Состав для создания противофильтрационного экрана в низкотемпературных грунтах и породах и способ получения этого состава
Владельцы патента RU 2382138:
Институт химии нефти Сибирского отделения Российской Академии наук (RU)
Институт проблем переработки углеводородов Сибирского отделения Российской Академии наук (RU)
Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано для создания противофильтрационного экрана, восстановления водонепроницаемости гидротехнического сооружения (понижения водопроницаемости) из низкотемпературных грунтов и пород, особенно в районах вечной мерзлоты, а также при создании и ремонте противофильтрационных завес (экранов) в грунтовых плотинах, построенных в районах распространения многолетнемерзлых пород. Состав для создания противофильтрационного экрана в гидротехнических сооружениях в районах распространения многолетнемерзлых пород содержит поливиниловый спирт, борную кислоту, воду и дисперсный наполнитель - технический углерод или модифицированный п-хиноном технический углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%: поливиниловый спирт - 3.0-10.0; борная кислота - 0.2-1.0; технический углерод или модифицированный п-хиноном технический углерод - 0.5-5.0; вода - остальное. Изобретение позволяет повысить водонепроницаемость противофильтрационного экрана и улучшить структурно-механические свойства водоизолирующего экрана. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано для создания противофильтрационного экрана, восстановления водонепроницаемости гидротехнического сооружения (понижения водопроницаемости) из низкотемпературных грунтов и пород, особенно в районах вечной мерзлоты, а также при создании и ремонте противофильтрационных завес (экранов) в грунтовых плотинах, построенных в районах распространения многолетнемерзлых пород.
Известен инъекционный раствор для закрепления грунта на основе цемента и хладостойкой добавки (а.с. №649788, БИ №8, 1979 г.). Однако такие составы имеют небольшую проникающую способность, кроме того, при закачке в зоны с большим поглощением, характерным для грунтовых плотин в районах вечной мерзлоты, они быстро размываются и не успевают схватиться.
Известен состав для закрепления оттаявшего грунта в районах распространения вечной мерзлоты, для защиты грунтовых откосов от размывания талыми водами, содержащий 2-8%-ный водный раствор поливинилового спирта (ПВС) смешанного с грунтом и подвергнутого замораживанию в течение 24 часов (А.с. №1705500, БИ №2, 1992 г.). Однако водные растворы ПВС образуют гели только в процессе замораживания-размораживания, при закачке растворов ПВС в инъекционные скважины при положительных температурах они не могут создать противофильтрационный экран, разбавляются и выносятся водой, как и цементные растворы.
Наиболее близким по технической сущности является состав для изготовления водонепроницаемого экрана в низкотемпературных грунтовых материалах элементов гидротехнического сооружения, включающий поливиниловый спирт (ПВС) - структурообразователь, борную кислоту и воду (Пат. №2276703, опубл. 20.05.2006 г). Состав имеет хорошее сцепление с грунтовым карбонатным материалом, способен при температуре 0-10°С образовывать гель, который создает противофильтрационный экран, а затем в процессе замораживания-размораживания из него получается криогель. Однако данный состав дает недостаточную водонепроницаемость и структурную прочность. Способ приготовления состава включает перемешивание компонентов в предварительно нагретой до 90°С воде при постоянном перемешивании.
Задачей настоящего изобретения является разработка состава для создания противофильтрационного экрана в гидротехнических сооружениях в районах распространения многолетнемерзлых пород, подвергающихся процессам периодического сезонного замораживания и оттаивания, с повышенной водонепроницаемостью и улучшенными структурно-механическими свойствами и способа его получения.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигается тем, что состав на основе водного раствора поливинилового спирта, содержащий поливиниловый спирт и борную кислоту, дополнительно содержит дисперсный наполнитель. Состав для создания противофильтрационного экрана в гидротехнических сооружениях в районах распространения многолетнемерзлых пород содержит поливиниловый спирт, борную кислоту, воду и дисперсный наполнитель - технический углерод или модифицированный п-хиноном технический углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:
поливиниловый спирт - 3.0-10.0
борная кислота - 0.2-1.0
технический углерод или модифицированный п-хиноном технический углерод - 0.5-5.0
вода - остальное
Технический углерод или модифицированный п-хиноном технический углерод вводят в состав в виде концентрированной суспензии.
Состав для создания противофильтрационного экрана получают путем перемешивания компонентов в подогретой воде, при этом технический углерод предварительно диспергируют в разбавленном водном растворе поливинилового спирта или п-хинона при соотношении компонентов, мас.%:
технический углерод - 5.0-15.0
поливиниловый спирт -0.05-0.15 или п-хинон - 0.5-2.70
вода - остальное.
