ES2347238T3 - Lechada por inyeccion. - Google Patents
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Abstract
Uso de una composición de lechada por inyección obtenible mezclando un silicato de metal alcalino o un silicato orgánico, partículas de sílice coloidal y al menos un agente gelificante dispersado en un disolvente en el que la concentración de sílice coloidal oscila desde aproximadamente 10 hasta aproximadamente 70% en peso contado como peso de sílice en seco, en el que la relación en peso de sílice frente a silicato es desde aproximadamente 8:1 hasta aproximadamente 100:1.
Description
Lechada por inyección.
La presente invención se refiere al uso de una
composición de lechada por inyección, a un método de sellado por
inyección de una composición de lechada, a un método de separación
de una corriente líquida, a una composición de lechada y a un
método de proporcionar una composición de este tipo. La composición
de la lechada comprende partículas de sílice coloidal, un silicato
de metal alcalino o un silicato orgánico y, al menos, un agente
gelificante.
Los requisitos y el comportamiento de las
composiciones usadas para sellar roca y tierra se han incrementado
a lo largo del tiempo. Los requisitos involucran aspectos mejorados
tanto medioambientales como técnicos. Anteriormente, se han
empleado varios plásticos y polímeros que involucran sustancias
tóxicas para sellar fugas de agua, por ejemplo en muros de
hormigón, túneles, vertederos, etc. Tales productos químicos
sellantes han causado, en varios casos, la contaminación de las
aguas subterráneas y problemas de salud. Sin embargo, se han hecho
intentos para reemplazar los productos peligrosos por otros mejor
adaptados medioambientalmente. Se han buscado nuevos productos para
cumplir con las restricciones para fugas impuestas recientemente.
Niveles de fugas de agua tan bajos como 1 litro/(min\cdot100
metros) han sido ocasionalmente el umbral superior en los sitios de
construcción de túneles. El documento US 5.396.749 describe un
método para separar una corriente de agua mediante lechada por la
que se impide la fuga de agua y el colapso del terreno. El agente de
separación se prepara mezclando, por ejemplo, sílice coloidal, sal
inorgánica y un polímero de uretano soluble en agua. Sin embargo,
la resistencia de estos agentes ha mostrado que es insuficiente en
varias aplicaciones, particularmente en las que el agente, durante
la inyección y la gelificación, está expuesto a una alta presión de
agua. Agentes especialmente inestables durante la fase de
envejecimiento han dado como resultado una resistencia a largo
plazo bastante baja. El documento JP 2001 003047 describe una
lechada de consolidación que comprende una solución alcalina de
sílice que contiene sílice coloidal y vidrio soluble. Sin embargo,
el contenido del mismo en sílice es de un nivel bastante bajo. El
documento DE 199 25 412 describe una composición de revestimiento
que comprende silicato, sol de sílice y una sal. El documento DE
199 25 412, sin embargo, no dice nada sobre la disposición de la
resistencia optimizada del gel. Los agentes sellantes se han usado
también para sellar la tierra para impedir la fuga de contaminantes
en áreas subterráneas como fuentes enterradas, vertederos, etc. El
documento US 5.836.390 describe un método para la formación de
barreras bajo la superficie donde se inyecta un líquido viscoso que
comprende polibutenos, polisiloxanos y sílice coloidal. Sin embargo,
tales barreras no son siempre suficientemente fuertes para impedir
que penetren líquidos acuosos y orgánicos. Además de esto, los
problemas de estabilidad o de pregelificación de la composición
sellante han dado muchas veces un procedimiento sellante
ineficaz.
Sería deseable proporcionar un agente de corte
líquido medioambientalmente adaptado que tenga una gran resistencia
inicial así como resistencia a largo plazo, especialmente en el
campo del sellado de roca, donde los agentes de separación pueden
ser sometidos a gran presión de agua de las aguas subterráneas.
Sería también deseable proporcionar productos durables que resistan
fuerzas de lavado y que tengan una baja permeabilidad o incluso que
sean impermeables a agua y a otros líquidos. Por tanto, es un objeto
de la presente invención proporcionar productos que resuelvan los
inconvenientes de la técnica anterior.
