Исследование содержания незамерзшей воды в грунтах методом кинетики кристаллизации

Годы эксплуатации

Рис. 3. Теплопритоки в камеру в зависимости от толщины теплоизоляционного слоя на дневной поверхности

в камере за первые 10 лет эксплуатации при разных вариантах управления теплообменом на дневной поверхности: расчистка снега зимой и теплоизоляция поверхности летом. Расчеты проведены при толщине теплоизоляции 0,2 м с коэффициентом теплопроводности 0,1 Вт/(мК). Теплоизоляция осуществляется сезонно на период, когда температура атмосферного воздуха выше -8°С.

Расчеты показали, что при удалении зимой снега на дневной поверхности тепловые нагрузки на холодильное оборудование снижаются максимально (в 10-м году эксплуатации) на 48%, температура в камере опускается с -3,5 до -4,7°С, а если при этом оградить дневную поверхность от солнечной радиации, то соответственно до 54% и до -5°С. Дополнительное использование в теплое время года теплоизоляции на дневной поверхности над камерой доводит снижение тепловых нагрузок на холодильное оборудование до 61%, температуры в камере до -5,5°С.

На рис. 3 представлена динамика изменений теплопритоков в камеру за первые 10 лет эксплуатации при разной толщине теплоизоляции, возводимой в теплое время года. Расчеты показывают, что применение теплоизоляции толщиной 0,2 м в 10-м году эксплуатации сокращает тепловые нагрузки на холодильное оборудование на 16%, а толщиной 0,8 м - на 34%.

Заключение

Исследования показали, что путем управ ле-ния теплообменом на дневной поверхности можно добиться существенного сокращения тепловых нагрузок на холодильное оборудование, обеспечивающее стабильный температурный режим подземного криохранилища.

В целях повышения энергоэффективности эксплуатации подземного криохранилища рекомендуется дневную поверхность над камерой:

- зимой освобождать от снежного покрова;

- в теплое время года (когда температура атмосферного воздуха выше температуры хранения биомассы) теплоизолировать максимально возможным способом от теплового влияния атмосферного воздуха;

- оградить от солнечной радиации.

Работа выполнена в рамках Междисциплинарного интеграционного проекта фундаментальных исследований СО РАН № 7.

Литература

1. Курилко А.С., Хохолов Ю.А., Романова Е.К., Киселев В.В. Закономерности формирования температурного режима подземного криохранилища в условиях вечной мерзлоты // Наука и образование. -2012. - №1. - С. 20-24.

Поступила в редакцию 07.02.2013

УДК 551.343.74

Исследование содержания незамерзшей воды в грунтах методом кинетики кристаллизации

Е.Г. Старостин, Е.Е. Петров

Представлены результаты исследования содержания незамерзшей воды в грунтах методом кинетики кристаллизации. В исследованном интервале температуры выявлена сильная зависимость содержания незамерзшей воды от общей влажности.

Ключевые слова: грунты, поровая вода, кристаллизация, кинетика, незамерзшая вода, температура начала замерзания, термограмма.

СТАРОСТИН Егор Гаврильевич - д.т.н., в.н.с. ИФТПС СО РАН, e.g.starostin@iptpn.ysn.ru; ПЕТРОВ Егор Егорович - д.т.н., проф. каф. Института математики и информатики СВФУ.

The results of the study of unfrozen water content in soils by the crystallization kinetics method are presented. Unfrozen water content is found to depend to a great extent on the total moisture in the taken temperature range.

Key words: soils, porous water, crystallization, kinetics, unfrozen water, freezing temperature, thermogram.

Повышение температуры горных пород крио-литозоны в результате климатических изменений и техногенных воздействий может привести к полной и частичной потере несущей способности мерзлых грунтов оснований зданий и сооружений. Тем более, что это все происходит на фоне все усиливающегося засоления грунтов. В свете этого актуальными являются исследования фазового состояния воды в мерзлых горных породах в интервале вблизи температуры начала замерзания.

Именно при изменениях в этой области температуры происходят в основном формирование и потеря несущей способности грунтов. Миграция воды и связанное с ней пучение грунтов также определяются резкими изменениями свойств грунта в этом интервале температуры.

Несмотря на важность исследований закономерностей формирования фазового состояния воды в мерзлых горных породах вблизи температуры начала ее замерзания явно недостаточно. Это, во многом, объясняется сложностями экспериментальных измерений в данном интервале температуры. Такие исследования предполагают очень точное термостатирование. Даже колебания температуры в 0,1 °С могут вызывать недопустимую погрешность измерений. Это связано с тем, что в этой области даже незначительные изменения температуры вызывают интенсивные фазовые переходы. Это, в свою очередь, становится причиной резких изменений всех свойств грунтов.

Особенности тех или иных методов исследования также могут становиться препятствием для получения данных в этой области температуры. Например, в методе непрерывного нагрева трудности возникают вследствие появления в образце фронта фазового перехода [1].

