнозных за-возможно на оснолс создания глиграциоиных математических мо-делзйл при использовании метода, осконанного на принципах гидродинамики к кинетики г-загсло действия, При этом основой для составления прогноза даграцм растворов в глинистых грунтах является получение? кслачоствоннах закономерностей взаимодействия щелочных раетаороЕ с глинистыми грунтами, г также переноса этих растворов з водснасыщенных и нокаекцэнных грунтах, осуществляемого как за счет процессов молекулярной, так к конвективной диффузии, причем аоздоднк? г настоящее врегл практически иг изучены»

На, основании анализа литературного материала сформулировали и задачи исследования.

Глава П0 Характеристика объектов исследования ш влтте щелочных растворов на состав н свойства глинистых грунтов

Дяя исследования были в зяте природные мокоминеральные гли-нисгыэ грунты контморштлонитового (асканит,с.Асканья, Гру-йхеской ССР), каоликнтового (каолин положений, еА\ УССР), нре-ндбушзствашзо гидрослюдастого (синяя кембрийская глина, 0г.1е-Ешгра»), с. такжа аояклешеральные глинистые ж лессоЕме грунты г лэгккй яиоватий суглинок арО^ (г.Колхозабад) „ средний пылева-ткй (язосойидкцё) суглинок шц- (г„Тобольск), тяжелые шлава-•гяэ (лзееовиднме) ауг.шнкиг суглинок й. (г.Еолгодонсх)в суглинок а (г„Звенигород), суглинок (база НИИПроастроя г.Уфа), средняя пниэватак глшга (г„У$а). А также есполь«

гсаались йЕокоыпкараяьние сбразда ешшкатоз н алшосилккатов, относящихся к пврзнгенш шшэрглам, содержащимся в лессовых а тли-ккстю: х'руктах: кварц, недавне ияатщ (калаевые) и натриево-каль-цковые (Лабрадор), рогозгя обманка, сллда-флогопате кальцит с гипс и фракцкн етнэрашв к глин: I - кварц фракции; < С0002 т„ 0,250,50 т, 0,01~0,5 ш, 2 - каоляк дояоесккй фракции; > 0,01 юл, 0,005-0,01 т, < 0,005 ш, 3 - глина ¿.[¡¡^ (т.Тфа) фракции: > 0,01 ш, 0,00543,01 йы, < 0,£Ю5 нм„ ■ "

■ йзученаэ влиянвк растворов /\/&ОК высоких концентраций (2,5г 5 в 0 к 10,0 н) ка кристаллическую структуру к свойства исследо-заьных грунтов грсзодкЕось ж образцах грунтов (в кольцах) кару-оекяого и естостаеккого Словения по разработанным ранее методикам.

Подтверждены результата ранее проведенных исследований

(Ф.Е.Волкова, Р.И.Злочевской, С.Д.Ворсккеаича) о том, что яоз-действие щелочных растворов высоких концентраций ка глинистыз грунты приводит к значительному преобразованию кх составаt а такие физических, физико-химических z физико-механических свойств,, причем тем болео существенному^ чем выше концентрация бзйшодэК-ствущего раствора. При обработка дисперсных грунтов растворами щелочи высоких концентраций происходи? частячксо рагрушэнко кристаллической решетки глинистых, а текьэ некоторых хластигенкых и типоморфных минералов, выход в раствор продуктов их разруьеггш, в том числе ионов кремния, алюминия,, кальция и др., поглощснкз ионов натрия и гидроксилов щелочи „ увеличение амхостк обадзла минералов, образование из продуктов разложения новых, в тек чкегге нерастворимых, соединений типа гидроалсмосилкатов натрия ■'цеолитов , содалитов). Наибольшей активностью к шохочнж растворш высоких концентраций обладает минерал каолипкт, наименьшей -1-й дро слюда.

Изменение состава твердой части грунтов под влиянием кон« центрированных щелочных растворов влечет за собой перестройку ях структуры и свойств. Увеличивается процесс сначала дасшргаадта, а затем агрегации частиц, в особенности глинистых к мзлкспклзеэ« тых частиц. Изменение раьмера частиц л накопление новообразований в порах грунта сопровождается уменьшением ж дата потеозй последним пластических свойстр (не раскатывается в шнур), узэяяче-нием, а иногда и уменьшением пористости, Езмонзнкем гидрофильно« сти за счет корродирования поверхности и адсорбции ка ней кыссх кодисперсных и гидрофильных новообразований. При атом грунты становятся прочными и водоустойчивыми.

