CC BY
54
УДК 536: 551.343.74
ГИСТЕРЕЗИС ПРИ ПРОМЕРЗАНИИ - ОТТАИВАНИИ ВЛАЖНОГО СУГЛИНКА
А
© Б.В. Григорьев1
Тюменский государственный университет, 625003, Россия, г. Тюмень, ул. Семакова, 10.
Приведены экспериментальные данные, подтверждающие наличие гистерезиса между двумя кривыми изменения незамерзшей воды при различных направлениях изменения температуры. Представлены результаты исследований содержания незамерзшей воды в грунте при равновесном и неравновесном состоянии в системе лед-вода.
Ил. 2. Табл. 2. Библиогр. 12 назв.
Ключевые слова: экспериментальная установка; незамерзшая вода; мерзлый грунт; гистерезис; неравновесные процессы.
HYSTERESIS UNDER FREEZING-THAWING OF WET LOAM B.V. Grigoryev
Tyumen State University,
10 Semakov St., Tyumen, 625003, Russia.
The paper presents experimental data proving the presence of hysteresis between the two curves of unfrozen water changes under different directions of temperature change, as well as the results of studying the content of unfrozen water in soil under equilibrium and non-equilibrium state in the ice-water system. 2 figures. 2 tables. 12 sources.
Key words: experimental installation; unfrozen water; frozen ground; hysteresis; non-equilibrium processes.
Поскольку населённые пункты и объекты инженерного проектирования в большинстве случаев располагаются по долинам рек, грунты, выступающие как основания сооружений, имеют аллювиальное происхождение. Ввиду многообразия разновидностей грунты классифицируются по гранулометрическому и минералогическому составу. В инженерной практике не-литифицированный минеральный грунт принято разделять на четыре типа: песок, супесь, суглинок и глина [5]. Суглинок - наиболее распространённый тип грунта, является грунтом переходного типа, имеет зёрна размером 0,05-0,005 мм [1].
При сезонном, а особенно при кратковременном (в течение суток) замерзании-оттаивании грунт подвергается интенсивному тепло- и массопереносу, сопровождающемуся резкими изменениями агрегатного состояния, реологических и теплофизических свойств.
Важной особенностью грунта при замерзании и оттаивании является наличие гистерезиса в содержании незамёрзшей воды между двумя направлениями изменения температуры - замораживание (Т1>Т2) и нагрев (Т,<Т2), а также явление неравновесного замерзания грунта, при котором содержание незамёрз-
шей воды в грунте превышает это значение в случае равновесного замерзания при одинаковой температуре. Наиболее вероятными объяснениями постепенности достижения равновесного значения незамёрзшей воды для данной температуры являются факторы, обусловленные релаксационным характером кинетики кристаллизации [2, 12], а также релаксациями возникающих во льду напряжений [2]. Помимо этого существуют данные о неравновесном процессе таяния грунта, однако они слабо выражены и в количественном отношении мало отличаются от таяния при равновесных условиях.
Для исследования процессов замерзания и оттаивания грунтов в равновесных и неравновесных условиях была разработана экспериментальная установка, основными элементами которой являются криостат и калориметр.
В качестве исследуемого грунта был выбран суглинок с влажностью 23,4% от общего веса. Характеристика исследуемого грунта представлена в табл. 1.
Солёность грунта определяется в первую очередь солёностью поровой воды, насыщающей грунт. Для получения данных о количественном содержании со-
1Григорьев Борис Владимирович, научный сотрудник, e-mail: [email protected] Grigoryev Boris, Research Worker, e-mail: [email protected]
ВЕСТНИК ИрГТУ №5 (76) 2013
61
лей, растворённых в поровой воде, был выделен ряд ионов, входящих в состав большинства водорастворимых солей (табл. 2). Суммарная минерализация поровой воды исследуемого в настоящей работе грунта составляет 1,346 г/л (определение массового содержания ионов проводилось на жидкостном ионном хроматографе).
