Влияние модифицирующих добавок на увеличение сорбционной ёмкости глинистых грунтов

• Автор: Бражник, Иван Александрович
• Шифр специальности: 25.00.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 203 с. : ил.

Глава 1. Современные представления о поглотительно-сорбционной способности грунтов
1.1. Виды поглотительно-сорбционной способности грунтов и способы её использования в инженерной практике
1.2. Техногенно-геохимические аномалии, требующие устройства техногенногеохимических барьеров
1.3. Возможности технической мелиорации для изменения поглотительносорбционной способности дисперсных глинистых грунтов
Глава 2. Характеристика объектов исследования
2.1. Инженерно-геологическая характеристика исследуемых грунтов
2.2. Характеристика модифицированных грунтов
Глава 3. Методика экспериментальных исследований
3.1. Определение показателей состава и свойств исследуемых грунтов
3.2. Методика фильтрационных испытаний и изучение сорбционных
свойств грунтов
3.3. Приготовление образцов исходных и модифицированных грунтов
Глава 4. Влияние модифицирующих щелочных добавок на поглотительносорбционную способность исследуемых грунтов
4.1. Исследование кинетики упрочнения модифицированных глинистых грунтов как фактора физико-химических преобразований их состава
4.2. Сорбция кадмия на природных и модифицированных грунтах в режиме постоянной фильтрации
4.2.1. Закономерности сорбции кадмия на природных глинистых грунтах нарушенного сложения
4.2.2. Влияние известь содержащих добавок на сорбцию кадмия
4.2.3. Применение жидкого стекла в качестве модифицирующей добавки
4.2.4. Влияние комплексной добавки жидкого стекла и извести на сорбцию кадмия
4.3. Обсуждение результатов исследования
Выводы
Список литературы

В настоящее время высокий уровень развития промышленности и необычайно высокие темпы урбанизации приводят к необходимости складирования и захоронения огромного количества отходов жизнедеятельности населения. Кроме того, чрезвычайно остро стоит проблема сброса в окружающую среду - и, прежде всего, в верхние слои литосферы, включая подземную гидросферу, - производственных растворов, используемых в технологических циклах. Возникает необходимость строительства различного рода очистных сооружений и полигонов захоронения отходов. Традиционно для этих целей применяются противофильтрационные экраны разных типов и конструкций в зависимости от токсичности отходов и класса опасности. Согласно существующим нормативным документам при создании защитных экранов глинистые грунты рассматриваются только с точки зрения водонепроницаемости [141; 164]. Однако устройство нефильтрующих экранов ведёт к избыточному обводнению таких полигонов, что может вызвать неблагоприятные и даже аварийные ситуации. Таким образом, возникает необходимость создания и использования защитных водопроницаемых фильтрующих экранов.
Список неорганических загрязнителей, содержащихся в сточных водах и фильтратах с полигонов и хранилищ промышленных отходов, достаточно широк и отличается не только наименованием (до 10-15), но и концентрацией веществ. Миграция тяжёлых металлов в водных растворах контролируется кислотно-щелочными условиями. Среди наиболее распространенных и опасных загрязнителей из числа тяжёлых металлов особое место занимает кадмий. Его соединения характеризуются высокой биоактивностью и токсичностью при любых концентрациях по отношению как к растениям, так и к животным. Кадмий имеет повышенную подвижность в нейтральной и кислой средах, более высокие произведения растворимости соединений по сравнению с другими высокотоксичными тяжёлыми металлами [103], поэтому может служить хорошим трассером и индикатором при изучении надёжности грунтовых экранов.
Известно, что токсичные элементы, присутствующие в отходах промышленности, попадая в геологическую среду, претерпевают не только различные химические изменения, но и взаимодействуют с компонентами грунта. Это приводит к иммобилизации токсичных веществ в пределах определённых участков, позволяя рассматривать естественные и искусственные грунтовые толщи как геохимические барьеры на пути миграции жидких токсичных отходов. Создание искусственных

