Использование золы-уноса в составе тампонажных растворов: влияние на прочность и водонепроницаемость цементационных завес

Введение

Строительство подземных сооружений различного назначения играет огромную роль в современном мире. Работы ведутся зачастую в условиях стесненной городской застройки или в сложных гидрогеологических условиях. В связи с чем, при проходке вертикальных шахтных стволов через водоносные горизонты требуется применение эффективных и современных методов тампонирования, с целью предотвращения притока подземных вод в выработку. Одним из наиболее используемых методов является нагнетание цементационного раствора, для заполнения пор и трещин горного массива, образуя водонепроницаемую завесу. Однако достаточно высокая стоимость цемента и потребность в уменьшении негативного влияния на экологическую ситуацию, требуют поиска альтернативных вяжущих материалов. Так, использование золы-уноса, которая образуется при сжигании топлива на угольных тепловых электростанциях, по итогам проведенных исследований позволяет снизить расход цемента, улучшить его свойства, а также уменьшить отрицательное воздействие на окружающую среду.

Зола-уноса

Зола-уноса представляет собой тонкодисперсный материал, состоящий в основном из частиц размером до 0,14 мм, полученный при сжигании каменного угля [2, с. 3]. В коммерческом и промышленном секторах летучая зола имеет широкий спектр применения, хотя в первую очередь она известна как материал, повышающий прочность и удобоукладываемость бетонных смесей. Летучая зола также используется в качестве наполнителя в составе красок, клея, металлических и пластиковых композитов. Она широко применяется в качестве структурного наполнителя при строительстве дорог, а также для производства кирпича, керамической плитки, штукатурки, портландцемента и готовых цементных смесей. Раньше данный побочный продукт выбрасывался в атмосферу, но это оказывало негативное влияние на качество воздуха, поэтому были введены правила для контроля за утилизацией. Также применение зол и шлаков как добавок при производстве строительных материалов и изделий включено в ряд действующих национальных стандартов (ГОСТ) и методических документов [1, с. 4].

Химический состав золы-уноса варьируется в зависимости от процесса горения, источника и состава сжигаемого угля, но основные компоненты приведены ниже (табл.):

Таблица

Также можно отменить, что для золы характерно значительное содержание частиц с мелкими замкнутыми порами, в связи со вспучиванием расплавленной минеральной массы газами, выделяющимися при дегидратации глинистых минералов, диссоциации частиц гипса, известняка и органических веществ. Общий объем пор может достигать 60% объема частиц золы. Именно большая концентрация микропор в золе обусловливает высокое значение её действительной удельной поверхности, а с этим, в свою очередь, адсорбционная способность, гидравлическая активность и гигроскопичность. Замещение части цемента золой приводит к уменьшению усадочных деформаций бетона, которые проявляются при снижении водопотребности бетонной смеси. Уменьшение усадки объясняется тем, что зола адсорбирует из цемента растворимые щелочи и образует устойчивые, нерастворимые алюмосиликаты [3, с. 78].

Определение итоговых прочностных характеристик

Для определения прочностных характеристик вяжущего изготавливали образцы-кубики с размерами 2×2×2 см из вяжущего теста. Прочность определяли в возрасте 3, 7 и 28 суток. Для каждого установленного срока испытаний изготавливали по три образца [4, с. 274].

Прочность тампонажного камня при сжатии определялась по формуле:

Rc = P / A,

Где:

Rc – предел прочности на сжатие, МПа;

P – разрушающая нагрузка, Н;

A – площадь образца, м².

Водопоглощение определялось как отношение впитанной воды к массе сухого образца:

W=(m_w-m_d )/m_d*100,

Где:

W – водооглощение, %;

m_w – масса образца после насыщения водой, г;

m_d – масса сухого образца, г.

Анализ зависимостей, полученных при определении влияния доли золы-уноса в смеси вяжущего вещества, показал, что её добавление замедляет начальный набор прочности, но способствует её увеличению в долгосрочной перспективе (28 суток). Графическое представление зависимости приведено ниже (рис.).

Рис. График влияния золы-уноса на прочность цементного камня

На 28 сутки составы с золой-уносом показывают повышение прочности на 3–9% по сравнению с контрольным образцом. Это объясняется длительными пуццолановыми реакциями, при которых кремнезём из золы реагирует с гидроксидом кальция, образуя дополнительное количество силикатов кальция.

Выводы

Применение качественных тампонажных растворов при производстве работ влияет на многие аспекты, такие как: увеличивается срок эксплуатации шахты, что благоприятно сказывается на экономику проекта; предотвращается загрязнение подземных вод, что помогает улучшить экологическую обстановку в районе строительства; повышается устойчивость пород, что влияет на долговечность конструкции; уменьшается риск миграции газа по выработке, повышая безопасность рабочего процесса; снижается вероятность затопления и обводнения ствола. Исходя из этого, можно заключить, что грамотное тампонирование вертикальных шахтных стволов – это неотъемлемая часть горного строительства, которая обеспечивает безопасность, устойчивость и эффективность работы шахты. Таким образом, зола-уноса, несомненно, играет важную роль в строительстве, так как повышает качество самих тампонажных растворов.

Проведенные эксперименты показали, что добавление золы-уноса в их состав оказывает положительное влияние:

• Снижение прочности цементного камня в раннем возрасте, компенсируется её увеличением в долгосрочной перспективе;
• За счёт снижения коэффициента фильтрации и уменьшения водопоглощения улучшается водонепроницаемость;
• Применение золы-уноса способствует утилизации побочного продукта, без выброса в атмосферу загрязняющих веществ, что способствует улучшению экологической ситуации;
• Экономическая целесообразность такого подхода очевидна благодаря снижению расхода цемента на 20%.

Исходя из этих данных, использование золы-уноса в тампонажных растворах является очень важным и перспективным направлением, которое позволяет повысить эффективность тампонирования водоносных горизонтов при проходке шахтных стволов.