Разработка облитерирующих систем для снижения фильтрующей способности грунтов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.11, кандидат наук Тихомиров, Владимир Михайлович

• Тихомиров, Владимир Михайлович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Тихомиров, Владимир Михайлович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1 Противофильтрационные защитные барьеры

1.1 Защитные барьеры на основе цементных материалов

1.2 Защитные барьеры на основе полимерных материалов

1.2.1 Особенности пластмасс как противофильтрационных материалов

1.2.2 Защитные барьеры на основе полимерных гелей

1.2.2.1 Гели на основе полиакриламида

1.2.2.2 Гели на основе полиуретанов

1.2.2.3 Защитные барьеры на основе кремнегеля

2 Кремнегель. Получение, структура, свойства

2.1 Получение кремнегеля

2.2 Структура и свойства кремнегеля

3 Объекты и методы исследования

3.1 Объекты исследования

3.2 Методы исследования

3.2.1 Определение вязкости и плотности инъекционных растворов

3.2.2 Исследование фильтрационной способности

модельного грунта

3.2.3 Изучение влияния отрицательных температур и потери влаги на свойства инъекционных растворов и водопроницаемость обработанного им грунта

3.2.4 Синтез сополимеров акриловой кислоты и

метоксиполиэтиленгликоль метакрилата

3.2.5 Синтез полиакриламида

3.2.6 Физико-химические методы анализа

4 Разработка и исследование свойств противофильтрационых материалов на основе жидкого стекла для защиты почвенно-грунтовых

вод от загрязнений

4.1 Управление индукционным периодом в процессе гелеобразования в растворах жидкого стекла

4.1.1 Определение плотности и вязкости инъекционных

растворов в рабочем диапазоне температур

4.1.2 Изучение кинетики гелеобразования инъекционных растворов

4.1.3 Влияние на время потери текучести инъекционных растворов соотношения компонентов в их составе

4.1.4 Изучение кинетики гелеобразования инъекционных растворов в зависимости от температуры

4.2 Фильтрационные характеристики модельных грунтов

и пути их улучшения с помощью модифицирующих добавок различной природы

4.2.1 Фильтрационные характеристики модельных грунтов

4.2.2 Влияние на фильтрационную способность модельных грунтов модифицирующих добавок

4.3 Влияние внешних условий на свойства инъекционных

растворов и водопроницаемость обработанного ими грунта

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение

Приложение А

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка облитерирующих систем для снижения фильтрующей способности грунтов»

ВВЕДЕНИЕ

Результатом деятельности человека является накопление огромного количества токсичных, ядовитых и радиоактивных отходов, хранящихся на полигонах и могильниках, разбросанных в настоящее время по всей планете. Безопасность для окружающей среды таких хранилищ и могильников является одной из первоочередных задач современного общества. Количество опасных отходов растет ежегодно не только в результате техногенной деятельности человечества, но и по причине происходящих катастроф. В качестве примера можно привести два события, потрясших в своё время мир: авария на Чернобыльской АЭС (1986) и на АЭС Фукусима (2011), результатом которых явилось образования больших количеств радиоактивных отходов (заражённый грунт, материалы, вода и т.п.), требующих захоронения. Другой, более актуальный для нашего региона пример, - полигон "Красный Бор". Долгие годы ведутся разговоры по его ликвидации. Но до тех пор необходимо обеспечить надёжную защиту окружающей среды от попадания в грунтовые воды токсичных веществ, тяжёлых металлов, нефтепродуктов. Это невозможно сделать без возведения противомиграционных и противофильтрационных барьеров вокруг объектов полигона.

Актуальность темы исследования. Очевидно, что потребность в возведении противомиграционных и противофильтрационных барьеров вокруг хранилищ опасных отходов и разработке материалов для них будет только возрастать со временем, пока увеличивается масштаб техногенной деятельности человечества. Проектирование новых хранилищ может быть основано на принципах изначального создания непроницаемых барьеров, исключающих попадание опасных веществ в окружающую среду и, главным образом, в грунтовые воды. Однако защита уже существующих, несовершенных изначально или обветшавших, хранилищ является актуальной задачей на долгие годы вперёд. К противофильтрационным барьерам предъявляется много требований, среди

которых важнейшими являются технологичность, возможность работы простыми средствами в сложных полевых условиях и дешевизна материалов. Последнее требование имеет особенное значение, если учесть масштаб возводимых заградительных сооружений и необходимый для них объём материалов. В связи с этим разработка облитерирующих систем для снижения фильтрующей способности грунтов на основе жидкого стекла представляется задачей актуальной и своевременной.

Степень разработанности темы исследования. На настоящий момент существует несколько различных подходов к возведению противофильтрационных барьеров посредством снижения фильтрующей способности грунтов вокруг хранилища. Старейшим способом является создание цементных или бетонных барьеров. Их недостатком является относительно высокая вязкость цементных растворов, затрудняющая их впрыск и пропитку грунта, склонность к растрескиванию, и низкая гомогенность в результате сегрегации и расслаивания. Возможная модификация свойств цементов введением полимерных латексов или созданием двойных барьеров, где тонкий слой пластика ликвидирует потерю фильтрационной способности из-за растрескивания, возможна, но сильно удорожает работы, а также вызывает чисто практические сложности в случае двойного барьера.

Вторыми по значимости для создания барьеров являются полимерные материалы, изготавливаемые в первую очередь из полипропилена, полиэтилена, битумно-полимерных и латексных материалов, смесей каучуков и термопластичных полимеров. Очевидным недостатком является невозможность закачки их и пропитка грунта, а также высокая стоимость, низкая технологичность, подверженность деградации под действием факторов окружающей среды.

