CS252318B1

CS252318B1 - Expansion tamponade and injection mixture with reduced filterability

Info

Publication number: CS252318B1
Application number: CS859697A
Authority: CS
Inventors: Ivana Sobotkova; Josef Tomiska
Original assignee: Ivana Sobotkova; Josef Tomiska
Priority date: 1985-12-21
Filing date: 1985-12-21
Publication date: 1987-08-13
Also published as: CS969785A1

Abstract

Expanzní tamponážní a injektážní směs se sníženou filtrovatelností na bázi cementu s mletým vápnem, obsahující jako antifiltrační přísadu polyvinylalkohol. Účelem vynálezu je zvýšit antifiltrační účinek směsi a odstranit negativní vedlejší vlivy polyvinylalkoholu, především prodlouženou dobu tuhnutí, sníženou tekutost a pěnění. Účelu se dosahuje složením směsi. Obsahuje v hmotnostních dílech 50 až 70 portlandského cementu, 1 až 10 jemně mletého vápna, 20 až 40 vody, 0,3 až 6 antifiltrační a plastifikační přísady, která sestává, vyjádřeno^ hmotnostních procentech ze 30 až 70 % sušiny polyvinylalkoholu, 70 až 3d % derivátů solí ligninsulfonových kyselin nebo formaldehydu bud s naftalensulfokyselinami, anebo s alkylsulfonovanými polyfenoly, anebo s melaminem. Řešení je využitelné v oboru hlubinného vrtání, důlního a podzemního inženýrství a v oboru zakládání staveb.Expansion tamponage and grouting a mixture with reduced filterability on a base ground lime cement containing antifiltration additive polyvinyl alcohol. The purpose of the invention is to increase antifiltration the effect of the mixture and remove the negative side effects of polyvinyl alcohol, especially prolonged setting time, reduced fluidity and foaming. The purpose is achieved by the composition of the mixture. Contains 50 to 70 parts by weight Portland cement, 1 to 10 finely ground lime, 20 to 40 water, 0.3 to 6 antifiltration and plasticizing additives which % by weight from 30 to 70% of polyvinyl alcohol dry matter 70 to 3d% of ligninsulfonic acid salt derivatives acids or formaldehyde bud with naphthalenesulfoacids or with alkylsulfonated polyphenols, or with melamine. The solution is usable in the deep-sea industry drilling, mining and underground engineering and in the field of foundation engineering.

Description

Vynález se týká expanzní tamponážní a injektážní směsi se sníženou filtrovatelností na bázi cementu s mletým vápnem obsahující jako antifiltrační přísadu polyvinylalkohol.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an expandable tamponage and injection composition with reduced filterability based on ground lime cement containing polyvinyl alcohol as an anti-filtering agent.

Účelem vynálezu je zvýšit antifiltrační účinek a odstranit negativní vedlejší vlivy polyvinylalkoholu, především prodlouženou dobu tuhnutí, sníženou tekutost a pěnění směsi. Směs Je určena zvláště pro tamponáž hlubinných vrtů a injektáž zemin.The purpose of the invention is to increase the antifiltration effect and to eliminate the negative side effects of polyvinyl alcohol, in particular the extended setting time, reduced flowability and foaming of the mixture. The mixture is intended especially for deep well drilling and soil grouting.

Expanzní tamponážní směsi ve srovnání se směsmi bez hydratačních reakcí lépe utěsňují vrt, vzniklý tamponážní kámen má pevnější vazbu na stěnu vrtu i na pažnicovou kolonu a zhusta je 1 méně propustný. Taktéž lze charakterizovat i přednosti expanzních injektážních směsí pro zpevňování a izolaci zemin. Jsou známé expanzní tamponážní a injektážní směsi na bázi běžného cementu s 1 až 15 % hmotnostními jemně mletého vápna /US 3 883 361, 3 884 710,Expansion tamponage mixtures better seal the borehole compared to mixtures without hydration reactions, the resulting tamponage stone has a stronger bond to the wall of the borehole and the casing column and is 1 less permeable. Advantages of expansion grouting mixtures for strengthening and isolation of soils can also be characterized. Expansion tamponage and grout mixtures based on conventional cement with 1 to 15% by weight of finely ground lime are known / US 3,883,361, 3,884,710,

046 583, 4 002 483/, které jsou vhodné pro zpevňování nesoudržných, avšak nepropustných hornin.No. 046 583, 4 002 483), which are suitable for solidification of cohesive but impermeable rocks.