После закачки через нагнетательные скважины в тело и основание плотины или другого гидротехнического сооружения состав образует гель, затем в процессе замораживания-размораживания из него получается композитный криогель с улучшенными структурно-механическими свойствами - увеличивается упругость. Кроме того, добавление в состав гидрофобного наполнителя позволяет получить поверхность криогеля с повышенной степенью гидрофобности, что повышает водонепроницаемость противофильтрационного экрана.
Композитный криогель, полученный термостатированием состава при минус 30°С, перед измерением размораживают при комнатной температуре. Затем проводят измерения модуля упругости полученных криогелей, а также определяют степень гидрофобности поверхности криогеля.
Определение модуля упругости гелей проводят на основании диаграмм «напряжение - деформация», полученных в квазистатическом режиме сжатия цилиндрических образцов. Используют оригинальную аппаратуру на базе микрометра и электронных весов. Модуль упругости рассчитывают как угол наклона начального линейного участка зависимости напряжения сжатия от величины деформации, для которого соблюдается закон Гука.
Степень гидрофобности поверхности композитного криогеля определяют методом компьютерного видеосканирования. На поверхность полученных криогелей наносят капли нефти и воды, регистрируют через микроскоп видеоклипы поведения капель. С помощью программы компьютерной обработки изображения определяют площадь, которую занимает капля воды или нефти через определенное время. Степень гидрофобности поверхности криогелей рассчитывают относительно площади растекания капель воды и нефти по поверхности известной гидрофобности. Результаты измерений приведены в таблице.
Приведем примеры конкретного выполнения
Пример 1 (по прототипу). В 940,0 г воды с температурой 70-90°С при постоянном перемешивании помещают 10,0 г борной кислоты, затем 50.0 г поливинилового спирта и перемешивают до получения однородного раствора. Получают раствор, содержащий 5.0 мас.% поливинилового спирта и 1,0 мас.% борной кислоты. Результаты измерения модуля упругости и степени гидрофобности поверхности криогеля приведены в таблице.
Пример 2. В 806.7 г воды с температурой 70-90°С при постоянном перемешивании помещают 10,0 г борной кислоты, затем 50,0 г поливинилового спирта и перемешивают до получения однородного раствора. Затем добавляют 133.3 г концентрированной стабилизированной суспензии технического углерода марки П 145 в разбавленном водном растворе ПВС и тщательно перемешивают. Получают водный раствор, содержащий 5.0% мас. поливинилового спирта, 1.0% мас. борной кислоты и 2% мас. технического углерода. Результаты измерения модуля упругости и степени гидрофобности поверхности криогеля приведены в таблице.
Примеры 3-6. Аналогично примеру 2. Результаты измерения модулей упругости и степени гидрофобности поверхностей криогелей, полученных из составов, содержащих 2.0% мас. технического углерода марок П 161, П 702, N 339, П 267-Э, П 514, приведены в таблице.
Пример 7. В 634.7 г воды с температурой 70-90°С при постоянном перемешивании помещают 2,0 г борной кислоты, затем 30.0 г поливинилового спирта и перемешивают до получения однородного раствора. Затем добавляют 333.3 г стабилизированной суспензии технического углерода марки П 145 в разбавленном водном растворе ПВС и тщательно перемешивают. Получают водный раствор, содержащий 3.0% мас. поливинилового спирта, 0.2% мас. борной кислоты и 5% мас. технического углерода. Результаты измерения модуля упругости и степени гидрофобности поверхности криогеля приведены в таблице.
Примеры 8-11. Аналогично примеру 7. Результаты измерения модулей упругости и степени гидрофобности поверхностей криогелей, полученных из составов, содержащих 5.0% мас. технического углерода марок П 161, П 702, N 339 концентрированной и П 267-Э, приведены в таблице.
Пример 12. В 858.4 г воды с температурой 70-90°С при постоянном перемешивании помещают 5.0 г борной кислоты, затем 70.0 г поливинилового спирта и перемешивают до получения однородного раствора. Затем добавляют 66.6 г концентрированной стабилизированной суспензии технического углерода марки П 145 в разбавленном водном растворе ПВС и тщательно перемешивают. Получают водный раствор, содержащий 7.0% мас. поливинилового спирта, 0.5% мас. борной кислоты и 1% мас. технического углерода. Результаты измерения модуля упругости и степени гидрофобности поверхности криогеля приведены в таблице.