Наиболее привлекательными материалами для создания барьеров являются полимерные гели на основе полиакриламида (ПАА), полиуретанов и кремнегелей. Недостатком ПАА и полиуретанов является их высокая стоимость, полиуретаны к

тому же получаются в результате конденсации многоатомных спиртов с ди- или полиизоцианатами, являющимися токсичными. Очевидно, что кремнегели выигрывают и по цене, и по технологичности по сравнению со всеми перечисленными материалами. Опыт их использования основан на применении двухкомпонентных систем: одна часть которых содержит жидкое стекло, а другая - катализатор, вызывающий образование поликремниевой кислоты и её полимеризацию, а также другие функциональные добавки. Однако никогда ранее не предпринималось попытки, детально изучив процесс гелеобразования, разработать простой и удобный способ приготовления инъекционных растворов (ИР) на основе жидкого стекла в полевых условиях с заданным индукционным периодом гелеобразования с учётом температуры окружающей среды, при которой возводится защитный барьер, а также изучить водопроницаемость грунтов, обработанных такими ИР, и её зависимость от времени эксплуатации барьера и воздействия внешних факторов.

Цели и задачи исследования. Целью исследования явилась разработка облитерирующих систем для снижения фильтрующей способности грунтов на основе жидкого стекла с регулируемым индукционным периодом гелеобразования и изучение водопроницаемости модельного грунта, обработанного ими.

В рамках поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Выбор базовых растворов, совмещением которых можно получать ИР с прогнозируемым индукционным периодом гелеобразования в диапазоне от нескольких минут до нескольких часов.

2. Изучение процесса гелеобразования в ИР на основе жидкого стекла, содержащих также катализатор - щавелевую кислоту и коагулянт - аква аурат 30, и роли в нём каждого из компонентов.

3. Исследование фильтрующей способности грунтов, обработанных ИР, и возможностей её улучшения с помощью введения в рецептуры ИР модифицирующих добавок: поверхностно-активных веществ (ПАВ) и полимеров.

4. Определение устойчивости гелей, образующихся в ИР, и фильтрационной способности обработанных ими грунтов к циклам замораживание-размораживание и высыхание-набухание.

Научная новизна. Впервые показана роль каждого компонента в системе жидкое стекло - щавелевая кислота - аква аурат 30 в процессе образования геля и найден диапазон соотношений концентраций катализатора (щавелевая кислота) и коагулянта (аква аурат 30), для которого характерно постоянство индукционного периода гелеобразования при прочих равных условиях.

Впервые обнаружено, что введение поверхностно-активных добавок и полимерных латексов в состав геля на основе жидкого стекла приводит в дальнейшем к появлению "скачка" водопроницаемости обработанного такими ИР грунта, выражающегося в резкой потере им инфильтрационной способности. Противоположного эффекта удаётся достигнуть применением в качестве модификаторов структуры геля водорастворимых полимеров, хорошо с ним совместимых, например использованных в работе полиакриламида и сополимера акриловой кислоты с метоксиполиэтиленгликольметакрилатом (АК-МПЭГМА).

Выявлена подверженность гелей воздействию внешних факторов, в том числе трудно поддающихся учёту как, например, внешнему электромагнитному полю, выражающаяся в циклических колебаниях полос поглощения в инфракрасных (ИК) спектрах гелей на основе жидкого стекла.

Теоретическая и практическая значимость. Впервые применив столь длительный (несколько суток), почти непрерывный (с периодом между соседними измерениями 2.5 минуты) мониторинг гелеобразования в системе на основе жидкого стекла методом ИК-Фурье-спектроскопии подтверждён трёхстадийный механизм образования геля и показано, что вторая стадия характеризуется ускоренным ростом молекулярной массы образующихся агрегатов, и именно на ней формируется структура, обеспечивающая гелю инфильтрационную способность по отношению к воде, хотя скачкообразный рост вязкости, всегда

принимавшийся за характеристическую точку, характеризуемую индукционным периодом гелеобразования или временем потери текучести, наступает позднее.

При изучении водопроницаемости грунтов, обработанных ИР, содержащих в своём составе модифицирующие добавки, выяснен механизм повышения устойчивости структуры геля на примере модификации сополимером поли(АК-МПЭГМА). Для этого модифицирующая добавка должна иметь якорные группы, с помощью которых её молекулы прочно адсорбируются на поверхности частиц грунта или поверхности капиллярной системы грунта, и объёмные гидрофильные заместители, способные, благодаря своей геометрии, эффективно включаться в плотную сетку водородных связей, существующую в геле. В таких условиях в геле практически отсутствует не связанная вода, а полимер выполняет функцию своего рода армирующего каркаса.

Практическая значимость работы выражается в решении общественно важной задачи разработки рецептуры ИР для создания противофильтрационных барьеров для защиты окружающей среды от попадания в неё ядовитых, токсичных и радиоактивных отходов из мест их захоронения. При этом разрабатываемая рецептура характеризуется простотой приготовления в полевых условиях путём совмещения двух базовых растворов, возможностью регулирования индукционного периода гелеобразования в широких пределах и доступностью компонентов. Степень разработанности проблемы, достигнутая в работе, позволяет переход на следующем этапе непосредственно к натурным испытаниям.

Методы исследования.

В работе использованы следующие физические и физико-химические методы исследования: вискозиметрия, ИК-спектроскопия, динамическое светорассеяние, хромато-масс спектрометрия. Для исследования водопропускания через обработанный ИР грунт разработана оригинальная методика, предполагающая непрерывное воздействие на модельный грунт постоянного гидростатического давления столба жидкости.

Положения, выносимые на защиту.

При создания облитерирующих систем для снижения фильтрующей способности грунтов, действие которых базируется на пропитке грунта ИР на основе жидкого стекла с регулируемым индукционным периодом гелеобразования, оптимальными являются двухкомпонентные системы, состоящие из 15.6 % (об.) водного раствора жидкого стекла и 5.6 % (масс.) раствора аква аурата 30 и щавелевой кислоты в воде. При этом требуемый индукционный период гелеобразования (от нескольких минут до нескольких часов) достигается варьированием соотношения этих базовых растворов в составе ИР. При массовом соотношении аква-аурата 30 и щавелевой кислоты во втором базовом растворе от 0.8 до 1.4 наблюдается постоянство индукционного периода гелеобразования при прочих равных условиях.

Гелеобразование в трёхкомпонентной системе жидкое стекло - аква аурат 30 - щавелевая кислота является трёхстадийным процессом, в котором вторая стадия характеризуется повышенной скоростью роста молекулярной массы агрегатов, и в ходе которой происходит резкое увеличение фильтрационной активности геля.

