О бентоните

Бентонит – это глина, в которой содержится не менее 70% монтмориллонита (высокодисперсный слоистый алюмосиликат). Особенность кристалло-химического строения бентонита обуславливает наличие на его поверхности ионообменных катионов, в значительной степени определяющих его химические и физические свойства как минерала.

Избыточный отрицательный заряд, компенсирующий обменные катионы межслоевого пространства монтмориллонита, обуславливают высокую гидрофильность бентонита. При затворении бентонита водой она проникает в межслоевое пространство монтмориллонита, гидратирует его и вызывает набухание. При дальнейшем разбавлении водой бентонит образует устойчивую вязкую суспензию с выраженными тиксотропными свойствами. Кроме того, монтмориллонит обладает высокими адсорбционными свойствами.

Благодаря отмеченным выше свойствам, бентонит нашел широкое применение как вязко-гелеобразователь и понизитель фильтрации в приготовлении буровых растворов для бурения скважин, как связующий материал в литейных формовочных смесях, а также как гидроизоляционный и адсорбционный материал.

Бентонит, в котором главным обменным катионом является Na, получил название натриевого или щелочного бентонита. Бентонит, в котором в обменных катионах преобладает Ca, получил название кальциевого бентонита.

Наиболее распространенными в природе являются кальциевые бентониты. Однако, при необходимости преобразование кальциевых бентонитов в натриевые можно выполнить путем их обработки натриевыми солями. Такой процесс ионного замещения называется активированием, а преобразованный натриевый бентонит – активированным. Глины, содержащие монтмориллонита менее 70%, или у которых вместо монтмориллонита содержится какой-либо другой минерал из группы смектитов, относятся к бентонитоподобным глинам или бентоноидам.

Типовой химический состав бентонита (%)

Бентонитовые глинопорошки в бурении используются для приготовления буровых растворов, обеспечивающих удаление обломков разбуриваемых пород из забоя. Свойства бурового раствора при этом в значительной степени определяют эффективность бурения.

Поэтому технико-эксплуатационные свойства бентонитового порошка оценивается через качественные показатели именно буровой суспензии, основными из которых являются:

Выход раствора – это интегральный показатель качества глинопорошка, зависящий от технологии помола и модификации порошка, а также минералогического и химического состава. Выход раствора определяет расход бентпорошка для приготовления бурового раствора требуемого качества.

Вязкость – определяется концентрацией, качеством и степенью гидратации взвешенных частиц; характеризует подъемную силу бурового раствора.

Условная вязкость – характеризует гидравлическое сопротивление бурового раствора течению.

Пластическая вязкость – определяет составляющую сопротивления течению жидкости, вызванную механическим трением.

Предельное динамическое напряжение сдвига (точка Йелда) – определяет составляющую сопротивления течению жидкости, вызванную электрохимическими силами взаимодействия в буровой суспензии.

Показатель фильтрации – характеризует способность раствора отфильтровываться на стенках скважины.

Толщина фильтрационной корки – определяет способность бурового раствора создавать малопроницаемую корку на стенках скважины.

Для приготовления буровых растворов применяются бентопорошки российского стандарта (ТУ 2164-002-00136716-01), а также стандарта API (ТУ 5751-001-78035873-05).

Бентонитовые порошки для бестраншейного строительства позволяют при прокладке коммуникаций методом ГНБ преодолеть проблемы, порождаемые характеристиками грунта (крупнозернистый песок, липкая глина и др.), а также особенностями самого способа проходки. Основу глинопорошка для ГНБ составляет высококачественный бентонит, переработанный по специальной технологии с добавлением особых реагентов.

Применение в бестраншейном строительстве специальных бентопорошков позволяет значительно сократить время выполнения работ по прокладке коммуникаций.

Бентонитовые глинопорошки для ГНБ обеспечивают:
• укрепление стенок канала в сыпучих обваливающихся грунтах;
• снижение просачивания воды через стенки канала путем формирования тонкого водонепроницаемого слоя;
• скольжение прокладываемого трубопровода по стенкам канала;
• охлаждение буровой головки и зонда в случае бурения в слежавшихся грунтах.

При строительстве сооружений, находящихся ниже уровня грунтовых вод, применяется метод «стена в грунте». Для этого в грунте делается выработка прямоугольной формы требуемого размера, которая заполняется глинистым раствором, приготовленном на основе специального бентонитового порошка и укрепляется арматурным каркасом. Затем производится бетонирование выработки с одновременным вытеснением бентонитового раствора, который в дальнейшем используется для регенерации и повторного применения.

Такая конструкция может служить несущим фундаментом, стеной для подземного сооружения, а также противофильтрационной завесой, исключающей доступ грунтовых вод в заглубленное эксплуатируемое сооружение.

Если «стена в грунте» не армируется, то она в этом случае представляет собой противофильтрационную диафрагму, которая может применяться для:
• защиты подземных и поверхностных вод от загрязнения;
• защиты карьеров и шахт от подземных вод;
• организации мест складирования (захоронения) экологически опасных отходов.

При строительстве тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях (плывунные неустойчивые грунты, значительное давление грунтовых вод и др.) используются проходческие комплексы с гидропригрузом. В таких комплексах в призабойную область под давлением нагнетается бентонитовый раствор, что позволяет поддерживать забой в стабильном состоянии. Разработанная порода, измельченная до состояния пульпы, отводится вместе с бентонитом по трубопроводу. В сепарационной установке происходит отделение породы и рекультивация бентонитового раствора, который в дальнейшем возвращается в камеру гидропригруза. Рецептура бентонитового раствора по результатам лабораторного анализа может корректироваться в зависимости от условий проходки и характеристик грунтов.

Глинопорошки для приготовления бентонитовых растворов, используемых в щитовой проходке, должны отвечать по качеству самым высоким требованиям, так как это связано в первую очередь с надежностью функционирования весьма дорогостоящего проходческого комплекса.

Глинопорошки бентонитовые нашли широкое применение в литейном производстве в качестве минерального связующего материала в формовочных смесях. При этом используется склеивающая способность глины. Из таких формовочных смесей, состоящих в основном из песка и глины, изготавливаются формы для отливок ответственного назначения из черных и цветных металлов.

Формовочные глинопорошки должны обладать достаточной прочностью, связующей способностью и термохимической устойчивостью, что обеспечит получение качественных форм и бездефектных отливок.

Основными показателями качества формовочных бентонитовых порошков являются:
• предел прочности при сжатии во влажном состоянии;
• предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги;
• термическая устойчивость;
• коллоидальность.

Применение для формовочных смесей качественного бентопорошка обеспечивает снижение его расхода, а также улучшает технико-экономические показатели работы литейных цехов в виду снижения объема выбраковки.