Тулепбергенов А.Т., Коргасбеков Д.Р., Утепов З.Г., Ратов Б.Т.

 

ИССЛЕДОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО, ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО, МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО СОСТАВОВ И ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТАУКЕНТСКОЙ ГЛИНЫ

Каспийский Общественный Университет,

Казахстан, 050000, г. Алматы, пр.Сейфуллина, 521

 

Широкое распространение при выполнении гидроизоляционных работ при эксплуатации руд методом, подземного выщелачивания получили цементные тампонажные растворы.

Однако качество цементирования затрубного пространства полиэтиленовых труб цементными растворами, как было отмечено раньше очень низкое из-за отсутствия адгезии между тампонажным материалом и трубами.  По этой причине зона контакта полиэтиленовой трубы с цементным камнем является зоной сообщения выщелоченных урановых соединений с подземными водами.

В связи с этим для повышения качества изоляции затрубного пространства нами в результате теоретических исследований предлагаются глиноцементные тампонажные растворы.  В качестве компонента-наполнителя рекомендуется использовать местные глины, т.е. Таукентскую глину Канжуганского месторождения.

Для определения пригодности местных глин в качестве основного компонента в тампонажных растворах нами проведены исследования минералогического, гранулометрического и химического составов с целью обоснованного регулирования реологических и структурно-механичсеких свойств базовых глинистых растворов.

Глина, входящая в качестве основного компонента в глиноцементные тампонажные растворы, является инертной по отношению к различного рода агрессиям пластовых вод, минерализация которых может быть представлена солями разнообразного состава. Однако понятие «инертный» является относительным для каждого типа глинистых минералов. Свойства глинистых пород зависят не только от количества глинистых частиц, но и от их качественного состава, т.е. от наличия тех или иных глинистых минералов, а точнее, от кристаллохимического строения этих минералов. Различие в кристаллохимическом строении глинистых минералов приводит к неодинаковому отношению их к воде и катионам.   

Глинистые минералы не растворяются в воде при гидратации, а переходят
лишь в коллоидное состояние при перемешивании глинистого раствора.

В природе наиболее распространены три группы глинистых минералов:
монтмориллонита, каолинита и гидрослюд.

Монтмориллонит обладает способностью самопроизвольно диспергироваться, т.к. слабая связь между отдельными пакетами минералов осуществляется только через обменные катионы. Эта связь зависит от рода обменного катиона и не препятствует проникновению воды в комплексные пакеты и их разбуханию.

Каолинит и гидрослюдистые минералы обладают характерными для глин свойствами:    высокой  степенью дисперсности, способностью приобрел пластичность при смачивании.

Свойства любой глины определяются процентным содержанием в этих минералов указанных трех групп, а изменчивость свойств глинистых суспензий определяется   наличием   целого   ряда   глинистых   минералов   различного кристаллохимического состава.

При исследовании глин на пригодность использования в тампонажных растворах  необходимо  знать  их гранулометрический,  минералогический  и химический составы с целью обоснованного регулирования реологических и структурно-механических свойств базовых глинистых растворов.

Химический состав глин определяет ее способность образовывать под действием    воды    однородную,    тонкодисперсную    систему. Кроме    того, химический состав может, указывать на характер глины: известковый - при обнаружении нескольких процентов извести и оксида углерода; песчаный - при высоком процентном содержании кремнезема (80-90%).

Установлено, что песчаная фракция при содержании песка свыше  10% оказывает    отрицательное влияние на процесс структурообразовании. Сравнительно крупные и тяжелые частицы песка, имеющие в силу дефекта своего строения определенный поверхностный электрический заряд, увлекают за собой заряженные глинистые частицы, в результате чего происходит их седиментация. [1]

    Основным средством познания структуры и структурных особенностей глин является метод рентгеновских лучей и электронов.

Резулътаты рентгено-структурного   исследования   свидетельствуют   о том, что в образцах Таукентской глины наряду с ферримонтмориллонитом присутствуют и другие вторичные минералы, такие как слюда, кварц, гипс, каолинит и галит (таблица 1).

Таким   образом,   в   Таукентской  глине  преобладают  монтминеральные минералы, которые обладают весьма своеобразными физико-химическими и технологическими свойствами.

Монтмориллониты относятся к числу наиболее распространенных минералов,   слагающих   глины   самого   разнообразного   происхождения,   в частности, они являются основным компонентом бентонитовых глин.