Пропитка модельного грунта разработанными ИР приводит к сильному уменьшению его влагопропускающей способности, которая сохраняется длительное время, по крайней мере до года. Введение в состав ИР ионогенных и неионогенных ПАВ, силиконовых эмульсий и полимерных латексов приводит к появлению «скачка» величины водопропускания через грунт. Противоположный эффект вызывает добавление в рецептуру ИР полимеров, хорошо совместимых с компонентами геля : ПАА и поли(АК-МПЭГМА) : скачка не наблюдается, а величина водопропускания через грунт минимальна.

Устойчивость гелей на основе разработанных ИР к высыханию может быть улучшена введением в их состав гидрофильных водорастворимых полимеров, способных эффективно связывать воду, например, ПАА.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность полученных результатов базируется на воспроизводимости экспериментальных данных и использовании поверенных приборов. Основные результаты были представлены на ряде конференций и конгрессов, в том числе международных: на 8-ой Санкт-Петербургской конференции молодых ученых "Современные проблемы науки о полимерах", Санкт-Петербург, 2012, на III и IV научно-технических конференциях молодых ученых Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) "Неделя науки" (2013, 2014), на 8th International Symposium "Molecular Orderand Mobilityin Polymer Systems", Saint-Petersburg, 2014, на Baltic Polymer Symposium 2014, Laulasmaa, Estonia, на научной конференции, посвящённой 186-ой годовщине образования Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), Санкт-Петербург, 2014, на 11thInternationalSaint-PetetersburgConferenceofYoungScientists, Saint-Petersburg, 2015.

Автор выражает глубокую признательность д.х.н., профессору В.Н.Наумову за неоценимый вклад на всех этапах выполнения работы и заведующему учебной лабораторией кафедры коллоидной химии СПбГТИ(ТУ) А.В.Полякову за помощь в проведении исследований.

1 ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ЗАЩИТНЫЕ БАРЬЕРЫ

Для предотвращения возможного попадания опасных радиоактивных и токсичных веществ в грунтовые воды в настоящее время разработаны различные способы задержки, ограничения или замедления распространения загрязнений. К наиболее распространенным из них относится сооружение систем противофильтрационной и противомиграционной защиты [1-4].

Защита по противофильтрационному методу подразумевает создание водонепроницаемых барьеров, а также перехватывающих и преграждающих систем [5]. Перехватывающие системы представляют собой дренажные канавы или водозаборные скважины, посредством которых производится отвод загрязненных грунтовых вод, направляемых далее на очистку. Преграждающие системы состоят из нагнетательных скважин, создающих на пути загрязнённых вод репрессивный купол, изменяющий направление потока.

Как правило, противофильтрационные барьеры сооружаются заполнением подготовленных траншей и каналов или нагнетанием через скважины раствора, при твердении которого образуется препятствие из водонепроницаемого материала, что оказывает на поток загрязненных вод воздействие аналогичное производимому преграждающими системами.

Противомиграционные методы защиты заключаются в задержке миграции или разложении определённых компонентов загрязнённых вод, что может быть достигнуто, к примеру, сооружением геохимических и биогеохимических барьеров [6].

Материалы, используемые для создания защитных барьеров должны иметь низкую фильтрующую способность по отношению к опасным компонентам, обладать механической прочностью, устойчивостью к воздействию грунтовых вод и их химических компонентов. Например, в случае загрязнения радионуклидами, барьерный материал должен обладать радиационной стойкостью [7-11].

Кроме радиоактивных и токсичных веществ к загрязняющим почву и грунты органическим жидкостям относятся нефть и продукты её переработки, а также тетрахлорид углерода, трихлорэтилен и другие вещества. Загрязнение почвы и грунтовых вод происходит в результате разливов в местах добычи и переработки нефти, её перекачки по трубопроводам, в местах хранения из-за протечек резервуаров и других аварийных событий. Эта проблема является острой для многих стран. Только в Северной Америке, по разным оценкам, имели протечки 4-12 % подземных резервуаров-хранилищ нефтепродуктов, общее число которых составляет 5-8 млн. [12].

Существует довольно широкий набор технологий для реабилитации площадок, загрязненных нефтепродуктами, таких как промывка почвы, вентилирование почвы, экстракция паром, термическая обработка, биоразложение и др. Однако, если очистку загрязнённой площадки не провести оперативно, то более лёгкие растворимые органические вещества, например, углеводороды могут проникнуть в подземные воды, в том числе в источники питьевой воды. Известно, что очистка загрязнённых подземных вод является трудоемкой и дорогостоящей задачей, поэтому ещё до начала мероприятий по очистке площадки вокруг неё создают защитный барьер.

Защитные барьеры в этом случае делят на две категории - активные и пассивные. К категории активных барьеров относят химические (геохимические) и биологические барьеры [12]. При миграции токсичных веществ через активный барьер происходит взаимодействие между ними и материалом барьера, благодаря чему предотвращается или резко уменьшается вредное влияние загрязнителей на окружающую среду за счёт их разложения, изменения химической формы, сорбции и других механизмов.

Пассивные барьеры преграждают перемещение загрязнителей к грунтовым водам благодаря своей низкой водопроводимости и проницаемости. К пассивным барьерам относят барьеры на основе цементов, глин, известняка, силикатов, термопластичные барьеры, барьеры из органических полимеров.

К настоящему моменту накоплен богатый опыт по проектированию и сооружению подобных барьеров на основе цементных материалов и пластмасс, различных композиционных материалов на их основе, а также гелеобразующих водорастворимых органических и неорганических полимеров. В данной работе объектом исследования явились водонепроницаемые противофильтрационные барьеры для защиты окружающей среды от токсичных и радиоактивных отходов, мигрирующих из хранилищ и могильников, на основе гелеобразующих инъекционных растворов.

1.1 ЗАЩИТНЫЕ БАРЬЕРЫ НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

При сооружении установок по хранению низкоактивных и среднеактивных отходов, в качестве конструкционных материалов облицовок, завес и покрытий широко применяются различные композиции, содержащие цемент, в том числе: цементы различных составов, бетоны на цементной, силикатной или гипсовой основе [13, 14].