поглощающих экранов является одним из новых перспективных подходов к решению проблем изоляции геологической среды от токсичных отходов в местах их складирования.
Для снижения экологических рисков при локализации вредных соединений целесообразно использование комбинированных защитных экранов, включающих слой модифицированного грунтового материала, отвечающего требованиям физикохимического барьера и обладающего повышенной проницаемостью. Иммобилизация загрязнителей в этом случае осуществляется за счёт совокупности физико-химических реакций, основными из которых являются осаждение, сорбция и хемосорбция. В результате токсичные вещества теряют свою мобильность, задерживаясь в ограниченном объёме грунтового экрана.
Оценка экранирующей способности .глинистых грунтов является частью комплексной проблемы изучения характера воздействий техногенной деятельности человека на геологическую среду.
Глинистые грунты активно используются в качестве природных экранирующих материалов при создании разного рода хранилищ отходов. Поэтому необходимо изучение сорбционной ёмкости глинистых грунтов как показателя способности иммобилизации токсичных веществ. Одним из самых эффективных и распространённых методов увеличения сорбционной ёмкости является применение модифицирующих добавок неорганических вяжущих, например, извести и жидкого стекла.
Данные реагенты широко применяются в технической мелиорации грунтов, где их часто используют в качестве закрепляющих и цементирующих веществ для повышения физико-механических свойств грунтов оснований сооружений или при создании противофильтрационных экранов. Главное достоинство таких модифицирующих добавок заключается в том, что они создают щелочную среду, увеличивая кислотную буферность и пуццолановую активность грунтов, а также повышают их поглотительно-сорбционную способность по отношению к растворам солей тяжёлых металлов. Однако, повышение прочности грунтов и создание непроницаемых экранов не являются необходимыми условиями при модификации дисперсных глинистых грунтов. Более актуальным, в данном случае, будет являться получение сорбционных фильтрующих защитных экранов, надёжно задерживающих токсичные вещества (тяжёлые металлы) и устойчивых к воздействию агрессивной среды.
Несмотря на то, что к настоящему времени достаточно хорошо изучено влияние отдельных неорганических вяжущих на повышение сорбционной ёмкости грунтов, сведения о влиянии комплексных добавок на основе жидкого стекла и извести (так называемых модифицирующих добавок) в литературе практически отсутствуют.

многих загрязняющих веществ, в том числе и тяжёлых металлов. Формирующиеся в процессе твердения нестехиометрические аморфизированные гидратные соединения отличаются большой поверхностной энергией и высокой сорбционной способностью. Наличие продуктов типа тоберморитового геля и присутствие цеолитоподобных фаз создают возможность вхождения металлов в их структуру или связывания в состав синтезируемых новообразований. В связи с этим данные грунты могут рассматриваться как устойчивые техногенно-геохимические барьеры и могут использоваться при решении эколого-геологических задач.
Особенности диффузионно-осмотических процессов в глинистых грунтах при миграции ионов различных солей определяются комплексом факторов и, в первую очередь, химико-минеральным составом, который проявляется через дисперсность и гидрофильность составляющих грунт минералов [13; 25; 121]. Изучению этого вопроса посвещены многочисленные научные публикации. Таким образом, результаты исследований позволяют сделать следующие выводы: 1) влияние неглинистых минералов определяется, главньм образом, их относительным содержанием и степенью дисперсности (чем выше содержание неглинистых минералов и ниже их степень дисперсности, тем выше диффузионная проницаемость и ниже осмотическая); 2) из глинистых минералов каолиниту свойственны относительно крупные размеры частиц, определяющие характер перового пространства, малый заряд ядра мицеллы и, следовательно, высокие показатели диффузионной проницаемости и низкая осмотическая фильтрация. Смектиты обладают наиболее высокими дисперсностью и гидрофильностью, а, следовательно, они определяют наименьший радиус пор и наибольшее количество связанной воды. Таким образом, диффузия в смектитовых глинах встречает наибольшие препятствия, однако в них, соответственно, активнее проявляются осмотические процессы. Иллиты занимают промежуточное положение.
Геохимический барьер - это участок земной коры, в котором на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрации [133]. В основу классификации геохимических барьеров положены виды миграции. Выделяют два основных типа барьеров - природные и техногенные. Природные барьеры в свою очередь разделяются на три класса. Наиболее простые - механические барьеры - участки резкого уменьшения интенсивности механической миграции. В местах резкого уменьшения интенсивности физикохимической миграции формируются физико-химические барьеры. Они возникают в местах изменения температуры, давления, окислительно-восстановительных, кислотно-щелочных и других условий. Биогеохимические барьеры возникают при изменении интенсивности