La presente invención se refiere al uso de una
composición de lechada por inyección obtenible mezclando un
silicato de metal alcalino o un silicato orgánico, partículas de
sílice coloidal y al menos un agente gelificante de acuerdo con la
reivindicación 1.
La invención se refiere también a un método de
sellado de una parte de fuga o cavidad que comprende inyectar en la
parte de fuga o cavidad una composición obtenible mezclando un
silicato de metal alcalino o un silicato orgánico, partículas de
sílice coloidal y, al menos, un agente gelificante de acuerdo con la
reivindicación 2.
La invención se refiere también a un método de
separación de una corriente líquida en una parte de fuga o cavidad
inyectando en la parte o cavidad de fuga una composición obtenible
mezclando un silicato de metal alcalino o un silicato orgánico,
partículas de sílice coloidal y, al menos, un agente gelificante de
acuerdo con la reivindicación 3.
La invención se refiere también a un método de
preparar una composición de lechada por inyección de acuerdo con la
reivindicación 4. La invención se refiere también a una composición
de lechada por inyección que comprende partículas de sílice
coloidal, un silicato de metal alcalino o un silicato orgánico y, al
menos, un agente gelificante de acuerdo con la reivindicación
5.
Generalmente, en todas las invenciones
definidas, la relación en peso de sílice coloidal frente a silicato,
es preferiblemente desde aproximadamente 8:1 hasta aproximadamente
70:1, más preferiblemente desde aproximadamente 8:1 hasta
aproximadamente 50:1, incluso más preferiblemente desde
aproximadamente 8:1 hasta aproximadamente 20:1, y lo más
preferiblemente desde aproximadamente 8:1 hasta aproximadamente
10:1. Sin embargo, de acuerdo con una realización, la realización
en peso de sílice coloidal frente a silicato es desde
aproximadamente 8:1 hasta aproximadamente 100:1, preferiblemente
desde aproximadamente 8:1 hasta aproximadamente 20:1.
De acuerdo con una realización, la composición
está dispersada en una solución acuosa, lo más preferiblemente un
sol de sílice acuoso. De acuerdo con una realización, excepto por la
posible presencia de silicato orgánico o agente gelificante
orgánico como se define aquí, no están presentes en la composición
compuestos orgánicos adicionales.
La expresión "lechada por inyección" como
se usa en este contexto significa, particularmente, sellar por
inyección una composición de lechada, particularmente sellando
cavidades o partes de fuga tal como sellar fisuras, grietas,
particularmente en roca y tierra así como en construcciones tales
como carreteras, túneles, puentes, edificios, por ejemplo en el
piso o en las paredes de los aparcamientos; tuberías de hormigón;
cementación pozos, así como otras construcciones subterráneas tales
como construcciones marinas, por ejemplo muelles, embarcaderos, y
malecones. "La lechada por inyección" usada aquí comprende
también inyección en lechada de cemento. La aplicación más
preferida es la inyección en roca y/o tierra.
Las partículas de sílice coloidal y los soles de
sílice pueden proceder de, por ejemplo, sílice precipitada,
microsílice (humo de sílice), sílice pirógena (sílice de
combustión), silanos, siloxanos, o geles de sílice con suficiente
pureza.
Las expresiones "partículas de sílice
coloidal" y "sol de sílice" usadas aquí comprenden también,
por ejemplo, partículas y soles de sílice modificados con aluminio
y modificados con boro. Soles de sílice modificados con boro se
describen adicionalmente, por ejemplo, en el documento US.
2.630.410. Las partículas de sílice modificadas con aluminio tienen
adecuadamente un contenido de Al_{2}O_{3} de aproximadamente
0,05 a aproximadamente 3% en peso, preferiblemente de
aproximadamente 0,1 a aproximadamente 2% en peso. El procedimiento
de preparación de un sol de sílice modificado con aluminio se
describe adicionalmente, por ejemplo, en "The Chemistry of
Silica", de Iler, K. Ralph, páginas 407-409, John
Wiley & Sons (1979) y en el documento US 5.368.833.