Функциональное назначение указанных элементов хранилищ, а именно -предотвращение контакта с грунтовыми водами и замедление миграции радионуклидов, подразумевает наличие у них противофильтрационных и противомиграционных свойств.

За последние десятилетия цементные материалы зарекомендовали себя как подходящие для создания защитных барьеров и непосредственно вокруг зон хранения/захоронения радиоактивных отходов (РАО), и загрязнённых территорий в рамках программ реабилитации и охраны грунтовых вод и водоносных горизонтов [13, 14].

Для возведения подобных барьеров, в настоящее время, применяют цементы различных марок и композиции на их основе, в том числе: обыкновенный портландцемент, глиноземистый (алюмосиликатный) цемент,

пуццолановый цемент, шлаковый цемент, композиционный цемент, состоящий из портландцемента и добавок одного или нескольких материалов. В качестве добавок, участвующих в гидратации (реакции с водой, приводящей к образованию кристаллогидратов или, как иногда говорят, цементного камня), применяют гранулированный доменный шлак, активированный гипс, микрокремнезём (мелкодисперсная силикатная пыль) и пр. [14].

Ключевыми характеристиками, определяющими возможность применения цементных материалов для сооружения противофильтрационных и противомиграционных барьеров, являются водопроницаемость, сорбционная способность и скорость диффузии радионуклидов - предмет изучения многих исследователей во всем мире [15-18]. Кроме того, к материалам может предъявляться еще целый спектр требований, зависящих от конкретных целей и условий строительства барьера. Наиболее полный и, видимо, применимый в большинстве случаев список требований приведен в работе [19]. Он включает:

- низкую гидравлическую проводимость,

- высокую сопротивляемость химическому воздействию присутствующих в растворах ионов, например, Ca2 +, CO2", SO2"

- пластичность,

- минимальную усадку,

- высокую сопротивляемость к трещинообразованию.

Также при решении конкретной задачи могут возникать дополнительные требования, связанные с особенностями технических средств и материалов, применяемых для создания барьера. В том же источнике [19] можно найти такие характеристики, которые с небольшими отклонениями являются пригодными для большинства материалов и технологий возведения барьеров:

- жизнеспособность готовой смеси в течение 10-30 минут,

- вязкость закачиваемой смеси менее 5 кпуаз,

- способность к перекачке насосом, что означает отсутствие в исходной смеси материала частиц с размером более 9.5 мм и преимущественное содержание (95 %) частиц с размером менее 4.75 мм,

- максимальная температура отвердевания менее 100°С,

- прочность материала после 30 мин от начала его отвердевания должна стать равной или превысить величину прочности на сжатие 1.4 кг/см2 для того, чтобы выдержать давление покрывающих пластов почвы.

Исследования показывают, что затвердевшие цементные материалы имеют низкую водопроницаемость, например, гидравлическая проводимость бетона возраста до 200 лет составляет 1 • 10-10 м/с [20], (измеряемая как объем жидкости (м3), проходящий через сечение площадью 1м2 в единицу времени), тогда как барьер считается эффективным при величине гидравлической проводимости менее 110-9 м/с [21].

В подобных цементных материалах, как и в глинах, движение радионуклидов и токсичных веществ при такой низкой водопроницаемости происходит путем диффузии. Было установлено, что на скорость диффузии ионов и несорбирующихся молекул в поровой воде цементного материала существенное влияние оказывают исходный состав цемента и соотношение цемента и воды в твердеющей цементной массе.

Например, значение коэффициента диффузии несорбирующихся молекул воды в образцах устойчивого к сульфатной атаке (разрушительное воздействие различных сульфатных сред) цементного камня на основе портландцемента при соотношении в исходной смеси воды и цемента 1:3 после трёхмесячного её твердения составляет 2.8-10-10 м2/с [16].

При соотношении вода : цемент 1 : 2.5 в таком же цементном материале коэффициент диффузии 90Бг составляет 4-10-12 м2/с. При модифицировании материала мелкодисперсной шлаковой пылью данная величина становится еще на порядок ниже [16].

Наличие задерживающих свойств у цементных материалов подтверждается замедлением процесса диффузии 90Sr по сравнению с диффузией воды. Задержка ионов может осуществляться путём адсорбции, хемосорбции, ионного обмена и/или осаждения. Согласно различным источникам, коэффициент распределенния Kd отдельных радионуклидов, использующийся для описания процессов удержания, в цементных материалах имеет следующие значения, мл/г: Cs- 1-20, Sr - 1-3, Np, U, Pu - (1.5-5.0> 103, Am, Cm- (1-5> 103 [17, 20].

Для повышения механической прочности, предотвращения трещинообразования и увеличения продолжительности сохранения защитных свойств барьеров из цементных материалов на основании исследований, начатых в 90-х годах прошлого столетия, предложены новые модифицированные составы исходных смесей, а также разработана технология создания двухслойных барьеров [19, 22].

Одним из удачных примеров модификации цемента является введение в его структуру стирол-бутадиенового латекса [19]. Базовым был выбран быстротвердеющий цемент благодаря его высокой устойчивости к сульфатной атаке, минимальной усадке и времени твердения менее 30 мин. Применение латекса придало цементному материалу низкую проницаемость, высокую адгезию, необходимую химическую устойчивость, а также высокую эластичность и сопротивляемость трещинообразованию [19, 23]. Был использован следующий состав исходной смеси для изготовления барьерного материала: 100 частей быстротвердеющего цемента, 35-50 частей воды, 15 частей латекса (Modifier A, производство Dow Chemical), 200-300 частей тонкоизмельченного наполнителя и 0.4-0.7 частей лимонной кислоты.