Глава Ш. Исследование поглотительной способности глинистых грунтов по отноигониэ к щелоч растворам

Воздействие щелочных растворов5 в отличке от нейтральных, на глинистые грунты способствует растворению поверхности н отдельных минералов грунта, изменяет их минеральный состав,, содействует синтезу новообразований, устойчивых в иголочной в водной . средах. Это воздействие изменяет и характер поверхности грунтов, которые становятся актирными сорбентами щелочных растворов.

Большое внимание в работе удалено методике определения ко-глотательной способности изучаемых грунтов по отнотента к аелоч-Ким растворам. В отличив от емкости обмена в нейтральной среде,

змксоть поглощений характеризует способность грунта суммарно сорбировать яонк аз раствора з ¡целочнок среде„ независимо от меха-янка* аорбцюъ, При атом установлено оптимальное соотношение твердого (Т; и авдкого (S) компонентов (Т:Ж = 1:10) в системе "грунт -щелочной раствор", обуславливающее при однократной обработка Герата близкой к максимальному поглощение адлочи грунтом, а так-за зрзмя, щж котором достигается предельное поглощение щелочи, зззесйщзз от мин&р&яького соотсиа, навески грунта t a таккэ от ¿¡скдэнтрэцни раствора щелочи» Получены осно2:шз закономерности сорбция щелочных раствороз ккрокого спектра концентраций (ОД -10 к //а0II) не большом количестве образцов различной дасперсаос-тк к минерального состава „ Зависимость поглотительной способное« та исследуемых грун-шэ от конпэнтредис щелочного раствора //аОН а достаточной степенью точности мовэг быть списана уразкаяхрж изотермы Ленгмюра (рлоЛ)* Показано, такта 6 что природа поглотиТеЛЬНОЙ СПОСОбНОСТЕ ДЕСЕбрСНЫХ ГРУНТОВ ЕО ошоеййяэ к ЦвЛСЧ-пел растворам ¿буслсзланг. в с с нов ном следующими процессами:

а) физидо-хилическим' обменом ка f/tí+ обменных: катионов грунта;

б) фкзико-сшйгчесхим поглощением щелочи se счет дополни« телleo диееоцшрозангых структурных гадроксзш>нкх ¿групп в щелочной среде 0"' - IP с поцлезз-ащи« обменом ка Н1- конок //¿I ез раствора щс-лочп //аОН к образованном в раса-вора молекул воды;

s) язагсеекяы процессом растворэгтя.' минералов, которому йсесобстзузт высока?: акнэзкость (агрессивность) eoiiob ОН" щелочи по атковзшо к некоторым гдимссЕВшатннм ж друтга соединениям;

■ г) процеоееми зтаигеескоа» синтеза на паренасьщеккого перового раствора продукте© р&отзорання и образования новых веществ, 'керготЕоршд: а годе к щолс^ид игоащах существенную роль прг форизрозангк прочных мкдвЕсадаонно-крастаилизационшх структур.

Как следует нз проведенных ггссперЕмонтоз, в процесса сорб-игорного ззажс-деЁстэкя щелочи к тфугегц имеет место непрерывный процесс нейтрализации щзлоче грунтом sa счет его буферных свойств вплоть до предельного каевдения последнего 0 определяемого для данной концентрации раствора щи однократном воздействии не грунт десятикратного объема щелочи (T:S = 1гМ). При этом время взаимодействия концентрированное растворов с грунтом за счет химического механизма увалкчлвает предельнее поглощение им щелочи в 2-3 раза по сравненгаа с кратковременными результатами, что следует учитывать при составлении прогноза величины максимально Еозуокаого поглощения щелочи грунтом.

Иго

ЮМ

ад

с^ мг-элу'штр.

о 5 (О . ^ Ц, и

Рте.Т. Лэотермп сорбции для !?зучештх образцов: I - г.'оит— морнллоиитовап глина; 2 - ка-олинитсъая глина: 3 - суглинок а 4 - гидпо-слюдистад глина; о - суглинок (г.Колхозабад)

Рис..2. Кинетика изменения концентрации сплоти ъ глине а. Цш (г.Уфа) па пасстояиик от начала координат: 1-10 сгт; 2-30 см; 3-50 см; А ~ 70 см.