Las partículas de sílice coloidal tienen
adecuadamente un diámetro medio de partícula que oscila desde
aproximadamente 3 a aproximadamente 150 nm, preferiblemente desde
aproximadamente 7 a aproximadamente 50 nm y, lo más preferiblemente
de aproximadamente 10 a aproximadamente 40 nm. Adecuadamente, las
partículas de sílice coloidal tienen una superficie específica
desde aproximadamente 20 hasta aproximadamente 1.000,
preferiblemente desde aproximadamente 40 hasta aproximadamente 400
y, lo más preferiblemente, desde aproximadamente 60 hasta
aproximadamente 300 m^{2}/g.
Las partículas de sílice coloidal tienen
adecuadamente una distribución estrecha del tamaño de partícula, es
decir, con una baja desviación estándar relativa del tamaño de
partícula. La desviación estándar relativa de la distribución del
tamaño de partícula es la relación entre el tamaño medio de
partícula en números y la desviación estándar de la distribución
del tamaño de partícula. La desviación estándar relativa de la
distribución del tamaño de partícula es preferiblemente menor que
aproximadamente 60% en números, más preferiblemente menor que
aproximadamente 30% en números y, lo más preferiblemente, menor que
aproximadamente 15% en números.
Las partículas de sílice coloidal están
adecuadamente dispersadas en agua en presencia de cationes
estabilizantes tales como K^{+}, Na^{+}, Li^{+},
NH_{4}^{+}, cationes orgánicos, aminas cuaternarias, terciarias,
secundarias y primarias, o mezclas de las mismas para formar un sol
de sílice acuoso. Sin embargo, también pueden usarse otras
dispersiones tales como disolventes orgánicos, por ejemplo alcoholes
inferiores, acetona o mezclas de los mismos para preparar soles de
sílice orgánicos. Sin embargo, se prefiere el uso de soles de
sílice acuosos en las composiciones de acuerdo con la invención, y
las partículas de sílice coloidal añadidas a la composición están
dispersas en un disolvente en una concentración desde
aproximadamente 1 a aproximadamente 70, preferiblemente desde
aproximadamente 5 a aproximadamente 60, y lo más preferiblemente
desde aproximadamente 10 hasta aproximadamente 50% en peso contado
como peso en seco de sílice. El pH de la dispersión es adecuadamente
desde aproximadamente 1 a aproximadamente 12, preferiblemente desde
aproximadamente 7 a aproximadamente 11. Un alto contenido en sílice
se prefiere en la composición mientras las partículas de sílice
coloidal permanezcan estables sin agregación y/o gelificación
sustancial inmediata antes de inyectar la composición después de
añadir el agente de gel. Esto es beneficioso considerando no sólo el
superior comportamiento técnico que tal composición tiene sino
también el reducido coste de transporte del mismo.
La sílice coloidal tiene, adecuadamente, un
valor S de aproximadamente 20 hasta aproximadamente 100,
preferiblemente desde aproximadamente 30 hasta aproximadamente 90
y, lo más preferiblemente, desde aproximadamente 60 hasta
aproximadamente 90.
Se ha encontrado que composiciones de lechadas
por inyección con un valor S dentro de los intervalos definidos
aquí pueden comunicar una resistencia mejorada del gel a largo
plazo.
El valor S caracteriza el grado de agregación de
las partículas de sílice coloidal, es decir, el grado de formación
del agregado o microgel. El valor S se ha medido y calculado de
acuerdo con las fórmulas dadas en Iler, R. K. & Dalton, R. L.
en J. Phys. Chem. 60(1956), 955-957.
El valor S depende del contenido de sílice, de
la viscosidad y de la densidad de la sílice coloidal. Un valor S
alto indica un bajo contenido de microgel. El valor S representa la
cantidad de SiO_{2} en tanto por ciento en peso presente en la
fase dispersa de, por ejemplo, un sol de sílice. El grado de
microgel puede ser controlado durante el proceso de fabricación,
como se describe con más detalle, por ejemplo, en el documento US
5.368.833.
