В настоящее время отечественные исследователи сориентированы различными стратегиями развития страны на поиск инновационных решений, в том числе в области разработки новых составов композиционных материалов, которые будут способствовать созданию устойчивых оснований сооружений в районах криолитозоны. Укрепление (увеличением прочности оснований) участков с неравномерной осадкой и деформацией под воздействием нагрузок является актуальной проблемой [1; 2], а в силу того что применение криотропных композиций является перспективным направлением в закреплении подвижных грунтов, создание грунтовых оснований с улучшенными гидроизоляционными, теплоизоляционными и механическими свойствами применением полимерных криогелей является не менее актуальной задачей.
Целью исследования является выявление в Арктической зоне России природных ситуаций, связанных с разрушением поверхности, уменьшением устойчивости грунтов оснований и т.п., диктующих необходимость разработки новых материалов и их внедрения в практику с целью расширения возможностей по освоению и использованию арктических ресурсов и пространств, а также оценка перспектив использования криогеля различного состава и для различных мерзлотно-грунтовых условий.
Опыт использования криогелей и предложения по его расширению
В настоящее время имеется опыт использования криотропных композиций, в том числе в нефтегазовом комплексе [3]. Однако этот опыт ограничен единичными случаями применения, причем и его нужно адаптировать для территорий перспективного освоения, в том числе криолитозоны. Так, например, в ПАО «Газпром» на Бованенково в 2016 г. был удачно проведен эксперимент по укреплению грунтов откосов и насыпей применением криогелей, кроме этого, известна технология укрепления устьев скважин на территориях распространения многолетнемерзлых грунтов; озвучиваются предложения по использованию криогелей в околотрубном пространстве линейных объектов, а также для нагнетания в грунт оснований сооружений с целью создания опорной системы [1].
Предложения по использованию криогелей на объектах трубопроводного транспорта, расположенных в криолитозоне, видятся вполне уместными. При ведении производственной деятельности на данных территориях необходимо учитывать все потенциально опасные геологические процессы. Так, в северной тайге преобладает заболачивание, которое зачастую образует водные скопления вдоль трасс трубопроводов, разрушая их обвалование, что может привести к всплытию объекта и отслоению тепло- и гидроизоляции. На этой территории встречаются бугры пучения, особенно в торфяниках. Зимой насыщенный влагой грунт замерзает и увеличивается в объеме, а затем приподнимается в виде бугра, что приводит к деформации линейного объекта. Термокарст является типичным процессом для лесотундры, сопутствующим процессом здесь становится термоэрозия, приводящая к оголению трубопровода, эрозии, осадке свайных оснований и элементов транспортной системы. В тундре высокие деревья и кустарники встречаются только в речных долинах, снежный покров незначителен, и поэтому на повышенных поверхностях возникает широкое проявление процессов морозобойного растрескивания, а на низких уровнях появляются полигональные образования с ледяными жилами (пятна-медальоны, каменные полигоны). В связи с этим в летний период времени развивается термоэрозия, которая формирует овражную сеть на участках примыкания к долинам рек и ручьев. При оттаивании жил развиваются обводненные термокарстовые канавы вдоль трубопровода. Это способствует боковой речной эрозии и озерной эрозии. Как следствие, происходит разрушение обвалования, изменение напряжённо-деформированного состояния и деформация объекта.
Сегодня для выявления общих зональных и региональных предпосылок использования криогелей в криолитозоне часто имеется достаточная информационная база:
– система ландшафтной дифференциации региона;
– репрезентативные урочища для каждой геокриологической подзоны;
– основные геолого-геокриологические характеристики приповерхностных отложений этих урочищ;
– морфологические характеристики региональных ландшафтов для каждой геокриологической подзоны.
На основе этой базы знаний специалистами для широкого спектра изменчивости мерзлотных инженерно-геологических условий даются рекомендации по использованию криогеля на территории криолитозоны, в том числе и представленные в таблице и далее.
Рекомендации по использованию криогеля на территории криолитозоны для широкого спектра изменчивости мерзлотных инженерно-геологических условий [4]
|
№ п/п |
Характер приповерхностных грунтов участков развития многолетнемерзлых пород (ММП) |
Географическая приуроченность экзогенного процесса |
|
1 |
Характерные для прибрежных территорий Севера пылеватые пески |
|
|
2 |
Сильнольдистые грунты участков с подземными полигонально-жильными и пластовыми льдами |
|
|
3 |
Талые сильноувлажненные пучинистые грунты котловин хасыреев |
|
|
Окончание таблицы |
||
|
№ п/п |
Характер приповерхностных грунтов участков развития многолетнемерзлых пород (ММП) |
Географическая приуроченность экзогенного процесса |
|
4 |
Участки развития термоэрозионных процессов при подземной прокладке объектов трубопроводного транспорта |
|
Информация о морфологической структуре ландшафтов региона позволяет оценить, в какой степени в том или ином ландшафте определенной природной зоны/подзоны возможно применение криогелей. Для удобства предлагается использовать индекс, обозначающий потенциал применения криогелей (ППК). ППК равен частному от деления площади той части ландшафта, на которой целесообразно применять криогели для решения конкретных проблем, возникающих при освоении криолитозоны (Sкр), на общую площадь этого ландшафта (Sланд):
ППК = 
.