Впервые бентонитовая глина найдена близ порта Бентон в штате Вайомии (США), отсюда она и получила свое название бентонит. Бентонитовые глины образуются в результате разложения вулканических пеплов, при изменении слюд, хлоритов и других породообразующих    минералов в процессах, протекающих в гидротермальных условиях.   

Монтлюриллониты часто встречаются в качестве вторичного продукта, возникающего в   зоне поверхностного выветривания за счет разрушения и преобразования разнообразных по составу алюмосиликатов, смешанно-слойных образований и гидрослюд. Монтмориллонит образуется в условиях щелочной среды (в этом отношении резко отличается от каолинита) и при субаэральном выветривании.

 

Таблица 1. – Результаты рентгено-структурного анализа Таукентской глины

№ п/п

Название минерала

Содержание, %

1

Ферримонтморилонит

51,4

2

Гипс

21,9

3

Каолинит

5,7

4

Кварц

4,5

5

Галит

4,0

6

Гидрослюда

1,3

 

Всего

99,8

 

В большом количестве монтмориллонит образуется в корах выветривания ультраосновных пород. Выветривание ултраосновных пород (дунитов, перидотитов, серпентинитов) приводит к образованию бентонитовых, суббентонитовых и нонтронитовых глин. В гумидной зоне происходит процесс превращения: гидрослюда →монтмориллонит→каолинит, а в аридной зоне процесс обратный, т.е. гидрослюда ←монтмориллонит←каолинит.

Теоретическая  формула монтмориллонита А14(Sі8О20) (ОН)4nН20. Во внешних слоях каждой первичной ячейки располагаются слои атомов кислорода, вследствие чего между соседними структурными элементами существует очень слабая молекулярная связь, которая легко нарушается при внедрении в межпакетное пространство полярных молекул (nН20). Что вызывает расширение, набухание решетки по кристаллографической оси (расстояние между пакетами меняется от 9,95° до 22,0°  и выше), вплоть до полного разрыва отдельных пакетов. Это объясняется тем, что монтмориллонитовые минералы обладают подвижной кристаллической решеткой, а так же тем, что реакция замещения (изоморфизм), обмена катионов, гидратации происходит как на поверхности, так и внутри кристаллической решетки между ее пакетами.

     Атомы кремния и алюминия, входящие в кристаллическую решетку глинистых минералов, могут быть замещены другими атомами, причем не объязательно с одинаковой валентностью. В этом случае частицы глины для компенсации ненасыщенной валентности адсорбирует из водных растворов катионы, т.е. происходит обмен катионов и глины обладают определенной обменной емкостью (для ферримонмориллонита - 80-150 мг.экв. на 100 г сухой глины).

     Состав обменного комплекса глин в основном предcтавлен катионами Са+ , К+, Мg2+, Na+ , Н+ , NН4+  и др. глинистые минералы различаются по общей емкости и по химическому составу обменного комплекса.                                  

Катионообменная способность условлена главным образом
гетеровалентным   изоморфизмом в их структуре, чаще всего  А1+—»Sі4+ в
тетраэдрических   и   Мg2+  —>АІ3+      в   октаэдрических   сетках.  Возникающий отрицательный заряд слоев компенсируется обменными катионами, обычно Na+, Са2+, Мg2+. Другим источником обменных центров являются слабокислые гидроксильные группы SiOН на боковых гранях и ребрах частиц слоистых

Таукентскую глину Канжуганского месторождения по содержанию Al2O3 (таблица 4) можно отнести к алюмосиликатам, т.к. обладает более кислыми гидроксильными группами.

 

 

 

 

Таблица 2 – Химический состав Таукентской глины

Наименование компонентов

Содержание в %

Наименование компонентов

Содержание в %

SiO2

43,02

FeO

0,1

Al2O3

16,20

Na2O

1,36

CaO

 

K2O

1,54

MgO

7,40

Cr

0,01

P2O5

0,11

SO3

4,01

TiO2

0,66

CO2

0,77

MnO

0,14

Ba

5,25

Fe2O3

8,41

 

 

∑=99,20

 

На основании проведенных исследований строения кристаллохимической решетки   кристаллов   глинистых   минералов,   можно   предполагать   наличие нескольких типов активных центров на границах структурных слоев.