Примеры 13-15. Аналогично примеру 12. Результаты измерения модулей упругости и степени гидрофобности поверхностей криогелей, полученных из составов, содержащих 1.0% мас. технический углерода марок П 161, П 702 и N 339, приведены в таблице.
Пример 16. В 856.7 г воды с температурой 70-90°С при постоянном перемешивании помещают 10.0 г борной кислоты, затем 100.0 г поливинилового спирта и перемешивают до получения однородного раствора. Затем добавляют 33.3 г концентрированной стабилизированной суспензии технического углерода марки П 145 в разбавленном водном растворе ПВС и тщательно перемешивают. Получают водный раствор, содержащий 10.0% мас. поливинилового спирта, 1.0% мас. борной кислоты и 0.5% мас. технического углерода. Результаты измерения модуля упругости и степени гидрофобности поверхности криогеля приведены в таблице.
Примеры 17-19. Аналогично примеру 16. Результаты измерения модулей упругости и степени гидрофобности поверхностей криогелей, полученных из составов, содержащих 0.5% мас. технического углерода марок П 161, N 339 и П 267-Э, приведены в таблице.
Пример 20. В 806.7 г воды с температурой 70-90°С при постоянном перемешивании помещают 10,0 г борной кислоты, затем 50,0 г поливинилового спирта и перемешивают до получения однородного раствора. Затем добавляют 133.3 г концентрированной стабилизированной суспензии технического углерода марки П 514 в разбавленном водном растворе ПВС и тщательно перемешивают. Получают водный раствор, содержащий 5.0% мас. поливинилового спирта, 1.0% мас. борной кислоты и 2% мас. технического углерода. Результаты измерения модуля упругости и степени гидрофобности поверхности криогеля приведены в таблице.
Пример 21. 1,0200 г (0,2 мг-экв/г) п-хинона растворяют в 100 см3 горячей воды (60°С), разбавляют 100 см3 дистиллированной воды и сразу же раствор переносят на технический углерод марки П 514 массой 100 г. Полученную пасту технического углерода высушивают при 105°С в слое толщиной около 1 см в течение 10 ч. Степень закрепления п-хинона на поверхности составляет 96%. Затем получают состав при перемешивании воды, борной кислоты, поливинилового спирта и полученного модифицированного технического углерода, результаты приведены в таблице.
Примеры 22-23. Аналогично примеру 21. Результаты измерения модуля упругости и степени гидрофобности поверхности криогеля приведены в таблице.
Таким образом, при использовании предлагаемого состава на основе поливинилового спирта и борной кислоты с добавлением концентрированной стабилизированной суспензии технического углерода или модифицированного п-хиноном технического углерода происходит улучшение структурно-механических свойств водоизолирующего экрана - модуль упругости криогеля по сравнению с прототипом увеличивается более чем в 10 раз, повышение водонепроницаемости противофильтрационного экрана - степень гидрофобности поверхности криогеля увеличилась в 4.2-7.7 раз.
| Таблица | |||||
| № п/п | Вещества | Марка дисперсного углерода | Концентрация, % мас. | Модуль упругости, кПа | Степень гидрофобности, % |
| 1 | По прототипу | ||||
| ПВС | 5.0 | 10.85 | 10.25 | ||
| Борная кислот | 1.0 | ||||
| Вода | 94.0 | ||||
| 2 | ПВС | 5.0 | |||
| Борная кислота | П 145 | 1.0 | 22.36 | 71.06 | |
| Технический углерод | 2.0 | ||||
| Вода | 92.0 | ||||
| 3 | ПВС | 5.0 | |||
| Борная кислота | П 161 | 1.0 | 29.57 | 67.09 | |
| Технический углерод | 2.0 | ||||
| Вода | 92.0 | ||||
| 4 | ПВС | 5.0 | |||
| Борная кислота | П 702 | 1.0 | 19.65 | 59.85 | |
| Технический углерод | 2.0 | ||||
| Вода | 92.0 | ||||
| 5 | ПВС | 5.0 | |||
| Борная кислота | N 339 | 1.0 | 29.23 | 66.51 | |