200

600

400

200

су К-уь

(лес

Рис.3. Кинетика сорбции щелочного пастеспа пси начальник концентрациях 1н к 5н N аОН

---1н Л/рОН

- 5н ЫвЖ

Обозначения 1-5 те не, что та рио.2.

7 "Ь,пет

Рис.4. Прогноз изменения иоложэ-ния фронта щелочннх растворов в водонасщенпих грунтах в зависимости от времени без учёта сорбции (кривые 2,5,7,9,11) и с учётом сорбции (кривые 1,4,6,8,10): 1-2 - суглинок а Цш (г.Ута); 4-5 - гидрослщистал глина; 6-7 -суглинок ар Щ-Ш (г.Колхозабад); 8-9 - каолинктовая глина; 10-11 -монгмориллонитовая глина.

- ю -

Глаза ГУ. Исследование распространения щелочных растворов в водонасыщенннх глинистых грунтах за счет конвективного переноса

Анализ экспериментальных данных по фильтрации щелочных растворов //аСН (0,1-10 н) концентраций показалс что исследуемые грунты обладают поглотительной способностью к иокам 0Н~ не только в статических, но и в диналгаческих условиях, причем с увеличением концентрации растворов щелочи динамическая емкость поглощения грунтов возрастает. На интенсивность и величину поглощения растворов щелочи влияет скорость фильтрации раствора, дисперсность и минеральный состав глинистых грунтов.

0цоы<а дальности переноса щелочи, в водонасыщеннок грунте за счет конзективных потоков была получена на основе решения общей задачи о ?лассопереносе в поглощащвй среде о учетом соответствующих начальных и граничных условий.

.». Ш. +и ¡с. =сг?¿с

I « Н м -- „а //&С)=0 -¿=0 1<п

№.1)=о 4>о дх и>х и

где 0 - концентрация вещботва в растворе; А'- количество вещества, сорбированного твердой фазой грунта, приходящегося на I см3 пористой среды} - коэффициент дисперсии; И - скорость потока;а,5 константк изотерм сорбции и скорости поглощения.

Показано, что II ~ 0,2 м/сут соответствует минимальной величине скорости потока, при которой начинает преобладать конвективный перенос. При данной скорости изменения во времени профиля распределения концентраций, т.е. волна концентраций имеет четко обозначенный передний и задний фронты распространения при движении по потоку. Зона начального загрязнения постепенно сносится по направлении движения потока в грунте, освобождая от щелочи ранее занятые области и распространяясь на ноЕые, свободные ог щелочи объемы грунта, где активно снова сорбируются.

Из-за взаимодействия с грунтом концентрация щелочи постепенно падас?, что видно из графика на рисунке 2ра котором отраже-

на динамика изменения концентрации щелочи б поровом растворе для конечнох'й источника в некоторых фиксированных точках грунта. Характерной особенностью кривых (1,2,3), построенных зля точек, попадающих з гону начального загрязнения С < X Х0, является наличие совпадающих частей, что говорит о подобии процессов перзноса и поглощения в этих зонах вплоть до того момента, когда через них проходит задний Фронт волны загрязнения, Наличие горизонтального участка на этих крстюс говорит об отсутствии поглощения щелочи^ грунтом в этой области, начиная с определенного момента времени ь что связано с исчерпанием поглотительной способности грунта с учетом динамики изменения концентрации источи в этой области.

Проведение прогнозные расчеты для конечного источника показали, что полное поглощение щелочи грунтом до уровня ДДК происходит за — 70 суток и при этом волна загрязнения может продвинуться ко более' чем на 1,4 метра. Пространственное распределение поглощенной щелочи в грунтах на разные моменты времени весьма неравномерно по времени; оно протекает интенсивно в первые дни(ас 7 дкей)и значительно затухает в дальнейшем. При этом'более 85$ щелочи поглощается на расстояниях не более 0,3 метра от зона начального загрязнения, а кроме того, более половину поглощается непосредственно в самой этой зоне. Динамика суммарного поглощения во всей загрязненной области показывает, что 9С$ щелочи поглощается за первые 18-20 суток.