Исследования кинетики кристаллизации по-ровой воды и связанных с ней процессов во влажных дисперсных средах, в том числе в грунтах, проводятся давно. В последнее время наблюдается всплеск интереса исследователей к данной проблеме [2-9]. Разработанный нами метод определения фазового состава воды при отрицательных температурах по кинетике кристаллизации позволяет измерять количества не-замерзшей воды вблизи температуры начала замерзания.

Расчет баланса теплоты при кристаллизации воды при скачке температуры после переохлаждения позволяет рассчитать фазовый состав во-

ды при температуре, достигаемой в конце скачка. Исходя из этого, разработан новый метод определения содержания незамерзшей воды и льдистости в горных породах, строительных материалах [10, 11].

Сущность метода заключается в следующем. Исследуемый образец, содержащий как один из компонентов воду, охлаждают до достижения состояния переохлаждения воды. В переохлажденном состоянии поддерживают до сведения к минимуму перепадов температуры в образце и спонтанной кристаллизации воды. Если не происходит спонтанной кристаллизации, то ее вызывают внешним, например, механическим, воздействием. Кристаллизация (зародышеобра-зование) воды начинается при температуре переохлаждения и сопровождается выделением теплоты кристаллизации. В результате этого наблюдается рост температуры. Изменение температуры образца во время проведения эксперимента (термограмма) показано на рис. 1. При температуре начала равновесной кристаллизации появившийся лед и оставшаяся в жидком состоянии вода приходят в равновесие друг с другом. Дальнейшая кристаллизация воды продолжается при понижении температуры. Таким образом, в начальном этапе кристаллизации воды происходит скачок температуры образца от температуры переохлаждения Т.с до температуры начала равновесной кристаллизации воды Тсг (рис. 1).

В течение всего процесса охлаждения образца и последующей кристаллизации воды непрерывно измеряют температуру образца. Величину переохлаждения регулируют температурой окружающей среды или выбором момента времени внешнего воздействия, вызывающего кристаллизацию. Составляют тепловой баланс начального этапа кристаллизации поровой воды, используя разность температур переохлаждения

273

Т„

271

269 Тх 267

0 500 1000 1500

т, с

Рис. 1. Термограммы замерзания воды в грунтах

и начала равновесной кристаллизации, и по нему рассчитывают содержание незамерзшей воды и льдистости при температуре начала равновесной кристаллизации.

Тепловой баланс кристаллизации, начинающейся при температуре переохлаждения до достижения температуры, начала равновесной кристаллизации имеет вид

-Ь-С - с УГо - Т )]йт =

= т^С^йТ + тС^йТ + (т0 - ш)С^Т,

где т.с - масса скелета грунта; т - масса неза-мерзшей воды при температуре Т; т0 - общая масса воды; С.с, С„ и С^ - теплоемкости скелета грунта, воды и льда соответственно; Ь - теплота кристаллизации воды при температуре Т0.

Интегрирование уравнения (1) от температуры переохлаждения Т.с, при которой вся вода находится в жидком состоянии, до температуры начала равновесной кристаллизации Тсг дает

тсСс + т0С, + т1(С^ - Сг ) = тсСс + тоС^

= ь-С - с )(Т0 - Тс) ь-С - С )(То - Тсг)' где т1 - масса незамерзшей воды при температуре Тсг.

Отсюда, учитывая, что общая влажность Щ и влажность Щ/, определяемая водой, остающейся в талом состоянии при температуре Тсг, рав-

т т ны Ж0 =- и Жиг =-, получим формулу для

Щс т,с

расчета содержания незамерзшей воды при температуре Тсг

Wf {Tcr ) =

1

C, - C

C + W0Cw )x

L-

-c -WC

Csc n0Ci

Для расчета содержания незамерзшей воды по формуле (2) необходимо в ходе эксперимента измерить температуру переохлаждения Тхс, температуру начала равновесной кристаллизации воды Тсг и влажность Ж0 .

Таким образом, предлагаемый метод позволяет определить содержание незамерзшей воды и льдистость в грунтах и строительных материалах при отрицательных температурах. Применение метода позволяет, по сравнению с калориметрическим методом и методом непрерывного нагрева, повысить точность определения фазового состава воды в дисперсных средах вблизи температуры начала замерзания.

Экспериментальная установка состоит из термокамеры, позволяющей задавать и поддерживать отрицательную температуру, измерительной ячейки с образцом, термодатчиков и компьютерно-измерительной системы «Акса-мит-6.25».

При разработке методики проведения измерений сформулированы требования к измерительной ячейке: сохранение влажности в течение нескольких циклов замораживания-оттаивания и восстановление однородной текстуры образца после каждого цикла замораживания-оттаивания. Исходя из этих требований апробировано несколько вариантов конструкции измерительной ячейки. В результате проведения контрольных экспериментов выбран вариант измерительной ячейки из полимерной пленки с одним термодатчиком в центре образца.

Образец грунта замораживался в ячейке в термокамере МК-53 фирмы «Binder», которая позволяет с большой точностью задавать температуру до -50°С. При проведении экспериментальных исследований непрерывно измерялась температура образца. Измерение температуры и сохранение данных проводились в автоматическом режиме с использованием компьютерно-измерительной системы «Аксамит-6.25» и персонального компьютера.