Фрагмент SiОН структуры боковой грани проявляет кислотные свойства в случае Силикагеля; группа АlOН в случае алюмогеля проявляет основные свойства.

 Группы   Аl OН,   ҒеОН  на  боковых  гранях  частиц   слоистых  силикатов активно участвуют в адсорбции органических анионов по механизму анионного обмена.  С  ними  взаимодействуют элементарные  звенья полиакриламида и многих других водорастворимых высокомолекулярных соединений.

Исследуемая Таукентская глина по степени замещения А1 на Ғе является ферримонтмориллонитом, о чем свидетельствуют данные, представленные в таблице. При насыщении этиленогликолем ориентированных слоев,    дифракционный    рефлекс    смещается    в    область    2,5    (<3),    т.е. подтверждает       диагностику      минерала       Таукентской      глины      как монтмориллонита по степени замещения АІ на Ғе. При реакциях изоморфного замещения  структуры минералов остается  прежним,   изменяется только химический состав и физико-химические свойства. [2]

 

Схемы замещения АІ на Ғе

1) активные центры, обусловленные разорванными связями на границах тетраэдрической и октаэдрической структурных сеток:

 

                                                                                                      |

                                                                                                     O

               |                            \     |                                                   |

              O                            O O                                 в)    - O – Si - OH

               |                                \ | /                                                 |

a)     O – Si – (+)     б)       Al (+)                                           O   O  OH

               |                                / | \                                              \  |  /

              O                            O O                                  г)  Al (-)

               |                            /     |                                                 /  |  \

                                                                                                 O  O  OH

                                                                                                /      |      \

 

2) гидроксильные группы на границах тетраэдрической сетки:

 

                 |                                                           |

                O                                         O

                 |                                                           |

д)   - O – Si – OH                              е)     - O – Si - OH

                 |                                       |

                O                                                        OH

              \  |  /                                                         |

               Al (-)

              /  |  \

          

По химическому составу Таукентская глина представляет собой смеси различных окислов и их соединений,  в составе глин присутствуют также органические вещества, вода и вряде случаев легкорастворимые соли. В резулътате рентгеноструктурного анализа, термометрии и ИК-спектра можно констатироватъ, что:

 -   глины Канжуганского месторождения неизменно содержат SіО2, АІОз и Н2O. В наибольшем количестве находятся SіO2 (до 43%), далее по процентному содержанию следует А12Oз (16,2 %).

 -   подчиненное значение имеют окислы железа (Ғе2Oз), щелочноземельные металлы (СаО, МgO), щелочные металлы (К2O, Nа2O).

Окислы металлов связаны с глинистыми минералами различно. Часть их может входить в состав глинистых минералов, замещая окислы алюминия, часть же их связана с глинистым веществом слабее и представляет собой обменные основания;

 -   из анионов в глинах чаще всего встречаются СO2, SOз, Р2O5, S и С1. В наибольшем   количестве   находятся   кальциевые   соли   угольной   кислоты   -преимущественно кальцит;

-   в глинах постоянно присутствуют органические вещества - гумусовые, углистые и битумные.

Химический состав глин в пределах одной залежи не всегда одинаков, особенно в отношении содержаний SіO2 и А12O3. Поэтому определяю валовый химический состав, который дает только ориентировочное представление о свойствах глин. По данным валового химического состава не представляется возможным определить минералогический состав бентонита. Поэтому наряду с химическим анализом нами проводился и гранулометрический анализ исследуемого образца глины (таблица 3).

В гранулометрической классификации пород главным критерием является содержание глинистых частиц менее 0,002 мм. В тяжелых глинах оно превышает 60%. Исследуемая Таукентская глина относится к тяжелым глинам. Содержание частиц менее 0,002мм составляет 77,5%, что определяет их достаточно высокую дисперсностъ, характерную для бентонитов, основным породообразующим минералом которых является монтмориллонит.

В таблице 6 представлены физические свойства грунта нарушенной структуры.

Как видно из таблицы 6, естественная (природная) влажность глинистых пород Канжуганского месторождения колеблется в широких пределах и зависит от многих факторов: минералогического и гранулометрического составов грунта, содержания органических веществ, пористости. В глинах размер пор крайне мал и практически вся вода находится в физически связанном состоянии.

Вода в монтмориллоните бывает трех видов: гигроскопическая и адсорбционная - от 7 до 16% и более; межпакетная и частично адсорбционная; гидроксильная, входящая в кристаллическую решетку минерала (4,93%).