\newpage
El silicato de metal alcalino usado puede
contener cualquiera de los metales alcalinos potasio, sodio y litio,
preferiblemente potasio. El silicato orgánico puede contener
cualquier sustancia orgánica adecuada, por ejemplo aminas. La
relación molar de SiO_{2}/M_{2}O, en la que M es sodio o potasio
es, preferiblemente, desde aproximadamente 1 hasta aproximadamente
4. La relación molar de SiO_{2}/M_{2}O, en la que M es litio o
un componente orgánico es, preferiblemente, desde aproximadamente 1
hasta aproximadamente 20.
La expresión "resistencia del gel" usada
aquí es una medida de la resistencia a la compresión sin limitación
de la composición gelificada que se desarrolla con el tiempo.
También se ha encontrado que la composición tiene baja
permeabilidad lo cual es crucial en aplicaciones sellantes.
El agente gelificante, que es capaz de gelificar
sílice coloidal, es adecuadamente una sal o ácido inorgánico, por
ejemplo una sal de metal alcalino, una sal o ácido orgánico tal como
acetato sódico, ácido acético, preferiblemente una sal inorgánica.
Ejemplos de los mismos incluyen cloruro de aluminio, nitrato de
aluminio, sulfato de aluminio, cloruro de potasio, cloruro de
calcio u otro donante de calcio tal como cemento, cloruro de sodio,
cloruro de magnesio, sulfato de magnesio, yoduro de potasio,
hidrogenofosfato sódico, nitrato de magnesio, nitrato de sodio,
nitrato de potasio y nitrato de calcio o mezclas de los mismos,
preferiblemente cloruro de calcio, cloruro de sodio o cloruro de
potasio y, lo más preferiblemente, cloruro de sodio y/o aluminato
sódico, o mezclas de los mismos.
Preferiblemente, el contenido de agente
gelificante en la composición, preferiblemente como una composición
acuosa, es adecuadamente una cantidad desde aproximadamente 1 hasta
aproximadamente 30% en peso, preferiblemente desde aproximadamente
2 hasta aproximadamente 15% en peso del peso total en seco de
silicato y partículas de sílice.
Para preparar la composición de lechada por
inyección, las partículas de sílice coloidal y el silicato de metal
alcalino o el silicato orgánico se añaden, preferiblemente, como una
premezcla al agente gelificante. De acuerdo con una realización
preferida, la premezcla y el agente gelificante se añaden
separadamente en el punto que va a sellarse. Esto puede realizarse,
por ejemplo, por medio de la denominada lechada por chorro, en la
que los ingredientes se mezclan in situ, por ejemplo, en la
tierra.
La composición de lechada por inyección se usa
adecuadamente en las grietas más pequeñas, preferiblemente con un
diámetro que oscila desde aproximadamente 2 \mum hasta
aproximadamente 20 mm, preferiblemente desde aproximadamente 2
\mum hasta aproximadamente 5 mm y, lo más preferiblemente, desde
aproximadamente 20 \mum hasta aproximadamente 1 mm.
La composición de lechada por inyección puede
comprender además un ligante hidráulico u otros ligantes minerales
como cal, yeso, etc., y/u hormigón. El ligante hidráulico puede ser,
por ejemplo, un cemento como Cemento Portland Ordinario (OPC),
microcemento (cementos muy triturados) o cementos mezclados como se
describe además, por ejemplo, en el documento US 6.008.275. El
hormigón comprende agregados tales como piedra, grava, y arena,
hormigón molido, cal, carga de piedra, cemento de escorias, cenizas
volantes, flor de sílice, carga de vidrio y otro material
inorgánico preferido, adecuadamente con un diámetro medio de
partícula que oscile desde aproximadamente 0,01 hasta
aproximadamente 100 mm, preferiblemente desde aproximadamente 0,125
hasta aproximadamente 100 mm. Los agregados están comprendidos
adecuadamente en una cantidad desde aproximadamente 100 hasta
aproximadamente 1.000% en peso basado en el peso del ligante
hidráulico. La composición que comprende el ligante hidráulico
puede usarse para sellar, por ejemplo, grietas más grandes,
preferiblemente con un diámetro que oscila desde aproximadamente
0,02 mm hasta aproximadamente 20 mm, preferiblemente desde
aproximadamente 0,05 hasta aproximadamente 10 mm y, lo más
preferiblemente, desde aproximadamente 0,1 hasta aproximadamente
10.