Показательна технология создания защитного барьера на основе этой рецептуры, который создавался путем формирования подповерхностных барьеров - горизонтальных плит шириной 30-94 см и длиной до 300 см. Смешение материалов производились при помощи бетономешалки непрерывного действия, а транспортировка осуществлялась через систему подачи бетона. Цемент и

наполнитель подавались на конвейер, где они орошались 50%-ным раствором лимонной кислоты и поступали в засыпную воронку, в которую добавляли латекс и воду. После перемешивания специальным устройством барьерный материал подавался в распределительную систему. Процесс перемешивания занимал приблизительно 20-60 с. Сооруженная плита была покрыта слоем почвы толщиной 0.6 м, затем пластиковым покрытием и оставлена для твердения в течение 28 суток. Слой почвы и поверхность плиты при вскрытии оказались влажными, что свидетельствует о содержании в период твердения барьерного материала воды в почве, покрывающей плиту, близкому к насыщению. Было установлено, что плиты обладают низкой гидравлической проводимостью -1.610-12 м/с. В области сочленения секций гидравлическая проводимость составила 1.110-10 м/с. Исследование химической стабильности образцов не выявило химического взаимодействия с кальцитом (известковым шпатом СаСО3), гипсом (CaSO4•2H2O), дистиллированной водой и грунтовой водой, отобранной с площадки размещения исследуемого барьера.

Механические испытания показали, что прочность на сжатие плит уменьшилась на 45% по сравнению с паспортной прочностью цемента. Это вызвано адсорбцией и удержанием внутри материала воды латексом. Однако уменьшение прочности сопровождается увеличением способности материала к деформации без трещин, т.е. увеличением пластичности, что в данном случае является гораздо более важным достижением. В этом же исследовании было показано, что образцы плит с трещинами показывают неудовлетворительно высокую гидравлическую проводимость 1.110-7 м/с [21].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тихомиров, Владимир Михайлович, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Review of available option for low level radioactive waste disposal. IAEA-TECDOC-661, Vienna, 1992.

2. Performance of Engineered Barrier Materials in Near Surface Disposal Facilities for Radioactive Waste. IAEA-TECDOC-1255, Vienna, 2001.

3. Technical Considerations in the Design of Near Surface Disposal Facilities for Radioactive Waste. IAEA-TECDOC-1256, Vienna, 2001.

4. An International Comparison of Disposal Concepts and Post-closure Assessment for Nuclear Waste Disposal. Rep. TR-M-43, AECL, Winnipeg, Manitoba, 1996.

5. Бочевер Ф.М. Защита подземных вод от загрязнения / Ф.М. Бочевер, Н.Н. Лапшин, А.Е. Орадовская. М.: Наука, 1979. - C. 152-155.

6. Сафонов, А.В. Биологические противомиграционные барьеры в подземных водоносных горизонтах при консервации хранилищ жидких радиоактивных отходов / А.В. Сафонов [и др.] // Вопросы радиационной безопасности. - 2015. - № 3. - С. 99-105.

7. Near Surface Disposal of Radioactive Waste. Safety Standard Series No. WS-R-1. IAEA, Vienna, 1999.

8. Classification of Radioactive Waste: A Safety Guide. Safety Series No. 111-G-1.1. IAEA, Vienna, 1994.

9. Acceptance Criteria for Disposal of Radioactive Waste in Shallow Ground and Rock Cavities. Safety Series No. 71. IAEA, Vienna, 1985.

10. Derivation of Activity Limits for Disposal of Radioactive Waste to Near Surface Facilities. Working Material. IAEA, Vienna, 2000.

11. Shallow Land Disposal of Radioactive Waste: Reference Levels for the Acceptance of Long Lived Radionuclides // OECD, Paris, 1987.

12. Wilkins E. «Polymer Gel as a Barrier for Ground Oil Spill Containment», Proceedings of the International Topical Meeting on Nuclear and Hazardous Waste Management, Spectrum'96, Aug. 18-23, 1996, Seattle, Washington, USA. - v. 2. -P.1263-1269.

13. Characterization of Radioactive Waste Forms and Packages. Technical Report Series No. 383, IAEA, Vienna, 1997.

14. Improved Cement Solidification of Low and Intermediate Level Radioactive Wastes. Technical Report Series No. 350. IAEA, Vienna, 1993.

15. Tits, J. Diffusion of Tritiated Water and 22Na+ through Non-Degraded Hardened Cement Pastes / J. Tits [et al.] // Contaminant Hydrology. - 2003. - v. 61. -P.45-62.

16. Atkinson A., March G. P. «Performance of Engineered Barriers for Intermediate and Low Level Waste Disposal», Proceedings of the International Conference «Waste Management'89", Febr. 26 - March 2, 1989, Tucson, Arizona, USA. - v. 2. - P.185-190.

17. Wieland, E. Cementitious Near-Field Sorption Data for Performance Assessment of an ILW Repository in Opalinus Clay / E. Wieland [et al.] // Report PSI-Bericht. - 2003. - № 03-06. - 78p.

18. Performance of Engineered Barrier Material in Near Surface Disposal Facilities for Radioactive Waste. IAEA-TECDOC-1255, Vienna, 2001.

19. Shaw P., Weidner J. «Subsurface Containment System Barrier Material Properties», Proceedings of the International Conference on Decommissioning and Decontamination and on Nuclear and Hazardous Waste Management, Spectrum'98, Sept. 13-18, 1998, Denver, Colorado, USA. - v. 2. - P.984-988.

20. Safety Assessment Methodologies for Near Surface Disposal Facilities, v. 2. Test Cases, IAEA, Vienna, 2004.

21. Resource Conservation and Recovery Act (RCRA) (Закон о сохранении и восстановлении ресурсов (RCRA)) [Электронный ресурс] // EPA US Environmental Protection Agency. - Режим доступа: https://www.epa.gov/rcra, свободный. - Загл. с экрана.

22. Dwyer B., Heiser J., Stewart W. «Demonstration of Close-Coupled Barriers for Subsurface Containment of Bured Waste», Proceedings of the International Topical Meeting on Nuclear and Hazardous Waste Management, Spectrum'96, Aug. 18-23, 1996, Seattle, Washington, USA. - v. 1. - P. 359-366.

23. Попов, К.Н. Полимерные и полимерцементные бетоны, растворы и мастики : учеб. пособие / К.Н. Попов. - М. : Высш. шк., 1987. - 72 с.