На'основании полученных результатов наблюдаемого явления поглощения конов ОВП не только з статических, ко и а данзшчео. • ких условиях делается вывод о том, что глинистые грунты играат роль геохимического барьера для конечного источютка щелочных рао-твороз и при наличии конвективного потока.

Глава У. Исследование диффузионного распространения щелочных растворов в глияис-мх грунтах

5.1. Исследование распространения щелочных растворов з ненасыщенных глинистых грунтах

Специфика миграции щелочных растворов в ненасыщенных глинистых грунтах тесно связана с потенциалом влаги ( ^ ) или всасывающим давлением влаги ( (5 ) из раствора щелочи,з связи с этим изучаемые образцу характеризовались по этим параметрам.

При определении ^ ели Р^ использовался метод равновесных срод (И. А.Брилинг, 1379). •

- Экспериментальный исследования показали, что значения дав-

леник злагя и грунтах - при изученных концентрашях раствора щелочи /УаОК (0,1 до 5 и) в области малых влакностей при W<Wp мало зависят от концентрации раствора щелочи, а ь области влаа-костей при W>WD наблюдается более значительные изменения.

Кроме того0 после насыщения пор грунтов щелочным растгором до W< Wp жидкость в rpj-нте сказывается практически неподзи»-ной, а перемещения ее за счет нленочного механизма незначительно, поэтов в порах пенасиценних глинистых грунтов (при V/<Wp ) происходит в основном процесс поглощения щелочи глинистыми грунтами. Б кенасышенлшх условиях и отсутствии переноса растворов большая yx часть (до 90*) поглощается за 2 недели, а сорбция ос-тавиегоск раствора происходит более постепенно.

Анализ проведенных исследований позволяет сделать вывод о том, что с увеличением концентрации растворов щелочи процессы разложения, поглощения и синтеза нсвых веществ значительно интенсифицируются. При этом поскольку диффузионные процессы миграции щелочи в ненасыщенных образцах грунтов существенно затруднены, отмечается более значительная их локализация в порах грунтов вблизи источника "загрязнения", чем в насыщенных.

5.2» Диффузионное- распространение щелочных растворов в шдонаенщенных глинистых грунтах

Особое внимание в работе было уделено рассмот1>еншо диффузионных процессов в свягк с тем» что щелочные методы обычно приме- . няются в слабопроницаемых грунтах Кф< 0,1 м/сут.

Принимая во внимание тот факт, что глинистый грунт в той или иной мере поглощает щелочь, процесс диффузии щелочных растворов в водокасыщеиных грунтах о достаточной степенью точности может описываться систэкой дифференциальных уравнений в частных производных: уравнениями материального баланса и кинетики сорбции ори соответствуют« начальных и граничных условиях (B.C.Голубев, А.Л.Гарибянц, 1968).

М *

1g-^-lfa) -t-o

см J«. _t=0

Ф) =о 1Л°

газ коэффициент диффузии,,

При решении системы дифференциальных уравнений дли всех исследованных фунтов был определен диффузионный комплексный мз£~ грационный параметр „ вид функции 4- , определяющий взаимодействие глинистых грунтов с щелочными растворами.

Для определения диффузионного комнлзксного миграционного параметра использовалось моделирование. процесса з лабораторных уо~ ловиях. Юл. этого исследуемыэ водонасыщекныэ грунты яри помещались в одну из камер двухкамерного прибора, а во зторус ! малую камеру заливался определенный объем раствора щелочи (40 вял) 8 н концентрации. Кюветы герметически закрывались я оставлялись на определенный срок взаимодействия (3 су т., I над., 2 кед.). Вреда взаимодействия лимитировалось длиной кювета. что оаязако с необходимостью выполнения условия L>S\ j?■-L (А.А.Рошаль, 1380). После достижения этих сроков в кювете отбирались пробы грунта черзз I см по длине образца, з которых определялись влак-кость (V/ ) и концентрация раствора щелочи - С^- По • аолучзннки да!шнм ■ были построены графики распределения концентрации С.^ по . длине образца на разше промежутки врамени. На ссгозании зтазс гргфиксэ к используя репечке уравнения диффузии для подуогранк-чеяного Дела бшга получены комплексные миграционные параметры для изученных грунтов»