Un regulador de tiempo de gel tal como
triacetina ácida (triacetato de glicerina), diacetina, sal de
Glauber
(NaSO_{4}\cdot10H_{2}O), ácido hidroclórico, ácido sulfúrico, ácido fosfórico o mezclas de los mismos pueden también añadirse a la composición para controlar la gelificación de los mismos.
(NaSO_{4}\cdot10H_{2}O), ácido hidroclórico, ácido sulfúrico, ácido fosfórico o mezclas de los mismos pueden también añadirse a la composición para controlar la gelificación de los mismos.
La expresión "tiempo de gel" usada aquí
significa la cantidad de tiempo que pasa desde el momento de mezclar
los ingredientes que integran la composición sellante hasta el
momento en que la composición sellante se vuelve demasiado viscosa
para moverse o para ser inyectada. La viscosidad se controla de
forma adecuada de tal manera que se forme un frente móvil homogéneo
de la composición moviéndose hacia el punto que va a ser sellado. De
forma adecuada, la viscosidad inicial de la composición sellante es
desde aproximadamente 3 hasta aproximadamente 100, preferiblemente
desde aproximadamente 4 hasta aproximadamente 30 mPas. El tiempo de
gel puede ser controlado fácilmente por ajuste de la cantidad de
agente gelificante. A veces, se necesita la gelificación instantánea
sin una sustancial dilución de la composición para proporcionar una
composición gelificada resistente a la presión. Un corto tiempo de
gel puede ser óptimo en grietas que sean relativamente superficiales
y en las que exista riesgo de una dilución rápida de la
composición. En algunos casos, es esencial que la gelificación no
empiece antes de que el frente de la composición insertada haya
penetrado completamente en la grieta. El tiempo de gel para sellar
una roca oscila, de forma adecuada, desde aproximadamente 1 a
aproximadamente 120, preferiblemente de aproximadamente 2 a
aproximadamente 60, más preferiblemente de aproximadamente 5 a
aproximadamente 40 y, lo más preferiblemente, de aproximadamente 20
a aproximadamente 40 minutos. El adecuado tiempo de gel para sellar
la tierra oscila desde aproximadamente 5 minutos hasta
aproximadamente 24 horas, preferiblemente desde aproximadamente 10
minutos hasta aproximadamente 6 horas y, lo más preferiblemente, de
aproximadamente 15 minutos hasta aproximadamente 3 horas.
Los componentes que integran la composición
pueden ser mezclados a temperatura ambiente. El agente gelificante
se añade, de forma adecuada, a la premezcla de partículas de sílice
coloidal y silicato en una solución acuosa en una cantidad desde
aproximadamente 1 hasta aproximadamente 30% en peso, preferiblemente
desde aproximadamente 2 hasta aproximadamente 15% en peso del peso
en seco de la premezcla de silicato y partículas de sílice.
Será obvio que la invención que así se describe
se puede variar de muchas formas. Dichas variaciones no deben
considerarse como una desviación de la esencia y alcance de la
presente invención, y se entiende que todas esas modificaciones,
como será evidente para un experto en la técnica, estarán incluidas
dentro del alcance de las reivindicaciones. Aunque los siguientes
ejemplos proporcionan detalles más específicos de las reacciones,
los siguientes principios generales pueden ser descritos aquí. El
siguiente ejemplo ilustrará con más detalle cómo puede llevarse a
cabo la invención descrita, sin limitar su alcance.
Si no se especifica lo contrario, todas las
partes y porcentajes se refieren a partes y porcentajes en peso.