Таблица 1
Размер частицы, б, мм Массовая доля, %
1-0,5 -
0,5-0,25 -
0,25-0,2 -
0,2-0,14 3
0,14-0,10 7
0,1-0,05 13
0,05-0,01 30
0,01-0,005 24
>0,005 23
Минерализация поровой воды
Таблица 2
Ионы Содержание, г/л
Хлорид (С1) 0,335
Сульфат (Б04) 0,351
Гидрокарбонат (НС03) 0,201
Натрий (№) 0,2
Калий(К) 0,072
Магний (Мд) 0,037
Кальций(Са) 0,15
Были проведены три серии экспериментов, две из них - вторая и третья, по стандартной методике, подробно описанной в статье [3]. В результате получены равновесная и неравновесная кривые содержания незамёрзшей воды при замерзании грунта. Остановимся подробнее на первой серии экспериментов, проведённых с целью получения кривой оттаивания. Каждый раз образец замораживался в криостате в течение 3,5-4 часов до одной и той же температуры (-12,5°С). Однако многократно заморозить образец до строго одинаковой температуры довольно сложно: этому не способствуют такие факторы, как инерционность термостатирующей жидкости, утечка тепла во внешнюю среду и др. Поэтому образец замораживался до температуры -12,5 - -13,5°С. Причиной выбора этого температурного интервала является тот факт, что при любой температуре этой области и ниже изменение содержания незамёрзшей воды минимально. Можно говорить о том, что почти вся оставшаяся влага есть прочносвязанная вода. А так как её содержание - величина крайне медленно изменяющаяся с понижением температуры, то в диапазоне температуры от -12,5 до -13,5°С можно предположить, что количество незамёрзшей воды не изменяется.
Особенностью калориметрического опыта в данном случае (рис. 1) является то, что калориметрическая жидкость (этиловый спирт) имеет отрицательную температуру. Оболочку калориметра в этом случае заполняют колотым льдом, чтобы поддерживать температуру в ней от 0 до 1°С в течение калориметрического опыта. Это необходимо для снижения влияния температуры окружающей среды на данные, получаемые в ходе опыта и, следовательно, на конечный результат.
12500
о
-2
-6
-10
-12
-14
13000
13500
Время,сек
14000 14500
15000
15500
16000
у 1
В
нпча льный период конеч!- ш период
\
4 \ главный ?риод
/ ^чА
А
Рис. 1. Калориметрический эксперимент при отрицательной температуре: ось абсцисс - время проведения эксперимента, с; ось ординат - изменение температуры Т, °С, в процессе проведения эксперимента; 1 - кривая изменения отрицательной температуры калориметрической жидкости в ходе эксперимента; 2 - кривая, показывающая поведение температуры образца грунта при нагреве от точки А, до которой он замораживался, до точки В - равенства
температур образца и калориметрической жидкости
По окончании начального периода замороженный образец опускают в калориметр (температура в котором по понятным причинам выше температуры образца), в результате чего происходит повышение температуры образца с одновременным понижением температуры калориметрической жидкости до некоторого одинакового значения (точка В). Далее следует конечный период.
Содержание льда, которое перешло в жидкую фазу в диапазоне температур от -13,5 до -3,85°С, рассчитываем, используя полученные в ходе калориметрического эксперимента данные, по уравнению:
К(¿0 )- Г1 - (Г2 \(сГ
(1)
QФ " |(св " СЛ )
где К - тепловое значение калориметра, кДж/К; сГ, сВ, сЛ, сБ - соответственно теплоёмкость сухого грунта, воды, льда и материала бюкса, кДж/кгК; тг, тВисх, тЛ, тБ - масса грунта, воды (исходная), льда и бюкса соответственно, кг; - теплота фазового перехода;
кДж/кг; \1Г1-1Г2\, (¿0 — ) - изменение температуры
образца и калориметрической жидкости в ходе эксперимента, °С.
Далее, зная массу льда (формула (1)) и величину влажности грунта в диапазоне температур от -12,5° до -13,5°С, найдем значение влажности грунта при его оттаивании при температуре -3,85°С:
тн = т^ + т
Л
(2)
где т - масса незамёрзшей воды в грунте при температуре в диапазоне -12,5°С--13,5°С, кг;
т - значение массы льда, найденное по формуле (1).