Nevýhodou známých expanzních tamponážních směsí je, že v porézních geologických formacích se z nich odfiltrovává kapalná fáze do okolní horniny, Směs se zahušťuje a stává se nečerpatelnou. Obdobně při lnjektáži porézních hornin se ze známých expanzních injektážních směsí odfiltrovává kapalná fáze, kapiláry a pukliny se ucpávají odvodněnou směsí a části horniny zůstávají neinjektované.A disadvantage of the known expansion tamponage mixtures is that in the porous geological formations the liquid phase is filtered from them into the surrounding rock. The mixture becomes thickened and becomes inexhaustible. Similarly, when the porous rocks are injected, the liquid expansion phase is filtered from known expansion grouting mixtures, the capillaries and fissures are blocked by the dewatered mixture and parts of the rock remain uninjected.

Jsou také známé expanzní tamponážní a injektážní směsi na bázi cementu, obsahující 'jako antifiltrační přísadu polyvinylalkohol v množsrví 0,5 až 1,5 % hmotnostních, vztaženo k cementu /Rachlmbajev a kol., Obrabotka cementnych rastvorov polyvinylovym spirtom, Naučnotechničeskij sborník Burenle, Moskva 1967, Vološln a kol., O mechanizme poniženija vodootdači tamponažnogo rastvora polyvinylovym spirtom, Sborník IV., Kijev 1977, str. 137-8/.Cement-based expansion tamponage and injection compositions are also known which contain polyvinyl alcohol in an amount of 0.5-1.5% by weight, based on cement / Rachlmbayev et al. 1967, Vološln et al., On the Mechanism of the Water-Tamping of Water-Tampons of the Plant by Polyvinyl Spirum, Proceedings IV., Kiev 1977, pp. 137-8].

Nevýhodou známých expanzních tamponážních a injektážních směsí s polyvinylalkoholem.· je, že antifiltrační účinek polyvinylalkoholu se dostavuje pouze ve vazbě na některé druhy cementu. Nízký až mizivý účinek má např. ve vazbě s portlandskýml, struskoportlandskýml a rychlovaznými cementy. Nadto se výrazněji projevují jeho vedlejší negativní účinky, jako prodloužení tuhnutí směsi, snížení její tekutosti a sklon k pěnění. Negativní účinky polyvinylalkoholu se nepodařilo odstranit ani přídavkem sody a plastifikátoru, analogicky podle tamponážní směsi bez hydratační reakce /CS 214 490/.A disadvantage of known tamponage and injection expansion mixtures with polyvinyl alcohol is that the antifiltration effect of polyvinyl alcohol only occurs in relation to certain types of cement. It has a low to vanishing effect, for example in association with Portland, slag-portland and high-speed cements. In addition, its side-effects, such as prolongation of the solidification of the composition, a decrease in its flowability and a tendency to foaming, are more pronounced. The negative effects of polyvinyl alcohol could not be eliminated even by the addition of soda and plasticizer, analogously to the tampon mixture without a hydration reaction (CS 214 490).

Uvedené nedostatky odstraňuje expanzní tamponážní a injektážní směs se sníženou filtrovatelností podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že sestává z 50 až 70 hmotnostních dílů portlandského nebo struskoportlandského cementu, 1 až 10 hmotnostních dílů jemně mletého vápna, 20 až 40 hmotnostních dílů vody a z 0,3 až 6 hmotnostních dílů antifiltrační a plástifikační přísady, obsahující 30 až 70 % hmotnostních sušiny polyvinylalkoholu a 70 až 30 % hmotnostních derivátů solí ligninsulfonových kyselin nebo kondenzátů formaldehydu buá s naftalensulfokyselinami, anebo s alkylsulfonovanými polyfenoly, anebo s melaninem.The above-mentioned drawbacks are eliminated by the expandable tamponage and injection mixture of reduced filterability according to the invention, which consists of 50 to 70 parts by weight of Portland or slag-portland cement, 1 to 10 parts by weight of finely ground lime, 20 to 40 parts by weight of water and 0 3 to 6 parts by weight of an antifiltration and coating agent comprising 30 to 70% by weight of polyvinyl alcohol dry matter and 70 to 30% by weight of derivatives of salts of ligninsulphonic acids or formaldehyde condensates with either naphthalenesulphonic acids or alkylsulphonated polyphenols or melanin.