На природную влажность влияет присутствие минералов, например, гипса, содержание которого составляет в исследуемой глине 25,9%. [2]

 

Таблица 3 - Сводная ведомость гранулометрического состава грунтов

Наименование

грунта

Содержание фракций, %

 

200 мм

200-10 мм

10-5 мм

5-2 мм

2-1 мм

1-0,5 мм

0,5-0,25 мм

0,25-0,1 мм

0,1-0,05 мм

0,05-0,01 мм

0,01-0,005 мм

0,005-0,002 мм

Менее 0,002 мм

Тяжелая глина

-

0,6

0,6

0,3

0,1

0,2

0,4

0,5

5,5

3,6

2,9

7,8

77,5

 

Таблица 4 – Физические свойства грунта нарушенной структуры

Влажность природная

Влажность гигроскопическая

Пределы

пластичности

Число пластичности

Показатель текучести

Плотность грунта гс/см3

Плотность сухого грунта  гс/см3

Плотность части грунт гс/см3

Пористость

Коэффициент пористости

Коэффициент пористости на пред. текуч.

Степень влажности

Относит набухания

Влажность набухания

Текучести

Раскат.

0,863

0,075

0,825

0,301

0,524

0

1,91

1,75

2,82

37,94

0,611

2,326

0,386

87%

73,39%

 

Объемный вес глинистых грунтов колеблется от 1,35 до 1,90 г/см . Таукентская глина относится к тяжелым глинам и соответственно объемный вес - максимальный, 1,91 г/см . Наибольший объемный вес характерен для пород, находящихся ниже уровня грунтовых вод и зависит от дисперсности и содержания тяжелых минералов.

Пористостъ пластичных глин обычно колеблется от 30 до 60%.

В агрегатах глин Канжуганского месторождения имеются различные по форме и диаметру поры, что обусловлено особенностями кристаллического строения минералов (первичные поры) и образованием зазора между контактирующими частицами (вторичные поры), в которых может находиться вода.

В присутствии воды пористая структура играет определенную роль в процессе формирования агрегатов и комков глин из них. Если в системе глина-вода количество воды достаточно, то процесс структурообразования протекает по механизму образования коагуляционно-тиксотропной обратимой структуры, представляющей собой подвижные пространственные сетки, возникающие вследствие вандерваальсовых сил и разделения слоев в местах связей тонкими прослойками дисперсионной среды.

Пористость оказывает значительное влияние на физико-механические свойства глинистых грунтов: деформация под действием статической нагрузки, консолидации осадка во времени, водопроницаемость. Тяжелые глины практически полностью водонепроницаемы.

Степенъ влажности исследуемой глины равна 0,386. Этот показатель характеризует степень водонасыщенности и по показателям разделяется на слабый 0-0,5%, средний 0,5-0,8%, водонасыщенный, если более 0,8%.

Набухание. Особенностью структуры монтмориллонита является то, что молекулы полярных жидкостей и молекулы некоторых органических веществ могут входить в межслоевое пространство, вызывая расширение рещетки. Расширение не имеет определенной величины и может меняться от 0,06мм до полного разделения слоев и зависит от количества ОН групп на базальтной поверхности слоев, от вида и количества обменных катионов, размера вклинивающих молекул и т.д. На степень набухания влияют многие факторы.

Относительное набухание равно 87%, а влажность набухания 73,39%. Набухание происходит за счет увеличенного количества связанной воды, т.к. притяжение молекул воды взывает увеличение объема и ослабление связей между грунтовыми частицами (эффект расклинивающего действия). [1]

Таким образом, в результате всестороннего исследования установлено, что Таукентская глина Канжуганского месторождения по химическому составу и физическим свойствам относится к бентонитам, которая в основном состоит из минералов монтмориллонита.



ЛИТЕРАТУРА

1.                    Булатов А.И., Макаренко П.П., Проселков Ю.М. Буровые промывочные и тампонажные растворы: учебное пособие для вузов. - М.: ОАО "Издательство "Недра", 1999. - 424 с.;

2.                    Ахмадеев Р.Г. Химия промывочных и тампонажных жидкостей: учебник для вузов / Р.Г. Ахмадеев, В.С.Данюшевский. -М.: Недра, 1981. 152 с.