11.1 Механизм упрочнения и кольматации горных пород

Силикатными растворами называют водные растворы силиката натрия (Na₂Si₃ - жидкое стекло). Они представляют собой коллоидные растворы с частицами 0,03-0,2 мкм.

Силикат натрия получают при сплавлении порошка диоксида кремния с щелочами:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + Н₂О

В воде силикат натрия гидролизуется:

Na₂SiОз + Н₂О ->SiO2 + 2NaOH,

поэтому силикатные растворы, имеют щелочную, реакцию. Благодаря щелочной среде коллоидный раствор достаточно стабилен.

Силикатные растворы имеют одну природу с глинистыми растворами. Как в тех, так и в других растворах дисперсная фаза представлена силикатами. Но активность твердой фазы силикатных растворов значительно выше фазы глинистых растворов. Вследствие высокой активности коллоидных частиц жидкое стекло применяют в качестве клея.

При введении в силикатный раствор электролитов час типы силиката натрия(подобно глинистым частицам) коагулируют.

При введении в силикатный раствор раствора хлористого кальция в их контакте образуется достаточно прочная пленка (из "сшитых" ионами Са²⁺ коллоидных частиц). С гидроксиланионами раствора ОН кальций образует известь Са(ОН)₂, связывающую скоагулированные агрегаты коллоидных частиц и способную с течением времени в присутствий кремнезема кристаллизоваться в виде минерала портландита. Однако Вследствие высокой гидрофильности коллоидных частиц такие пленки содержат много воды, поэтому не достаточно прочны.

При введении в силикатный раствор кислоты катионы водорода Н вытесняют с поверхности коллоидных частиц катионы Na , образуя гель кремнекислоты:

Na₂SiО₃ + H₂SO₄ + Н₂О = SiO₂ H₂O + Na₂ SO₄

Поверхностный потенциал коллоидных частиц понижается, гидратная пленка воды становится тоньше и плотнее, а связи между гидратами более прочными. Гидраксиланионы нейтрализуются катионами водорода:

В результате этого из раствора выпадает плотный оса док геля кремнекислоты.

Если этот осадок отмыть от соли Na₂SO₄, высушить при повышенной температуре, то получим пористую массу диоксида кремния, состоящую из прозрачных кристалликов SiO₂, связанных друг с другом химическими связями.

Процессы коагуляции силикатного раствора кислотой более медленны, чем процессы коагуляции солями поливалентных металлов. Время гелеобразования зависит от активности (степени диссоциации) кислоты и концентрации Na₂SiO₃. Чем выше активность кислоты и выше концентрация жидкого стекла, тем более резко сокращается время гелеобразования. С повышением температуры в скважине и раствора время гелеобразования понижается.