Směs podle vynálezu vykazuje vysoký antifiltrační účinek při nezměněné expanzní účinnosti. Antifiltrační a plastifikační přísada, polyvinylalkohol s plastlfikátorem, nesnižuje expanzní účiůek vápna a přitom synergicky potencuje antifiltrační efekt.The composition according to the invention shows a high antifiltration effect with unchanged expansion efficiency. The antifiltration and plasticizer additive, polyvinyl alcohol with a plasticizer, does not reduce the expansion effect of lime, while synergistically potentiating the antifiltration effect.

Vysoké hodnoty expanze a nízké hodnoty filtrace nepotlačují vedlejší příznivé vlastnosti směsi. Tak např. směs s optimální lineární expanzí 4 % vykazuje nízké hodnoty filtrovatelností, 15 cm^ při 0,7 MPa, přitom je stabilní, má dobrou tekutost, nízké vnitřní tření a vzniklý cementový kámen, vyznačující se zvýšenou nepropustnosti, spolehlivě přilnává k většině druhů hornin. Směs podle vynálezu zaručuje plnou efektivnost i při zvýšených téplotách do 70 °C.High expansion values and low filtration values do not suppress the side-benefit properties of the composition. For example, a mixture with optimum linear expansion of 4% exhibits low filterability values, 15 cm @ 2 at 0.7 MPa, yet is stable, has good flowability, low internal friction, and the resulting cement stone, characterized by increased impermeability, reliably adheres to most species of rocks. The composition according to the invention guarantees full efficiency even at elevated temperatures up to 70 ° C.

Lze ji připravit ze všech druhů cementů, především z obvyklých cementů portlandských, struskoportlandských a rychlovaznýoh. Aplikace dodatkových aditiv pro úpravu směsi podle požadavků lokálních podmínek, především aplikace povrchově aktivních látek, je možná.It can be prepared from all types of cements, especially from the usual Portland, slag-portland and quick-binding cements. The application of additional additives to adjust the composition according to the requirements of local conditions, in particular the application of surfactants, is possible.

PříkladyExamples

Vlastnos 1 expanzní tamponážní a injektážní směsi se sníženou filtrovatelností podle vynálezu byly ověřovány při důlních těsnících praceoh a testovány laboratorně. Testováno bylo šest vzorků směsi připravených z portlandského cementu třídy 400 nebo struskoporťlandského cementu třídy 325, jemně mletého vápna se zbytkem 8 % na sítě 0,02 mm a polyvinylalkoholu ve formě vodného 16% roztoku. Jako plastifikátoru bylo použito kondenzátoru formaldehydu s naftalensulfokyselinami, jako plastifikujícího zpožůovače tuhnutí alkylsulfonovaného polyfenolického kondenzátu s formaldehydem nebo solí llgnisulfonových. kyselin ve formě sulfitových výpalků a jako odpěňovač byl do směsi aplikován 2-etalhexanol. Vzorkové směsi podle vynálezu byly připraveny při 22 °C + 3 °C smícháním cementu s jemně mletým vápnem a přidáním záměsové vody, v níž byly rozpuštěny zbývající komponenty. Směs byla míchána 30 sec v rychloběžné laboratorní mixážní míchačce při otáčkách míchadla 5 000 až 9 000 min ¹ a 20 min. v pomaluběžné laboratorní míchačce při otáčkách míchadla 140 min^-1. Metodika laboratorních testů byla v souladu s oborovými normami a s mezinárodně uplatňovanými postupy.The properties of the expandable tamponage and injection compositions with reduced filterability according to the invention were verified at the mine sealing bases and tested in the laboratory. Six samples of the mixture prepared from Portland cement class 400 or slag-portland cement class 325, finely ground lime with 8% residue on 0.02 mm sieves and polyvinyl alcohol in the form of an aqueous 16% solution were tested. As the plasticizer, a formaldehyde condenser with naphthalene sulfoacids was used as a plasticizing retardant of the solidification of the alkylsulfonated polyphenolic condensate with formaldehyde or the 11-sulfonic acid salt. 2-etalhexanol was added to the mixture as a defoamer. The sample compositions of the invention were prepared at 22 ° C + 3 ° C by mixing the cement with finely ground lime and adding the mixing water in which the remaining components were dissolved. The mixture was stirred for 30 sec in a high speed lab mixer at a stirrer speed of 5,000 to 9,000 rpm for ¹ and 20 min. the low-speed laboratory stirrer at a stirrer speed of 140 min ^-1. The laboratory test methodology was in line with industry standards and internationally applied procedures.