24. Добавки в бетон: Справочное пособие / B.C. Рамачандран [и др.] ; под ред. B.C. Рамачандрана, пер с англ. Т.И. Розенберг, С.А. Болдырев. - М.: Стройиздат, 1988. - 575 с.

25. Cantrell K. J. «A Permeable Reactive Wall Composed of Clinoptilolite for Containment of Sr-90 in Hanford Groundwater», Proceedings of the International Topical Meeting on Nuclear and Hazardous Waste Management, Spectrum'96, Aug 1823, 1996, Seattle, Washington, USA. - v. 2. - P. 1358-1365.

26. Шлее, Ю. Строительство полигонов с использованием геосинтетических материалов / Ю. Шлее // Рециклинг отходов. - 2006. - № 4. - С. 9-11.

27. Цветкова, С. Ф. Гидроизоляционный материал для полигонов / С.Ф. Цветкова // Твердые бытовые отходы (ТБО). - 2006. - № 10. - С. 21.

28. Дымант, А. Н. Противофильтрационные экраны из полимербитумных рулонных материалов / А.Н. Дымант [и др.] // Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. - 2003. - Т. 242. - С. 156-161.

29. Словарь терминов [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://dictionary.stroit.ru/v-text/geosinteticheskie_materialy.html. - Загл. с экрана.

30. Словарь терминов [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://megastroy-moscow.ru/index.php?pages=termin_name&id=225. - Загл. с экрана.

31. Данные официального сайта ООО «Р-ПЛАСТ» [Электронный ресурс]

- Режим доступа: http://www.r-plast.ru.

32. «Перспективы использования геохимических барьеров на основе алюмосиликатных гелей для защиты подземных вод от загрязнения», Международная научно-методическая конференция «Экология - образование, наука и промышленность», 2002 г. : Савенко А. В. [и др.]. - Белгород, 2002. - Т. 2.

- С.116-124.

33. «Барьеры безопасности при выводе из эксплуатации и консервации радиационно-опасных объектов», Российская конференция «Фундаментальные аспекты безопасного захоронения РАО в геологических формациях», 15-16 окт. 2013 г. : Захарова Е.В. [и др.]. - Москва, 2013. - С. 50-53.

34. SUPERMUD Полимерный раствор для закрепления буровых скважин [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.drilltech.ru/upload/iblock/549/549fce4cad6a7ec4039da6f7874a311a.pdf. -Загл. с экрана.

35. Полиакриламид / Л.И. Абрамова [и др.]. - М. : Химия, 1992. - 192 с.

36. Mitchell, J. K. Geochemical Practice for Waste Disposal / J. K. Mitchell [et al.] // Transactions of the American Society of Civil Engineers. - 1987. - P. 87-116.

37. Gabr M. A., Freshwater J. S., Cook E. E. «Injectability and Durability of Urethane as a Permeation Grout for Subsurface Containment of Waste», / Proceedings of the International Topical Meeting on Nuclear and Hazardous Waste Management, Spectrum'96, Aug 18-23, 1996, Seattle, Washington, USA. - v. 1. - P.384-390.

38. Lonescu M. Chemistry and technology of polyols for polyurethanes / M. Lonescu. - Rapra technology, 2005. - 586 p.

39. «Способ ликвидации протечек труднодоступных участков открытых хранилищ жидких радиоактивных отходов», 5ая научно-техническая конференция Сибирского химического комбината, 20-22 окт. 1998 г. : Зубков А. А. [и др.]. -Северск, 1999. - С.67-76.

40. «Создание противофильтрационного барьера, ограничивающего распространение радионуклидов в песчаных горизонтах с использованием раствора кремниевой кислоты», Пятая Российская конференция по радиохимии, 23-28 окт. 2006 г. : Каймин Е. П. [и др.]. - Дубна, 2006. - С.286-287.

41. Неймарк, И. Е. Силикагель, его свойства и применение / И. Е. Неймарк, Р. Ю. Шейнфайн. - К. : Наукова думка,1973. - 202 с.

42. Таирова С.В. Гелеобразующие составы как метод повышения нефтеотдачи пластов // Вестник недропользователя Ханты-Мансийского автономного округа. 2002. №8 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.oilnews.ru/8-8/geleobrazuyushhie-sostavy-kak-metod-povysheniya-nefteotdachi-plastov/ - Загл. с экрана.

43. Увеличение охвата воздействием неоднородного пласта с применением композиций на основе силиката натрия [Электронный ресурс] -Режим доступа: http://oilloot.ru/component/content/article/77-geologiya-geofizika-razrabotka-neftyanykh-i-gazovykh-mestorozhdenij/84-uvelichenie-okhvata-vozdejstviem-neodnorodnogo-plasta-s-primeneniem-kompozitsij-na-osnove-silikata-natriya - Загл. с экрана.

44. Зубков А.А., Данилов В.В., Захарова Е.В. Внешние барьеры безопасности при создании пунктов долговременного хранения РАО [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.atomeco.org/mediafiles/u/files/Prezentetion_31_10_2013/Danilov.pdf -Загл. с экрана.

45. Сергеев В.И., Степанова Н.Ю., Шимко Т.Г., Кулешова М.Л. Устройство для консервации приповерхностного хранилища, содержащего радиоактивные отходы [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://poleznayamodel.ru/model/12/123208.html - Загл. с экрана.

46. Bergna, H.E. Colloidal Silica. Fundamentals and Application / H.E. Bergna, W.O. Roberts. - Boca Raton: Taylor and Francis, 2006. - 895p.

47. Химическая энциклопедия: В 5 т.: т. 2: Даффа-Меди / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. - М.: Сов. энцикл., 1990. - С.517, 518.

48. Кукушкин Ю. Химия вокруг нас [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://n-t.ru/ri/kk/hm08.htm - Загл. с экрана.

49. Фоменковский бетон (Виларен 2) [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.proza.ru/2011/11/05/1440 - Загл. с экрана.

50. Levy, D., The Sol-Gel Handbook / D. Levy, M. Zayat. - Wiley-VCH, 2015. - 1557p.

51. Корнеев, В.И. Растворимое и жидкое стекло / В.И. Корнеев, В.В. Данилов. - СПб : Стройиздат, 1996. - С. 7,8.