Исследование колгчесгвэшэх за^сггет:ермо:2'--сй еорбцнокньк процессов в глинистых грунтах проводилось з еггггчэеккх усяози-яхв ео методике, описанной в работа Ф.МоБочсвер, А.Е.0рздозскоЗ, 1372 г» Форма экспериментальных кривых изотерм сорбции для образцов глинистых грунтов с достаточной степенью точяоеза о!22са-= вазтея зазиспг/остзю, усгааовяенной Лэнпдар"ьГ^г Полученные экспериментальные зависимости ^ «али 205И0&» лссть оценить параметры а и 6 » Константа скорости сорбцяк определялась на основании расчэта кинетических экспериментальных соотношений ("Ь) (рис.3)

Установлено, что коэффициент скорости сорбции грунтами рас-тзоров щелочи малых концентраций (С I н) в 10-100 раз больше коэффициента скорости растворов щелочи больших концентраций (> I н), что обусловлено различным типом механизмов их поглощения: физа-ко-химическии и химическим. В обоих случаях (в отличив от физической сорбции) процесс поглощения щелоча в данных условиях среда является необратимым.Кинетика сорбции щелочных растворов грунта-

за: лонпт во анешкздиффузиочной области л описывается соответст-зушиш; хикетаческша уравнения!®. Предельнее поглощение щелоч-ню: растворов глинистыми грунтами зависит от их дисперсности и минерального состава, С увеличением дисперсности поглощение возрастай?» Среди мономккеральнкх грунтов максимальным по1'лощснием обладая? контморадлонитовая и као.ганитовые глинн, минимальным -гкдроелюдястке „

Используя полученные миграционные параметры, была решена гышеучазаьная система уравнений: материального баланса и уравнения кинетики процесса. Поскольку аналитического решения для указанной сьстемы зтравноний не получено, то процесс миграции щелочи исследовался численными методами. Для этого система уравнений апроксишровалась по явной схеме. Результата числешшх расчетов, проведенных с использованием конечно-разностной схемы, арияеденн ка ряс„4, На рис.4 показано изменение фронта загряз-незкя з яэвисимости от времени. Концентрация на фронте загрязнения была принята за 1С"'4 н (рН 9).

Кривые 2,5,7,11 на рис.4 описывают положение фронта чисто диффузнойного переноса щелочи (без учета поглощения) для исследованный грунтов. Кривые имеют параболический вид и характеризуют практически неограниченное распространение загрязняющего вещества. Оценка предельной дальности распространения щелочи для конечного источника (без учета сорбции) дает величину мно-гкг. сотон метров, а для постоянного источника - дальность рас-•пространетаг загрязняпцего вещества не ограничена.

Учет поглощения щелочи грунтом существенным образом измокнет характер миграционных процессов. Кривые 1,4,6,8,10 на рис.4 оштсюзаот полоуение фронта загрязнения с учетом поглощения для изученных грунтов., На рис.4 видно, что максимальная дальность продвижения фронта загрязнения о учетом сорбции (в условиях данного опыта) составляет величину 6-36 см для различных грунтов. Процесс миграции щелочи в грунте, как показали опыты, представляется следующим образом; в течение некоторого предельного времени „различного для разных грунтов (от I года до 3,5 лет),фронт ЗЕгряэнешш двлгвтея в направлении от источника, затем, достигнув максимального удаления, фронт щелочи начинает отступать вплоть ас полного исчезновения зены загрязнения (до ПДК).

Реьчьташ было установлено, что дальность продвижения, в основном, определяется коэффициентом диффузии или параметром (£5.) к предельной поглощаэдей способностью грунта,а время пол-

кого поглощения щелочи - коэффициентом диффузии и величиной скорости сорбции щелочных растворов,, Наименьшей дальность» р&опрск. странения щелочных растворов обладает грунт, имеющий Е&ямеиьанй коэффициент диффузии и максимальную поглощащую способность грунта. Такими свойствами обладает ¡ионтмор&шжятобзя глина„ йз остальных исследованных грунтов можно выделить тяжелый суглинок О. (г.Уфа), имеющий наибольший коэффициент диффузии {"Щ } к значительную поглотительную способность,, В связи с этим время: полного поглощения щелочи у него - минимальное. Что касается остальных исследованных грунтов„ то параметры двикеккя фронта "загрязнения" определяются совокупным влиянием указанных зкшэ двух противоположных тенденций. ■

Очевидно, что поглощение щелочи не будет раььемерккзл по длине образца: чем блигз точка к источнику„ тем больно величина поглощения щелочи и меньше врэ;дя насыщения, т.к» процесс и да? до тех пор, пока скорссуъ поглощения на станет равной нулю. По расчетным данным, полное поглощение щелочи: в эона якьехция ( до ЦДК) происходит за 765 дней, однако, основное зе количество (ко 905?) поглощается за 25 дней.