Для того чтобы выразить результат в долях единицы, необходимо рассчитать отношение найденного значения к величине исходной влажности грунта:
Ж =
тг
[д. ед]
(3)
т
Для расчета по формуле (2) необходимо знать величину содержания незамёрзшей воды в диапазоне -12.5°С- -13.5°С. Для её определения достаточно двух-, трёхкратного проведения эксперимента по стандартной методике при замораживании до -12.5°С; -13°С; и -13.5°С (рис. 2).
В ходе проведения экспериментов было установлено, что для исследуемого грунта температура начала замерзания, как и температура полного оттаивания, ниже нуля и составляет в среднем -0,2°С.
В каждой экспериментальной точке кривых 1 и 2 система «лёд - вода» в грунте находится в состоянии устойчивого термодинамического равновесия, так как, в противном случае, указанные результаты и их сравнительный анализ не имели бы смысла.
Представленные на графике данные (см. рис. 2) подтверждают высказанное в работе [11] мнение о наличии гистерезиса в содержании воды между двумя разными направлениями изменения температуры грунта - замораживании и оттаивании. Тем самым подтверждается факт таяния льда в мерзлом грунте при повышении температуры в отрицательной области. При этом содержание незамёрзшей воды при одной и той же отрицательной температуре для кривой 1 заметно меньше, чем для кривой 2.
Рис. 2. Кривые содержания незамёрзшей воды, при различных направлениях изменения (росте или уменьшении) температуры грунта Т: 1 - нагрев мерзлого грунта при равновесных условиях; 2 - замораживание при равновесных условиях в течение 4, 3 ч; 3 - замораживание при неравновесных условиях в течение 40 мин
Превышение количества незамёрзшей воды в цикле замерзания по сравнению с циклом оттаивания связано, по мнению Б.А. Савельева [7], с влиянием менисковых сил на процесс промерзания. Поверхностное натяжение менисков воды в ультракапиллярах уменьшает её промерзание, что приводит к некоторому увеличению содержания жидкой фазы. При обратном направлении изменения температуры, т.е. при её повышении, происходит частичное таяние льда, при этом влияние менисковых сил исключается [8].
Сравнение кривых 2 и 3 указывает на неравновесный характер замерзания воды в грунте в случае кривой 3. Известно, что равновесное значение незамёрзшей воды устанавливается не сразу после замерзания грунта и достижения в нём отрицательной температуры, равной температуре окружающей среды, а спустя ещё некоторое время. Одной из наиболее вероятных причин, объясняющих это явление, как считает О.Я. Самойлов [2], является тот факт, что замерзанию части связанной воды, которая при рассматриваемой температуре может кристаллизоваться, должна предшествовать перестройка её структуры в льдоподоб-ную. Но для связанной воды с иной структурой необходимо какое-то время, чтобы нарушенная структура преобразовалась в льдоподобную. Уменьшение разрыва между значениями с понижением температуры связано, прежде всего, с эффектом перераспределения влаги за счёт её локальной миграции. Чем ниже отрицательная температура, тем менее выражен данный эффект и, согласно мнению авторов работы [2], количество незамёрзшей воды быстро достигает практически постоянных значений при более низких температурах замораживания.