Рассмотрим в общем виде природные ситуации, предполагающие использование криогелей.
Проблема стабилизации грунтовых оснований объектов, повышения их несущей способности, а также в целом улучшение инженерной защиты производственных объектов в области развития ММП, с территориальной точки зрения впрямую увязана с площадями, занятыми ММП.
Для криолитозоны характерен широкий набор экзогенных процессов, развитие которых может привести к деструкции как технических сооружений, так и (локально) природных экосистем.
Эрозионные процессы в наибольшем масштабе развиваются в песчаных грунтах и отмечены главным образом на участках переходов линейных сооружений (главным образом трубопроводов) через водотоки. При подземной или наземной прокладке трубопроводов эрозия может развиваться также в дисперсных грунтах на склоновых участках водоразделов. Такая проблема характерна для южной криолитозоны.
К участкам развития с поверхности песков относятся и другие процессы. Наиболее значимая среди них – дефляция, которая развивается в природных условиях, но активизируется также и в результате техногенного нарушения поверхности. Она характерна для плоских участков урочищ, сложенных с поверхности песками, и для прибровочных частей террас.
Развитие термокарстовых процессов приурочено преимущественно к северной криолитозоне и характерно для участков, сложенных с поверхности торфом, то есть к высокольдистым грунтам. Максимальная степень потенциального развития термокарста характерна для полигональных торфяников, где развиты полигонально-жильные льды.
Необходимо отметить, что использование криогелей для стабилизации поверхностей с развитием термокарста еще требует своего изучения.
Потенциал развития солифлюкции часто, например в Большеземельской тундре, не очень высок. Солифлюкционные процессы фиксируются в основном в тундре на участках пологих склонов, сложенных с поверхности тиксотропными суглинками. Следует отметить, что ППК для солифлюкции сильно отличается от реальных площадей её развития. Однако, учитывая положительный климатический тренд, можно ожидать увеличение глубины сезонно-талого слоя, что спровоцирует более широкое проявление солифлюкционных процессов. Техногенное воздействие, ведущее к нарушению целостности мохово-растительного покрова, тоже может стать толчком к развитию этого процесса.
Возможности стабилизации процессов пучения с применением криогелей еще недостаточно изучены. В любом случае многолетнее пучение в разной степени развивается в торфяных грунтах в центральной и южной частях криолитозоны. Площади многолетнего пучения приурочены, главным образом, к некоторым урочищам болот и выпуклобугристым торфяникам, в основном характерны для южной криолитозоны. В северной криолитозоне, кроме выпуклобугристых торфяников, пучение наблюдается в пределах хасыреев.
Проблемы оптимизации фильтрационных свойств грунтов природно-технических систем, а также формирования теплоизоляционного экрана возникают практически повсеместно. Они актуальны в любых типах ММП (теплоизоляционный экран) при размещении объектов наземно или подземно, а также когда криогели позволяют создать дополнительный барьер безопасности как в талых, так и в ММП, например при обустройстве различных природоохранительных сооружений.
При организации и проведении рекультивационных мероприятий применение криогелей целесообразно при развитии с поверхности пылеватых грунтов (чаще суглинков) или песков. Криоструктурирование почвы может помочь адаптации растений к климатическим условиям криолитозоны, удерживая влагу в засушливый период и защищая их от вымерзания в зимний [5]. Таким образом, из-за широкого развития пылеватых суглинков и песков практически для всех тундровых урочищ северной криолитозоны можно использовать криогели при проведении рекультивационных работ. В южной криолитозоне это целесообразно применять к участкам, сложенным с поверхности песками.
Оценка ландшафтно-территориального потенциала использования криогелей на примере территории Большеземельской тундры
Авторами статьи произведена оценка ландшафтно-территориального потенциала использования криогелей в Большеземельской тундре, результаты которой будут освещены в следующих публикациях, однако, предваряя их, отметим, что в зависимости от зональной принадлежности участка освоения диапазон применения криогелей и площадь возможного их использования – ППК – неодинаковы, а также, что для этой территории потенциал применения криогелей очень высок, причем с юга на север увеличиваются площади, применимость на которых криотропного гелеобразования видится более чем целесообразной. В ландшафтном отношении ППК для стабилизации, а также повышения несущей способности грунтовых оснований объектов имеет нечеткую тенденцию увеличения с понижением абсолютных отметок поверхности ландшафтов. Подобная тенденция выявлена для вариантов использования криогелей для предотвращения развития ряда экзогенных процессов (эрозия, пучение в южной криолитозоне, термокарст – за исключением тундры), для оптимизации фильтрационных свойств грунтов природно-технических систем (за исключением тундровой зоны), а для крайне северной тайги – и для формирования теплоизоляционного экрана, для рекультивации нарушенных участков в крайне северной тайге. Обратная тенденция выявлена для таких криогенных процессов, как солифлюкция, для рекультивации нарушенных участков в лесотундре и тундре.