52. Айлер, P. Химия кремнезема: Растворимость, полимеризация, коллоидные и поверхностные свойства, биохимия: монография; пер. с англ., В 2-х ч. Ч. 1. / Р. Айлер. - М. : Мир, 1982. - 416 с.

53. Айлер, Р. Химия кремнезема: Растворимость, полимеризация, коллоидные и поверхностные свойства, биохимия: монография; пер. с англ., В 2-х ч., Ч. 2. / Р. Айлер. - М. : Мир, 1982. - 712 с.

54. Химическая энциклопедия: В 5 т. : Т. 2: Меди - Полимерные / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) [и др.]. - М.: Большая Российская энцикл., 1992. - С.305, 306.

55. Anthony, J.W. Handbook of Mineralogy (Volume II Silica Silicates) / J.W. Anthony [et al.]. - Tucson: Mineral Data Publishing, 1995. - 904p.

56. Mahler, W. Freeze-formed silica fibres / W. Mahler [et al.] // Nature. -1980. - № 285. - P. 27-29.

57. D.H. Everett. Manual of symbol and terminology for physicochemical quantities and units. Appendix. Definitions, terminology and symbols in colloid and surface chemistry. Part I. // Pure and Applied Chemistry. - 1972. - Vol.31. - № 4. -P.579-638.

58. Handbook of Surface and Colloid Chemistry / ed. K.S. Birdi. 2nd ed. -N.Y.:1. CRC Press, 2003.- 765 p.

59. La Mer, V.K. Adsorption Flocculation Reactions of macromolecules at the solid-liquid interface / V.K. La Mer, T.W. Healy // Rev. Pure Appl. Chem. - 1963. -V.13. - № 1. - P. 112-133.

60. Unger, K. K. Porous silica: its properties and use in column liquid chromatography / K. K. Unger. - Amsterdam. Elsevier, 1979. - 336p.

61. Hair, M. L. Infrared spectroscopy in surface chemistry / M. L. Hair. - N.Y.: Marcel Dekker, 1967. - 315p.

62. Киселев, A.B. Инфракрасные спектры поверхностных соединений и адсорбированных веществ / A.B. Киселев, В.И. Лыгин. — М.: Наука, 1972.- 459 с.

63. Little, L. H. Infrared Spectra of Adsorbed Species / L. H. Little. -Academic Press, London and New York, 1966. - 428p.

64. Vibrational Spectroscopies for Adsorbed Species / ed. by A.T. Bell and M.L. Hair. - ACS Monograph Ser., no. 137, American Chemical Society, Washington D.C., 1980. - 295p.

65. Maciel, G.E. Silicon-29 nuclear magnetic resonance study of the surface of silica gel by cross-polarization and magic-angle spinning / G.E. Maciel, D.W. Sindorf // J Am Chem Soc. - 1980. -V. 102. - № 25. - P. 7606-7607.

66. Legrand, A.P. Hydroxyls of silica powders / A.P. Legrand [et al.] // Advances in Colloid and Interface Science. - 1990. - V. 33. - № 2-4. - P. 91-330.

67. Kohler, J. Comprehensive characterization of some silica-based stationary phase for high-performance liquid chromatography / J. Kohler [et al.] // Journal of Chromatography. - 1986. - V. 352. - P.275-305.

68. Peri, I.B. The Surface Structure of Silica Gel / I.B. Peri, Jr. Hensley // J. Phys. Chem. - 1968. V. 72. - №8. - P. 2926-2933.

69. Brinker, C.J. Sol-gel science: the physics and chemistry of sol-gel processing / C.J. Brinker, G.W. Scherer. - New York: Academic Press, 1990. - 908p.

70. Hoffmann, P. Novel aspects of mid and far IR fourier spectroscopy applied to surface and adsorption studies on Si02 / P. Hoffmann, E. Knozinger // Surf. Sci. -1987. - V. 188. - P.181.

71. Rupprecht, H. Chemical and Physiochemical Behavior of Colloidal Silicic Acid Aerosil and Its Reciprocal Effect With Anorganic and Organic Substances / H. Rupprecht // Mitt. Dtsch. Pharm. Ges. - 1970. - V. 40. - P. 3-24.

72. Zhuravlev, L.T. Surface Characterization of Amorphous Silica a Review of Work from the Former USSR / L.T. Zhuravlev // Colloids and Surfaces A. - 1993. - V. 74. - P.71-90.

73. ГОСТ 10028-81. Вискозиметры капиллярные стеклянные. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1983. - 15 с.

74. ГОСТ 22524-77. Пикнометры стеклянные. М.: Изд-во стандартов, 1985. - 16 с.

75. Тихомиров В.М., Наумов В.Н., Сивцов Е.В. Отверждающиеся системы на основе кремнегеля для противофильтрационных барьеров // Программа и тезисы докладов 8-ой Санкт-Петербургской конференции молодых ученых "Современные проблемы науки о полимерах", 12-15 ноября 2012 г., Санкт-Петербург, ИВС РАН. - С. 115.

76. Разработка новых инъекционных растворов, понижающих водопроницаемость грунтов / В.Н.Наумов, Е.В.Сивцов, А.В.Поляков, В.М.Тихомиров // Сборник тезисов IV научно-технической конференции молодых ученых "Неделя науки - 2014", 31 марта - 1 апреля 2014 г. - СПб: Изд-во СПбГТИ(ТУ), 2014. - С.57.

77. Управление индукционным периодом в процессе гелеобразования в растворах жидкого стекла / В.М. Тихомиров, Е.В. Сивцов, В.Н. Наумов, А.В. Поляков // Известия СПбГТИ(ТУ). - 2015. - №31. - С.33-39.

78. Tikhomirov V.M., Sivtsov E.V., Naumov V.N. FTIR study of silica gels formation and its filtering capasity // Programm and Abstract Book of 11th International Saint-Petetersburg Conference of Young Scientists, November 9-12, 2015, Saint-Petersburg, IMC of RAS. - P.155.