Высокое содержание незамёрзшей воды в суглинке, казалось бы, противоречит известной зависимости удельной активной поверхности Буд от WНЗ, так как данные о содержании WНЗ, полученные для суглинка, на большей части температурного интервала равны и даже несколько больше значений WНЗ, полученных для глины при аналогичных значениях температуры [3]. Согласно известной классификации, представленной в работе [1], у глины размер частиц в среднем меньше чем у суглинка, соответственно >0,005 мм и 0,05-0,005 мм. Исходя из этого, удельная активная поверхность глины (для выделенного объёма грунта) превосходит этот параметр для суглинка. Учитывая данный факт, следовало бы ожидать результата, про-
тивоположного полученному в ходе экспериментов. Причина этого кроется в высоком содержании в суглинке, помимо частиц размерами от 0,05 до 0,005 мм, коллоидных частиц [10]. Их присутствие было установлено в ходе проведения пробоподготовки для определения солевого состава поровой воды, согласно которой грунт в соотношении 1:5 разбавлялся дистиллированной водой, после чего двухкратно фильтровался для получения прозрачной водной вытяжки. Однако даже после четырехкратного фильтрования вытяжки через фильтровальную бумагу, сложенную вдвое, не удалось достичь прозрачности полученной вытяжки. Длительное отстаивание также не принесло результатов. Всё дело в том, что коллоидные частицы по размерам значительно меньше пор обыкновенной фильтровальной бумаги, поэтому они легко проходят через фильтр [6]. Устойчивая мутность вытяжки и отсутствие осадка объясняется тем, что коллоидные частицы находятся в состоянии броуновского движения и вследствие этого под действием силы тяжести не оседают, они равномерно распределены по всему объёму растворителя [9]. Данное утверждение подкрепляется ещё и тем, что среди неорганических коллоидных систем наиболее распространены такие, устойчивость золей [4] которых определяется поверхностной гидратацией, то есть адсорбцией воды. Такие коллоиды являются гидрофильными. Гидрофильные золи образуют кремниевая кислота, гидрат окиси алюминия и др. [9]. Учитывая тот факт, что общая поверхность коллоидных частиц велика, это является исчерпывающим объяснением того, почему содержание незамёрзшей воды в суглинке превосходит данный показатель для глины.
Таким образом, по результатам проведённых экспериментов можно сделать следующие выводы:
1. Установлен факт неравновесного замерзания влажного суглинка и тенденция снижения степени неравновесности при уменьшении температуры.
2. Получены данные о наличии гистерезиса в значениях незамёрзшей воды между двумя направлениями изменения температуры - замораживание и нагрев. Максимальные отличия наблюдаются при высоких отрицательных температурах - -2°С --0,2°С.
3. Установлена вероятная причина высокого содержания незамёрзшей воды в суглинке, сопоставимого с данными для глины. Обладая малой процентной долей, коллоидные частицы способны связать большое количество поровой воды.
Библиографический список
1. Ананьев В.П., Потапов А.Д. Инженерная геология: учебник для строительных специальностей вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2002. 511 с.
2. Гречищев С.Е., Чистотинов Л.В., Шур Ю.Л. Криогенные физико-геологические процессы и их прогноз. М.: Недра, 1980. 383 с.
3. Григорьев Б.В., Шабаров А.Б. Экспериментальное исследование промерзания-оттаивания грунтов в неравновесных условиях // Вестник Тюменского государственного университета. 2012. № 4. С. 53-60.
4. Краткая химическая энциклопедия. Т. 2. М.: Советская энциклопедия, 1963. 110 с.
5. Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной гео-
логии. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1968. 632 с.
6. Надеинский Б.П. Теоретические обоснования и расчеты в аналитической химии: учеб. пособие для химико-технологических вузов и факультетов. 3-е изд. М.: Высш. шк., 1959. 444 с.
7. Общее мерзлотоведение /АН СССР, Институт мерзлотоведения; ред.: П.И. Мельников, Н.И. Толстихин. Новосибирск: Наука, 1974. 292 с.
8. Савельев Б.А. Физико-химическая механика мерзлых пород. М.: Недра, 1989. 211 с.
9. Селезнев К. А. Аналитическая химия: Качественный полумикроанализ и количественный анализ: учебник для студентов медицинских институтов. 2-е изд. М.: Высш. шк.,
Науки о Земле
1966. 312 с.
10. Стерман Л.С., Покровский В.Н. Физические и химические методы обработки воды на ТЭ^ учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1991. 328 с.
11. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов: общая и при-
кладная: учеб. пособие для инженерно-строительных вузов. М.: Высш. шк., 1973. 446 с.
12. Чистотинов Л.В. Миграция влаги в промерзающих нево-донасыщенных грунтах. М.: Наука, 1973. 144 с.