Таким образом, учет поглощения щелочи грунтом существенным образом изменяет характер миграционных процессов.

Помимо рассмотренной линейной задачи, при еокоиж которой удалось установить закономерности распространения щелечягх рае-творо? во времена г пространства в лаборатсря»; условиях, бьша решена радиальная задача миграций щелочных растворов кратких природных условий. Расчеты: бшш црокэдзкк по :.2£гр£цюк» нкм параметрам, полученным в лаборатория кг образца«, отобрашзгж 25 скважины, находящейся ккш уровт грунтовок зоа е однородной толщи тяаэлнх алязэяалькых суглинков а. Д? (г.Уфа) мощность» 10-15 м„ з которуз б&т закачено 600 расгвора //а0Но Поста

образований зещзлочэекой еош грунта радиусом <£»60 см рас- • гвор щэлочн начинает мигрировать ш аласгу за очз? кроцзоссз диффузия во все сторона. Сценка дальности ргепрзстеаке¡-ий фронта загрязнения и временя полного поглощения бял&. проведена в прзд^ полокошга. что весь соток направлен в горизонтальном направления и обладает цилиндрической сгаийтр^й. Как показали результата расчета, поведение фронта загрязнение при этом аналогично распространения щелочи в кювэгэ с гручтем, т.е. скачала фроя? за- • грязкения за счет преобладания диффузионных процессов кад поглощением щелочи движется от источника, а по мере презалировякия

процессов поглощения щелочи над диффузией начинает отступать.При этом расчетная максимальная дальность загрязнения составляет '—06 см (при 1« SQ см от шгьектора), которая могат достигаться за 6,5 лет. Расчетное время полного поглощения щелочи в прккньекторной зоне составляет 13 лег.

Натурныо наблюдения за изменевкэм концентрации щелочи вблизи эащелоченкого глассива глинистого грунта подтвердили указанный характер миграции щелочных растворов. Наблюдения показали, что щелочь локализуется вблизи закрепляемой гони. Так, например,судя по итогам наблюдений за строительным объектом в районе г.Уфн,миграция щелочи (с рП 11-10 5 прослеживалась вне зоны закрепления лть в течение первого года после закачки. Она фиксировалась на расстояниях, меньшое 0,5 и от захрогагепкой зоны, однако, уже через 12-14 месяцев щелочность поривого растЕора здесь нзйтрализо-. валась'и практически соответствовала 1Щ (рН «8,5).

С цельа изучения'зависимости максимальной дальности продвижения фронта и длительности полного поглощения щелочи от коэффициента диффузии был;: проведены специальные расчеты, что позволило оценить точность прогнозных оценок. Установлено, что точность определения коэффициента диффузии, в известных пределах, не оказывает существенного влияния на прогноз дальности распространения. Что не касается времени полного поглощения, то здесь иаблю-дается значительная зависимость от коэффициента диффузии, в связи с стяг.: прогноз времени полного поглощения может оказаться менее точным и колебаться б значительных пределах, что следует учитывать при прогнозировании миграционных процессов в полевых условиях. С целью повшгания точности временного прогноза следует уточнять величину коэффициента ) в полевых условиях.

'Гатил образом, экспериментально-теоретические исследования . и натурные наблюдения, проведенные в течение нескольких лет, показали, что при ограниченном источнике загрязнения за счет диф^ фузионных процессов и активного взаимодействия щелочных раство- -ров с глинистыми грунтами с течением Еремени происходит практически полное поглощение щелочи (до ЦДК) грунтом.

Заключение

Изучение геохимической миграции щелочных растворов s глинистых грунтах порволило оценить воздействие используемых уимлче-ских способов закрепления грунтов на геологическую среду. .

Б работе показана специфика воздействия щелочных растворов на глинистые грунты. С одной стороны, они способствуют диссоциации поверхностных ионногенных групп на твердых частицах и растворению поверхности отдельных минералов грунта, изменяя юс минеральный состав, содействуя синтезу новообразований, устойчивых в щелочной и водной средах, а с другой - сами грунты становятся активными сорбентами щелочных растворов, что существенным образом влияет на геохимические особенности и характер миграции в них последних .