79. Christy, A.A. Quantitative determination of surface silanol groups in silicagel by deuterium exchange combined with infrared spectroscopy and chemometrics / A.A. Christy, P.K. Egeberg // Analyst. - 2005. - Vol. 130. - № 5. -P.738-744.

80. Christy, A. A. Effect of Hydrothermal Treatment on Adsorption Properties of Silica Gel / A. A. Christy // Ind. Eng. Chem. Res. - 2011. - Vol. 50. - P. 5543-5554.

81. Christy, A. A. Near infrared spectroscopic characterisation of surface hydroxyl groups on hydrothermally treated silica gel / A. A. Christy // International Journal of Chemical and Environmental Engeineering. - 2011. - Vol. 2. - № 3. - P. 2732.

82. Christy A. A. The Nature of Rest Silanol Groups on the Surfaces of Silica Based Solid Phase Extraction Materials/ A. A. Christy // Advanced Materials Research. - 2013. - Vol. 650. - P.66-71.

83. Hench, L.L. Sol-gel silica: properties, processing, and technology transfer / L.L. Hench. - New Jersey: Noyes Publications, 1998. - P. 47-49.

84. Кристиан Г. Аналитическая химия : в 2 т. / Г. Кристиан ; перевод с англ. - М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. - Т. 2. — С.27-29.

85. Возможности улучшения эксплуатационных характеристик облитерирующих растворов на основе жидкого стекла с помощью модифицирующих добавок различной природы / В.М. Тихомиров, Е.В. Сивцов, В.Н. Наумов, А.В. Поляков // Известия СПбГТИ(ТУ). - 2015. - №32. - С.38-42.

86. Аксельруд, Г.А. Введение в капиллярно-химическую технологию / Г.А. Аксельруд, М.А. Альтшулер. - М.: Химия, 1983. - 263 с.

87. Разработка, модификация и свойства силикатных гелей, используемых для создания барьеров миграции радиоактивных отходов в грунтовые воды / В.Н. Наумов, А.В. Поляков, Е.В. Сивцов, В.М. Тихомиров // Материалы научной конференции, посвящённой 186-ой годовщине образования Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), 2-3 декабря 2014 года, Санкт-Петербург. - СПб.: Изд-во СПбГТИ(ТУ). - С.74.

88. Gelation in polymer-silicate systems as a tool of forming of antifiltration barriers in soil / E.V. Sivtsov, V.N. Naumov, A.V. Polyakov, V.M. Tihomirov // Baltic Polymer Symposium 2014 (BPS 2014). Programme and abstracts. Laulasmaa, Estonia, September 24-26, 2014. - Tallinn: Tallinn University of Technology, 2014. - P.98.

89. Polymer-silicate gels as antifiltration barriers preventing penetration of liquid radioactive wastes into groundwater / E.V.Sivtsov, V.N.Naumov, A.V.Polyakov, V.M.Tihomirov // 8th International Symposium "Molecular Order and Mobility in Polymer Systems", Saint-Petersburg, June 2-6, 2014. Book of Abstracts. - Saint-Petersburg, 2014. - P.245.

90. Polik, W.F. Static light scattering from aqueous poly(ethylene oxide) solutions in the temperature range 20-90°C / W.F. Polik, W. Burchard // Macromolecules. - 1983. - V. 16. - № 6. - P. 978-982.

91. Daoust, H. Microcalorimetric study of poly(ethylene oxide) in water and in water-ethanol mixed solvent / H. Daoust, D. St-Cyr // Macromolecules. - 1984. - Vol. 17. - № 4. - P. 596-601.

92. Kirincic, S. Viscosity of aqueous solutions of polyethyleneglycols at 298.15 K / S. Kirincic, C. Klofutar // Fluid Phase Equilibria. - 1999. - V. 155. - P. 311325.

93. Liu, K.-J. Solvent Effects on the Preferred Conformation of Poly(ethylene glycols) / K.-J. Liu, J.L. Parsons // Macromolecules. - 1969. - V. 2. - № 5. - P. 529-533.

94. Graham, N.B. Interaction of poly(ethylene oxide) with solvents: 1. Preparation and swelling of a crosslinked poly(ethylene oxide) hydrogel / N.B. Graham, N.E. Nwachuku, D.J. Walsh // Polymer. - 1982. - V. 23. - № 9. - P. 1345-1349.

95. Graham, N.B. Interaction of poly(ethylene oxide) with solvents: 3. Synthesis and swelling in water of crosslinked poly(ethylene glycol) urethane networks / N.B. Graham, M. Zulfiqar // Polymer. - 1989. - V. 30. - № 11. - P. 2130-2135.

96. Graham, N.B. Interaction of poly(ethylene oxide) with solvents: 4. Interaction of water with poly(ethylene oxide) crosslinked hydrogels / Graham N.B. [et al.] // Polymer. - 1990. - V. 31. - № 5. - P. 909-916.

97. Тихомиров В.М., Поляков А.В., Наумов В.Н., Сивцов Е.В. Влияние модифицирующих добавок на водопропускание противофильтрационных составов // Сборник тезисов III научно-технической конференции молодых ученых Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) "Неделя науки - 2013", 2-4 апреля 2013 г., СПб.: Издательство Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), 2013. - С.51.

98. Колебательный характер структурных изменений в гелях кремниевой кислоты - ошибка эксперимента или реальность? / В.М. Тихомиров, Е.В. Сивцов, А.В. Поляков, В.Н. Наумов // Материалы научной конференции, посвящённой 186-ой годовщине образования Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), 2-3 декабря 2014 года, Санкт-Петербург. - СПб.: Изд-во СПбГТИ(ТУ). - С.75.

99. Сухарев, Ю.И. Особенности оптических свойств гелей кремниевой кислоты / Ю.И. Сухарев, Ю.В. Матвейчук, K.P. Зиганшина // Известия Челябинского научного центра УрО РАН. - 2004. - № 1. - С.143-148.

100. Сухарев Ю.И. Периодический характер оптических свойств гелей кремниевой кислоты / Ю.И. Сухарев [и др.] // Известия Челябинского научного центра УрО РАН. - 2005. - № 4. - С. 108-113.