—3—3

Měrná hmotnost směsi v kg. m byla stanovována pyknometricky, doba tuhnutí na Vicatově přístroji a filtrovatelnost při tlaku 0,7 MPa po 30 min. Pevnost cementového kamene v tlaku a ohybu byla zjišťována na zkušebních tělesech o rozměru 20x20x80 mm. Lineární expanze byla sledována na sloupci směsi ve skleněném válci tak, že změna výšky sloupce byla přenášena pístem na indikátor výškových změn. Zjištěná expanze byla vyjádřena v procentech jako poměr změny výšky sloupce směsi po 24 hodinách od jejího smíchání k počáteční výšce. Objemová změna cementového kamene se zjišťovala měřením podélných deformací zkušebních těles o rozměru 40x40x160 mm v podélné ose tělesa během jeho tvrdnutí. Naměřené objemové změny cementového kamene byly vyjádřeny v procentech jako poměr změny délky zkušebního tělesa ve stanovených časových Intervalech k původní délce tělesa. Adheze cementového kamene byla stanovena jako pevnost kontaktu mezi cementovým Mezikružím a vnitřním kovovým válečkem adheziometru. Smyková pevnost V byla vypočtena ze vztahuSpecific gravity of the mixture in kg. m was determined by pycnometry, solidification time on a Vicat instrument and filterability at a pressure of 0.7 MPa for 30 min. Compressive and flexural strength of cement stone was determined on specimens of 20x20x80 mm. Linear expansion was monitored on the mixture column in the glass cylinder so that the change in column height was transmitted by the piston to the height change indicator. The observed expansion was expressed as a percentage of the change in column height of the mixture after 24 hours of mixing to the initial height. The volume change of cement stone was determined by measuring the longitudinal deformations of test specimens measuring 40x40x160 mm in the longitudinal axis of the specimen during hardening. The measured volume changes of cement stone were expressed as a percentage as the ratio of the change in the length of the specimen at the specified time intervals to the original length of the specimen. The cement stone adhesion was determined as the contact strength between the cement annulus and the inner metal roller of the adhesion meter. The shear strength V was calculated from the equation

=. —· /MPa/ kde N je síla potřebná k porušení kontaktu mezi cementovým mezikružím a vnitřním válečkem adheziometru a S je plocha kontaktu.=. Where N is the force required to break the contact between the cement annulus and the inner roller of the adhesion meter and S is the contact area.

Výsledky laboratorního testování šesti různých vzorků směsi podle vynálezu a skladba komponent# z nichž byly vzorky připraveny, jsou uvedeny v následující tabulce.The results of laboratory testing of six different samples of the composition of the invention and the composition of the components from which the samples were prepared are shown in the following table.

Složení směsi a druh testu Composition and type of test Rozměr Dimension 1 1 Zkušební 2 Trial 2 vzorek 3 sample 3 4 4 5 5 6 6 Portlandský cement třídy 400 Portland cement class 400 62,00 62,00 64,83 64.83 65,52 65.52 62,52 62.52 62,67 62.67 Struskoportlandský cement třídy 325 Class 325 slag-portland cement - - - - - - - - - - 62,67 62.67 Jemně mleté vápno Finely ground lime 4,67 4.67 4,14 4.14 3,45 3.45 3,99 3.99 4,00 4.00 4,00 4.00 Voda Water % % 32,09 32.09 29,97 29.97 29,97 29.97 32,48 32.48 32,42 32.42 32,09 32.09 Polyvinylalkohol v sušině Polyvinyl alcohol in dry matter hmotn. wt. 0,75 0.75 0,66 0.66 0,66 0.66 0,75 0.75 0,75 0.75 0,75 0.75 Kondenzát formaldehydu s naftalensulfokyselinami Formaldehyde condensate with naphthalenesulfoacids 0,46 0.46 0,37 0.37 0,37 0.37 - - - - 0,46 0.46 Kondenzát formaldehydu s alkylsulfonovanými polyfenoly Formaldehyde condensate with alkylsulfonated polyphenols 0,13 0.13