Выводы:

К выводам теоретического характера относятся следующие:

1. Установлены основные закономерность гетерогенных процессов з глинистых грунтах при взаимодействии их с щелочными растворами. Поглощение щелочных растворов глинистыми грунтами зави~ сит от их дисперсности и минерального состава и для концентрированных растворов описывается уравнением типа изотермы Ленвлзора. Получены количественные зависимости процессов кинетики сорбция глинистыми грунтами щелочных растворов различных концентраций, при этом показано, что зты процессы легат зо БкепшедпФФузиснноЙ области п описываются соответствующими кинетическими уравнениями. Установлено, что коэффициент скорости сорбции грунтом щолсчзг малых концентраций ( < 7. н) з I0-IC0 раз болыпэ такого жг фяциента для растворов щелочи больших концентраций С > I нК Изучена природа поглотительной способности дисперсных грунтов различного минерального состава и дисперсности относительно щелочных растворов.

2. Создана количественная физическая модель и на ее осксзе составлен прогноз миграции щелочных растворов з порке глинисты:-: грунтов при постикъекцгоншо: условиях. Б результата рэщзигк плоской к радиальной задач fe помощью ЭВМ) установлено пространств вэнно-врзмэнноэ распределение концентрации щелочных растворов я положение фронта "загрязнения'1 при распространении щелочных растворов различных концентраций • из конечного источника з зодсна-сыщеннкх глинистых грунтах различного состава при диффузионном

и конвективном перекосе. Учет поглощ&кгя щелочи грунтом существенным образом изменяет характер миграционшпе процессов: первоначально в течение некоторого продельного времени, различного для разных грунтов, фронт "загрязнения" движется от источника (скорость миграции превышает поглощение щелочи), а затем направ-

ленио дзикения фронта изменяется на противоположное (скорость поглощения превалирует) и через некоторое время концентрация "загрязнителя" достигает нуля, т.е. происходит полное поглощение щелочи грунтом.

Яатурнке опыты подтвердили полученные расчетные данные,показ аз сугубо локальный (с I м) характер распространения щелочных растворов вблизи источника после их закачки к наличие обратного направления движения фронта "загрязнителя" через несколько месяцев.

3. Опыт к расчеты показали, что дальность распространения щелочных растворов (для конечного источника) в изученных грунтах существенно локальна и при диффузионном перемещении составляет величину одного порядка с рагмером зоны начального загрязнения, а при конвективном - несколько больше в зависимости от скорости конвективного перенося. При этом время полного поглощения шелочи грунтом при молекулярной диффузии в области загрязнения (зоны закрепления) составляет порядаа десятка лет и нескольких месяцев за пределами зоны "загрязнения'': при конвективной диффузии поглощение происходит за срок менее нескольких десятков суток (при и = 0,2 ч/сут).

4. Показано, что в порах ненасыщенного глинистого грунта при влажности, меньшей "нижнего предела пластичности" 0,8 и

^ > I М11а) .миграция щелочных растворов практически отсутствует и в раьаовесных условиях происходит лишь процесс поглощения щелочи глинистыми грунтами.

5. Доказано, что глинистые породу любой степени влажности, независимо от преобладавшего механизма миграции (диффузионного или конвективного) .в них щелочных растворов, в том числе и высока концентраций (3-10 н), из ограниченного источника являются естественным геохшжческим барьером на пути распространения зтих растворов.

К выводам ивтс^^еского характера относятся следующие:

6. Разработана методика определения поглотительной способности грунтов по отношению к щелочным растворам.

?. Разработана комплексная методика оценки я прогноза распространения щелочных растворов (с использованием ЭВЛ) широкого спектра концентраций в глинистых грунта:: за счет молекулярной и конвективной диффузии с учетом процессов сорбции, применительно к лабораторным и нолевым условиям.

- 19 -

К вывода: практического характера относятся следующие :

8. Разработанная методика позволяет прогнозировать состошше к перемещение щелочных растворов в порах глинистых грунтоз з условиях постинъекциокногс гас распространения при химическом закреплении грунтов и оценить вогмокиое воздействие этих растворов на геологическую среду. Применение разработанного подхода дает возможность рационально Еыбрать и использовать химические методы закрепления грунтов в конкретных янненерыо-гсологичосхих условиях.

