Отчет о научно-исследовательской работе по теме "Модификация грунтов сапонитсодержащими отходами предприятий алмазодобывающей промышленности Архангельской области"

Для создания защитных экранов на участках складирования отходов, в гидротехнических сооружениях, для изоляции подземных сооружений с успехом применяются песчано-бентонитовые смеси, которым в отличие от природных глинистых грунтов присущи однородность состава, удобоукладываемость, высокие деформационно-прочностные характеристики, отсутствие усадки и др. Смеси готовят, как правило, из сухих ингредиентов. Целью исследований было изучение возможности модификации местных грунтов сапонитовой высокодисперсной глиной - отходом обогащения алмазоносной руды одного из предприятий Архангельской области. В хвостохранилище глина скапливается в виде суспензии, особенностью которой является крайне медленная седиментация частиц. Изучались два способа осуществления модификации – путем кольматации пор глинистыми частицами при фильтрации суспензии и перемешиванием грунтов с суспензией. Эксперименты проводились с четырьмя типами песков различного состава и генезиса. Опытная установка состояла из трех камер трехосного сжатия и полуавтоматического устройства для подачи суспензии и воды. Испытывались образцы диаметром 73 мм и высотой 145 мм. Возможность модификации песков за счет кольматации пор исследовалась при фильтрации сапонитсодержащей суспензии концентрации 5,8–6,3 г/л Модификация песков оказалась возможной при условии предварительного внесения в образцы 1-3 % карбоната кальция, вызывающего агрегацию глинистых частиц и способствующего их накоплению в порах. Для всех исследованных песков удалось достичь значения коэффициента фильтрации менее 0,03–0,08 м/сут, что ниже начального в 12,5–67,0 раз. Вынос частиц глины при последующей фильтрации воды не наблюдался ни у одного из образцов. Для достижения максимальной глубины кольматации пор в песке рекомендовано подавать сапонитсодержащую суспензию до его уплотнения и с градиентом напора, обеспечивающим скорость потока выше 3,5 м/сут, после чего проводить уплотнения слоя. Показала свою эффективность и модификация песков путем перемешивания с суспензией. Исследованные смеси по водопроницаемости оказались практически идентичными песчано-бентонитовым смесям, так например, внесение 8 % сапонитсодержащих отходов обеспечило снижение коэффициента фильтрации песков до (0,2…11,5)·10-2 м/сут, а 16-24 % - до (0,4…15,3)·10-5 м/сут. Получены экспериментальные зависимости коэффициента фильтрации k от эффективной или свободной пористости ne и степени блокировки пор в песчаной матрице δ. Первую величину находят, исключив из объёма пор объём воды, сорбированной высокодисперсной глиной и содержащимися в песке пылевато-глинистыми частицами, а вторую - как отношение объёма глинистых, пылеватых частиц и сорбированной ими влаги к объёму пор между частицами песка. Предложенный метод модификации способствует увеличению адсорбционной способности песков по отношению к загрязняющим веществам, содержащимся в фильтрате с участков складирования отходов. Внесение 8 % высокодисперсной глины в мелкий песок привело к росту адсорбционной способности по отношению к катионам аммония в два раза и на 25 % по отношению к фенолам. Исследования воздействия циклического промерзания-оттаивания на водопроницаемость смесей проводились в специально созданной лабораторной установке, состоящей из четырех приборов для определения морозного пучения и водопроницаемости, размещенных в емкости с водой. В ходе опыта уровень воды в емкости постепенно снижался, обеспечивая требуемый темп перемещения фронта промерзания, или повышался для оттаивания образцов. Положение уровня воды и ее температура, температура в морозильной камере, под штампами и внутри одного из образцов, подъем штампов при морозном пучении и их осадка при оттаивании образцов регистрировались автоматически. Программа испытаний разрабатывалась с учетом результатов численного моделирования температурного режима образцов в ПВК Geostudio. Деформации морозного пучения смесей песков с 4 % глинистых частиц при минимальной внешней нагрузке на образцы составляли 10,0–16,4%. Пять циклов промерзания–оттаивания привели к росту коэффициента фильтрации смеси в 2,0-4,7 раза. Смеси песков с 8 % глинистых частиц из-за существенно большей пучинистости испытывались под внешней нагрузкой 12 кПа, благодаря которой увеличение коэффициента фильтрации оказалось примерно таким же, как и в первом случае, – в 1,2-2,0 раза. Для устранения выявленного эффекта водозащитный экран из смеси песка и высокодисперсной глины следует покрывать слоем инертного грунта, сокращающим глубину промерзания экрана и создающим на него нагрузку. Результаты экспериментов позволяют сделать вывод о пригодности смесей местных песков и суспензии высокодисперсной глины из отходов алмазодобывающей промышленности для изоляции участков складирования бытовых и промышленных отходов.