Soli lignosulfonových kyselinSalts of lignosulfonic acids

/sulfátové výpalky/ / sulfate stillage / - - - - - - 0,23 0.23 - - - - 2-etylenhexanol 2-ethylenehexanol 0,03 0.03 0,03 0.03 0,03 0.03 0,03 0.03 0,03 0.03 0,03 0.03 Měrná hmotnost Density , -3 kg.m , -3 kg.m 1 900 1 900 1 890 1 890 1 920 1 920 1 820 1 820 1 780 1 780 1 830 1 830 Počátek tuhnutí Beginning of solidification h-min h-min 8-30 8-30 7-10 7-10 7-10 7-10 7-50 7-50 7-30 7-30 14-30 14-30 Doba tuhnuti Setting time 12-00 12-00 9-10 9-10 9-50 9-50 10-00 10-00 10-20 10-20 19-40 19-40 Pevnost v tlaku po 7 dnech Compressive strength after 7 days MPa MPa 7,2 7.2 16,0 16.0 18,3 18.3 10,9 10.9 6,4 6.4 4,0 4.0 Pevnost v ohybu po 7 dnech Flexural strength after 7 days 4,1 4.1 5,4 5.4 6,3 6.3 4,6 4.6 3,6 3.6 1,9 1.9 Objemová změna cementového kamene 'po 2 dnech Volume change of cement stone after 2 days % % 1,4 1.4 1,3 1.3 0,8 0.8 2,0 2,0 2,5 2.5 1,5 1.5 po 7 dnech after 7 days 1,6 1.6 1,5 1.5 1,0 1.0 2,0 2,0 2,6 2.6 1,7 1.7 po 14 dnech after 14 days 1,7 1.7 1,5 1.5 1,0 1.0 2,0 2,0 2,6 2.6 1,7 1.7 Lineární expanze Linear expansion % % 2,3 2.3 1,7 1.7 0,9 0.9 2,3 2.3 2,5 2.5 2,4 2.4 Adheze po 2 dnech Adhesion after 2 days MPa MPa 1,3 1.3 2,5 2.5 3,4 3.4 2,0 2,0 1,5 1.5 0,7 0.7 Filtrace Filtration cm^/30 cm ^ / 30 5,5 5.5 74 74 92 92 163//15° 163/15 ° 7 138//18 7 138 // 18 °/ 5,5 ° / 5.5

Z tabulky vyplývá, že expanzní a tamponážní směs podle vynálezu vykazuje při. nízké filtrovatelnosti dobré fyzikálně mechanické vlastnosti. Vzorky s obsahem portlandského cementu 1 až 5, mají výrazně kratší dobu tuhnutí, větší pevnost a lepší adhezi k okolí než vzorek s obsahem struskoportlandského cementu, vzorek č. 6. Ten však má vyšší odolnost vůči korozi. Požaduje-li se od směsi, aby měla velmi nízkou filtrovatelnost, i na úkor pevnosti, volí se dávkování komponent podle vzorku 1. Naopak, požaduje-li se od směsi vysoká pevnost na úkor filtrovatelnosti, volí se dávkování komponent podle vzorku 3. Vzorky podle tabulky nevyčerpávají celou variabilitu možných kombinací komponent, pro jejichž volbu je rozhodující účel a okolní podmínky. Vzhledem k těmto možnostem je směs podle vynálezu použitelná pro tamponáž hlubinných vrtů, a to i v prostředí s teplotou do 70 °C, pro likvidaci kaveren ve vrtech, pro tamponáže maloprůměrových vrtů, pro injektáže ve skalních horninách, pro těsnicí a injektážní práce na povrchu i v dolech.The table shows that the expansion and tampon blend according to the invention exhibits at. low filterability good physico-mechanical properties. Portland cement samples 1 to 5 have a significantly shorter setting time, greater strength and better adhesion to the environment than the slag-portland cement sample, sample # 6. However, it has higher corrosion resistance. If the composition is required to have a very low filterability, even at the expense of strength, the dosing of the components according to Sample 1 is chosen. Conversely, if a high strength is required from the mixture at the expense of filterability, The tables do not exhaust the full variability of possible combinations of components, the choice of which is determined by the purpose and environmental conditions. In view of these possibilities, the composition according to the invention is applicable to deep well drilling, even in environments with a temperature of up to 70 ° C, for drilling cavities in wells, for small diameter drilling, for rock grouting, for sealing and grouting work on the surface even in mines.

Vynález je využitelný v oboru hlubinného vrtání, důlního a podzemního inženýrství a v obo· ru zakládání staveb.The invention is applicable in the field of deep drilling, mining and underground engineering and in the field of foundation engineering.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

An expandable tamponage and injection composition with reduced filterability, characterized in that it consists of 50 to 70 parts by weight of Portland or slag-portland cement, 1 to 10 parts by weight of finely ground lime, 20 to 40 parts by weight of water and 0.3 to 6 parts by weight of antifiltration and plasticizers containing 30 to 70% by weight of polyvinyl alcohol dry matter and 70 to 30% by weight of derivatives of salts of ligninsulphonic acids or formaldehyde condensates with either naphthalenesulphonic acids or alkylsulphonated polyphenols, or melamine.