Основные результаты диссертации опубликованы в слекуяцих работах:

1. Особенности диффузионного распространения щелочных растворов в Еодокаскщегакх глинистых грунтах. - Сб. Теоретические основы и методика гидрогеологического прогноза загрязнения подземных вод. Москва, МГУ, 25-27 мая 1986 г. (Совместно с Злочев-скзХ Р.И., Брилкнг H.A., Дивисиловой В.И.).

2. Влияние -электрического тока на массоперенос щелочных, растворов и эффективность закрепления глинистых грунтов способом защелачиБания. - Материалы Х1У кауч.конф.мол.ученых и аспирантов геол.tot. МГУ, Москва, 23-27 марта 1937 г. Деп. в ВИНИТИ I0.C8.87 Я 5780-В87, c.2S-37. (Совместно с Белавской Е.Б.).

3. Оценка распространения щелочных растворов в глинистых породах. Инженерная геология, 1987, Je 2, с.37-45. (Совместно с Бркгашг' И.А., ЗлочевскоЗ Р.И., Волковым Ф.Е., Дивисиловой В.К.).

4. Влияние химических добавок на эффективность закрепления ■ глинистых и лессовых грунтов способом защелачияания. Материалы Х1У науч.конф.мол.ученых и аспирантов геол.фак. М1У, Москва, 23-27 марта 1987 г. Деп.: в ВИНИТИ 10.08.87, Г* 5780-3.87,0.53-60. (Совместно с Самариным E.H. )<>

5. Обоснование прогноза миграции щелочных растворов в глинистых грунтах. Материалы ХУ науч.кокф.мол.учэных геол.фак.МГУ, Москва, 24 марта 1988'г., секция грунтоведения, иия.гзол. и охраны геол.среды. Деп. в ВИНИТИ 17.06.88, » 4780-3.88, с.П-19.

8. Особенности динамической сорбции щелочных растворов при фильтрации через глинистые грунты. Материалы ХУ науч.конф.мол. ученых гесл.фак. МГУ, Москва, 24 марта 1988 г., сечция грунтоведения, инж.геол.и охраны геол. среды. Деп. в ВИНИТИ 17.06.88 № 4780-В.88, с.2-10. (Совместно с Лапицким С.Л..Алексеекко Г.П.).

7. Глинистые породы как геохимический барьер при распрост-

ранении техногенных щелочных растворов. Тезисы докл. на Всесоюзном совещании "Глинистые минералы к породы, их использование в народном хозяйстве", Новосибирск, 27-29 сентября 1988 г. (Совместно с Злочевской Р.И., Дивисиловой В.К.).

3, Особенности сорбцконного взаимодействия лессовых пород с техногенными щелочными растворами при их диффузионной перемещении. Тез, докл. на Всесоюзном совещ. по икж. геологии лессовых пород. Ростов-на-Дону, 17-19 октября 1389 г. (Совместно с Злочевской Р.я., Дивисиловой В.И.).

9. Щелочные техногенные грунты и вопросы охраны геологической среды. Тез.докл. региональной научно-технической конференции: "/^пользование отходов продалонкости; при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог", г.Суздаль, декабрь 1989 г. (Совместно с Злочевской Р.И., Волковым O.E., Дивисиловой В.И.).

10. Взаимодействие глинистых и лессовых пород с концентрированными щелочными растворами. Инженерная геология, 1990, & 2, с.33-51. (Совместно с Злочезской Р.И., Волковым Ф.Е., Самариным E.H., Шлыковым В.Г., Пяясшшой И.И., Кривошеевой З.А., Дивисиловой В.И., Филимоновой Т.С.).

11. Gooohcuicbl Piatures of b^illageous ;<ocks intere.cttns

v/Jtix i.llcaliae Solutions. 'X Intenia^ioi'-bl Clay Conference, зтяЪоиге, Franco, /.umist ÜB - September 2, 1989 U.X.Zlochev-sfccja, Ii.К.Sagarin).

Л-ШЯ5 Подписано в пача» 27 07 1990 г. Зак. 932 Тир. 100 экз.

Охяечатано на рогаприяхэ * объединении "Гидропроект