Можно уверенно заявлять о широких перспективах применения криогелей в районах распространения ММП как для целей предотвращения и остановки деградации почв, рекультивации земель северных территорий, стабилизации и повышения несущей способности грунтовых оснований объектов, так и для использования в качестве противофильтрационного, теплоизоляционного элемента природно-технических систем. Возможность использования композиционных материалов на основе криогеля как дополнительного барьера безопасности при обустройстве различных природоохранительных сооружений, предназначенных для сбора, обезвреживания и захоронения нефтесодержащих и прочих отходов, является не менее значимым направлением использования нового материала.
К вопросу о создании составов криотропных полимерных композиций с новыми регулируемыми свойствами, открывающих новые перспективы использования криогелей
Известно, что в настоящее время для решения проблемы отходов, особенно для отдаленных и труднодоступных районов, в которых невелика вероятность организации полноценных мусоросортировочных комплексов, активно внедряется термодеструкция как способ утилизации мусора. По этой теме не утихают споры экоактивистов и операторов по обращению с твердыми коммунальными отходами, однако когда речь идет об использовании отечественного метода плазменной утилизации мусора, специалистами экологами поддерживается внедрение установок, в которых нет горения, а мусор подвергается газификации ионизованным газом температурой в несколько тысяч градусов. При такой температуре в зоне реактора не образуется вредный газ (нет горения и кислорода, поэтому нет условий для образования диоксинов, фуранов и пр.), отходы превращаются в золу, которую авторам видится перспективным использовать в качестве нерастворимого наполнителя самоупрочняющегося полимерного криогеля. Отметим, что свою заинтересованность в исследованиях с зольным остатком уже обозначили представители региональных операторов по обращению с твердыми коммунальными отходами.
Кроме этого, обращает на себя внимание исследование СО РАН по использованию в качестве наполнителя криогеля мелкодисперсного технического углерода (марок П 145, 161, 245, 514 и N339). Криогели созданного ими состава обладали «улучшенными эксплуатационными характеристиками, а именно, повышенной прочностью и гидрофобностью, которые, в свою очередь, зависят от морфологии технического углерода и функционального покрова его поверхности» [5]. Вывод о том, что сильное влияние на прочностные характеристики углеродных суспензий оказывают морфологические параметры технического углерода, позволяет рассчитывать, что продолжение исследований с некоторыми уникальными марками техуглерода, выпускаемыми Сосногорским газоперерабатывающим заводом, могут дать достаточно интересный результат, а беспрецедентно высокий рН водной вытяжки, например, печной сажи также «сыграет» свою роль в экспериментах. Эксперименты, объединяющие интересы уникального заводского производства по поиску новых направлений использования, сбыта своей продукции и исследователей, еще только предстоят, однако использованием технического углерода в качестве нерастворимого наполнителя криогеля уже получен материал нового состава и функциональных свойств.
Придание криогелям гидрофобности свидетельствует о перспективности применения его в качестве гидроизолирующего материала. С учетом противофильтрационных свойств видится уместным его использование в качестве дополнительного барьера безопасности, например при обустройстве сооружений для сбора, обезвреживания и захоронения отходов. Для строительства противофильтрационных элементов гидротехнических сооружений и решения актуальнейшей проблемы современности в области мелиорации – большие потери воды из каналов и водоемов, 90 % из которых происходят вследствие фильтрации из оросительной сети – однозначно могут быть рекомендованы композиционные криогели, содержащие технический углерод. Актуальность рекомендации подтверждается анализом «свежих» изданий по проблематике, который ожидаемо не выявил предложений по использованию криотропных композиций в качестве противофильтрационного мероприятия [6]. Видится, что как минимум в качестве дополнения к малонадежным (порывы и пр. нарушения целостности) пленочным противофильтрационным устройствам использование нового материала будет более чем уместно.
Выводы
1. Проведен обзор опыта использования криотропных композиций; отмечено, что опыт ограничен единичными случаями применения, причем и его нужно адаптировать для территорий перспективного освоения, в том числе криолитозоны.
2. Даются рекомендации по использованию криогеля на территории криолитозоны для широкого спектра изменчивости мерзлотных инженерно-геологических условий.
3. Обозначена необходимость разработки составов криотропных полимерных композиций с регулируемыми гидрофобными свойствами и технологии укрепления грунтов и оснований сооружений с применением криогелей в зависимости от состава грунтов и внешних условий.
4. Предлагается развить исследования томских коллег с твёрдодисперсными нерастворимыми наполнителями криогеля опытами с зольным остатком установок плазменной утилизации мусора, а также с уникальными марками печного техуглерода, выпускаемого Сосногорским ГПЗ.