| Технический углерод | 2.0 | ||||
| Вода | 92.0 | ||||
| 6 | ПВС | 5.0 | |||
| Борная кислота | П 267-Э | 1.0 | 54.47 | - | |
| Технический углерод | 2.0 | ||||
| Вода | 92.0 | ||||
| 7 | ПВС | 3.0 | |||
| Борная кислота | П 145 | 0.2 | 23.32 | 77.59 | |
| Технический углерод | 5.0 | ||||
| Вода | 91.8 | ||||
| 8 | ПВС | 3.0 | |||
| Борная кислота | П 161 | 0.2 | 30.07 | 79.20 | |
| Технический углерод | 5.0 | ||||
| Вода | 91.8 | ||||
| 9 | ПВС | 3.0 | |||
| Борная кислота | П 702 | 0.2 | 38.52 | 75.80 | |
| Технический углерод | 5.0 | ||||
| Вода | 91.8 | ||||
| 10 | ПВС | 3.0 | |||
| Борная кислота | N 339 | 0.2 | 38.20 | 74.07 | |
| Технический углерод | 5.0 | ||||
| Вода | 91.8 | ||||
| 11 | ПВС | 3.0 | |||
| Борная кислота | П 267-Э | 0.2 | 62.52 | - | |
| Технический углерод | 5.0 | ||||
| Вода | 91.8 | ||||
| 12 | ПВС | 7.0 | |||
| Борная кислота | П 145 | 0.5 | 20.32 | 52.16 | |
| Технический углерод | 1.0 | ||||
| Вода | 91.5 | ||||
| 13 | ПВС | 7.0 | |||
| Борная кислота | П 161 | 0.5 | 28.20 | 52.77 | |
| Технический углерод | 1.0 | ||||
| Вода | 91.5 |
| 14 | ПВС | 7.0 | |||
| Борная кислота | П 702 | 0.5 | 14.62 | 43.06 | |
| Технический углерод | 1.0 | ||||
| Вода | 91.5 | ||||
| 15 | ПВС | 7.0 | |||
| Борная кислота | N 339 | 0.5 | 28.35 | 48.36 | |
| Технический углерод | 1.0 | ||||
| Вода | 91.5 | ||||
| 16 | ПВС | 10.0 | |||
| Борная кислота | П 145 | 1.0 | 17.70 | 46.08 | |
| Технический углерод | 0.5 | ||||
| Вода | 88.5 | ||||
| 17 | ПВС | 10.0 | |||
| Борная кислота | П 161 | 1.0 | 15.02 | 48.09 | |
| Технический углерод | 0.5 | ||||
| Вода | 88.5 | ||||
| 18 | ПВС | 10.0 | |||
| Борная кислота | N 339 | 1.0 | 28.68 | 45.05 | |
| Технический углерод | 0.5 | ||||
| Вода | 88.5 | ||||
| 19 | ПВС | 10.0 | |||
| Борная кислота | П 267-Э | 1.0 | 47.26 | - | |
| Технический углерод | 0.5 | ||||
| Вода | 88.5 | ||||
| 20 | ПВС | 5.0 | |||
| Борная кислота | П 514 | 1.0 | 29.5 | - | |
| Технический углерод | 2.0 | ||||
| Вода | 92.0 | ||||
| 21 | ПВС | 5.0 | |||
| Борная кислота | П 514+0.2 мг-экв/г п-хинона | 1.0 | 77.7 | - | |
| Технический углерод модифицированный | 2.0 | ||||
| Вода | 92.0 | ||||
| 22 | ПВС | 5.0 | |||
| Борная кислота | П 514+0.3 мг-экв/г п-хинона | 1.0 | 131.5 | - | |
| Технический углерод модифицированный | 2.0 | ||||
| Вода | 92.0 | ||||
| 23 | ПВС | 5.0 | |||
| Борная кислота | П 514+0.5 мг-экв/г п-хинона | 1.0 | 513.9 | - | |
| Технический углерод модифицированный | 2.0 | ||||
| Вода | 92.0 |
1. Состав для создания противофильтрационного экрана в гидротехнических сооружениях в районах распространения многолетнемерзлых пород, содержащий поливиниловый спирт, борную кислоту и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит дисперсный наполнитель - технический углерод или модифицированный п-хиноном технический углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| поливиниловый спирт | 3,0-10,0 |
| борная кислота | 0,2-1,0 |
| технический углерод или модифицированный п-хиноном технический углерод | 0,5-5,0 |
| вода | остальное |
2. Состав по п.1, отличающийся тем, что технический углерод или модифицированный п-хиноном технический углерод вводят в состав в виде концентрированной суспензии.
3. Способ получения состава для создания противофильтрационного экрана путем перемешивания компонентов в подогретой воде, отличающийся тем, что технический углерод предварительно диспергируют в разбавленном водном растворе поливинилового спирта или п-хинона при соотношении компонентов, мас.%:
| технический углерод | 5,0-15,0 |
| поливиниловый спирт | 0,05-0,15 |
| или п-хинон | 0,5-2,70 |
| вода | остальное |