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Las muestras que comprenden una solución de
silicato potásico disponible de Askania AB, con un contenido en
SiO_{2} del 23,4 por ciento en peso y un contenido en K_{2}O del
10,9 por ciento en peso y soles de sílice de la tabla 1 se
premezclaron antes de añadir 20 g de una solución de cloruro de
sodio al 10% en peso. Todas las muestras se curaron a 20ºC. La UCS
(abreviaturas en inglés de Resistencia a la Compresión Sin
limitación) se ensayó de acuerdo con ASTM C403. Todas las
proporciones de sol de sílice se dan en peso de las soluciones tal
como son suministradas. Puede verse claramente que una resistencia
de gel incrementada se logra mediante la formulación anteriormente
definida comparada con las soluciones de control (referencias) A y
N.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
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Claims (13)
1. Uso de una composición de lechada por
inyección obtenible mezclando un silicato de metal alcalino o un
silicato orgánico, partículas de sílice coloidal y al menos un
agente gelificante dispersado en un disolvente en el que la
concentración de sílice coloidal oscila desde aproximadamente 10
hasta aproximadamente 70% en peso contado como peso de sílice en
seco, en el que la relación en peso de sílice frente a silicato es
desde aproximadamente 8:1 hasta aproximadamente 100:1.
2. Método de sellado de una parte de fuga o
cavidad que comprende inyectar en dicha parte de fuga o cavidad una
composición de lechada obtenible mezclando un silicato de metal
alcalino o un silicato orgánico, partículas de sílice coloidal y al
menos un agente gelificante dispersado en un disolvente en el que la
concentración de sílice coloidal oscila desde aproximadamente 10
hasta aproximadamente 70% en peso contado como peso en seco de
sílice, en el que la relación en peso de sílice frente a silicato es
desde aproximadamente 8:1 hasta aproximadamente 100:1.
3. Método de separación de una corriente líquida
en una parte de fuga o cavidad inyectando en dicha parte de fuga o
cavidad una composición obtenible mezclando partículas de sílice
coloidal, un silicato de metal alcalino o un silicato orgánico, y
al menos un agente gelificante dispersado en un disolvente en el que
la concentración de sílice coloidal oscila desde aproximadamente 10
hasta aproximadamente 70% en peso contado como peso en seco de
sílice, en el que la relación en peso de sílice frente a silicato es
desde aproximadamente 8:1 hasta aproximadamente 100:1.
4. Método para preparar una composición de
lechada por inyección que comprende mezclar partículas de sílice
coloidal, un silicato de metal alcalino o un silicato orgánico, y al
menos un agente gelificante dispersado en un disolvente en el que
la concentración de sílice coloidal oscila desde aproximadamente 10
hasta aproximadamente 70% en peso contado como peso en seco de
sílice, en el que la relación en peso de sílice frente a silicato
es desde aproximadamente 8:1 hasta aproximadamente 100:1.
5. Composición de lechada por inyección que
comprende partículas de sílice coloidal, un silicato de metal
alcalino o un silicato orgánico y, al menos, un agente gelificante
dispersado en un disolvente en el que la concentración de sílice
coloidal oscila desde aproximadamente 10 hasta aproximadamente 70%
en peso contado como peso en seco de sílice, en el que la relación
en peso de sílice frente a silicato es desde aproximadamente 8:1
hasta aproximadamente 100:1.
6. Composición de acuerdo con la reivindicación
5, en la que las partículas de sílice coloidal están presentes en
un sol de sílice acuoso que tiene un valor S de aproximadamente 30 a
aproximadamente 90.
7. Composición de acuerdo con las
reivindicaciones 5 y 6, en la que las partículas de sílice coloidal
están presentes en un sol de sílice acuoso que tiene un valor S de
aproximadamente 60 a aproximadamente 90.
8. Composición de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 5-7, en la que la composición
comprende además un ligante hidráulico.
9. Composición de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 5-8, en la que las partículas de
sílice coloidal están presentes en un sol de sílice.
10. Composición de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 5-9, en la que la relación en peso
de sílice frente a silicato es desde aproximadamente 8:1 hasta
aproximadamente 70:1.
11. Composición de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 5-10, en la que la relación en peso
de sílice frente a silicato es desde aproximadamente 8:1 hasta
aproximadamente 20:1.
12. Composición de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 5-11, en la que la desviación
estándar relativa de la distribución del tamaño de partícula es
menor que aproximadamente 15% en números.
13. Composición de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 5-12, en la que el diámetro medio
de partícula oscila desde aproximadamente 7 hasta aproximadamente
50 nm.
Applications Claiming Priority (2)
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| EP02445103 | 2002-08-22 |
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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