Нужно отметить простоту экспериментальной установки, реализующей предлагаемый метод. В ходе эксперимента измеряются только температура и влажность образца, что осуществляется современными средствами измерения достаточно просто и с высокой точностью.

Проведены исследования содержания неза-мерзшей воды в покровском суглинке с влажностью: 16,3; 21,1; 27,2 и 30,1%. Получены экспериментальные данные по температурной зависимости незамерзшей воды в суглинке вблизи температуры начала замерзания в зависимости от влажности (рис. 2).

Рис. 2. Температурная зависимость содержания незамерз-шей воды в суглинке с общей влажностью: 1 - 16,3%; 221,1%; 3 - 27,2%; 4 - 30,1%

Полученные экспериментальные данные сопоставлены с результатами исследования фазового состава воды в горных породах методом непрерывного ввода тепла. На рис. 3 приведены результаты исследования содержания неза-мерзшей воды в суглинке обоими методами. Видно, что совместное использование данных методов позволяет получить данные в широком интервале температуры включая область вблизи 0°С.

Несмотря на большое количество исследований фазового состава воды в разных горных породах и дисперсных материалах, нет единой точки зрения в вопросе о влиянии общего вла-госодержания в них на содержание незамерзшей воды. В ранних исследованиях преобладало мнение, что содержание незамерзшей воды в грунтах и дисперсных материалах не зависит от общего влагосодержания или, если даже и существует такая зависимость, то она является незначительной и ею можно пренебречь [1219].

Данное положение до сих пор является довольно распространенным [20, 21] и закладывается в основу как экспериментальных методов исследования [20, 22], так и математического моделирования процессов тепло- и массопере-носа в дисперсных средах при отрицательных температурах [23-25].

Противоположная точка зрения, что содержание незамерзшей воды ощутимо зависит от общего влагосодержания, также имеет место быть и подтверждается большим количеством исследований [20, 26-28]. Особенно это касается исследований с использованием метода ЯМР [29, 30].

Результаты измерений подтверждают, что зависимость содержания незамерзшей воды от общей влажности четко проявляется и в интервале температуры, в котором проводятся эксперименты данным методом (рис. 3).

30 -д

4 9

25- 3 Л

2 л

20  >

5>--------

0 -1-1-1-1-

-5 -4 -3 -2 -1 0

Т,°С

Рис. 3. Температурная зависимость содержания незамерз-шей воды в суглинке с общей влажностью: 1 - 16,3%; 2 -20,6%; 3 - 27,2%; 4 - 30,1%. Сплошные кривые - содержание незамерзшей воды в суглинке, полученные методом непрерывного нагрева. Общая влажность: 5 - 17,0%; 6 - 20,6%

Следует указать, что использование таких методов определения содержания незамерзшей воды, как контактный, криоскопический, ад-сорбционно-гигроскопический [20, 22], не может выявить эту зависимость. Эти методы, на самом деле, устанавливают зависимость температуры начала замерзания от общего влагосо-держания и основаны на предположении идентичности данной зависимости с кривой содержания незамерзшей воды. Методы, основанные на улавливании температуры появления или исчезновения льда [31], также не могут быть использованы для исследования зависимости содержания незамерзшей воды от общей влажности.

В отличие от них предлагаемый метод позволяет исследовать зависимость содержания неза-мерзшей воды от общей влажности. Это подтверждают и результаты настоящих исследований.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 09-05-98504).

Литература

1. Степанов А.В., Тимофеев А.М. Теплофизиче-ские свойства дисперсных материалов. - Якутск: Якутский научный центр СО РАН, 1994. - 124 с.

2. Гречищев С.Е., Павлов Арк.В., Шешин Ю.Б., Гречищева О.В. Экспериментальные закономерности формирования переохлаждения поровой влаги при объемном замерзании дисперсных грунтов // Крио-сфера Земли. - 2004. - Т. VIII, № 4. - С. 41-44.

3. Гречищев С.Е., Павлов Арк.В., Гречищева О.В. Закономерности формирования переохлаждения по-ровой влаги при объемном замерзании дисперсных грунтов // Материалы Третьей конференции геокриологов России. Т. 1. - М.: Изд-во МГУ, 2005. - С. 38-45.

4. Гречищев С.Е., Павлов Арк.В., Гречищева О.В. Закономерности предкристаллизационного переохлаждения поровой влаги дисперсных грунтов в градиентном поле температур // Криосфера Земли. -2006. - Т. 10, №4. - С. 56-58.

5. Павлов Арк.В. Лабораторные исследования объемной кристаллизации поровой влаги в зоне приповерхностного охлаждения дисперсных пород // Материалы Третьей конференции геокриологов России. Т. 1. - М.: Изд-во МГУ, 2005. - С. 83-86.

6. Chevalier D., Le Bail A., Ghoul M. Freezing and ice crystals formed in a cylindrical food model: part II. Comparison between freezing at atmospheric pressure and pressure-shift freezing // Journal of Food Engineering. - 2000. - Vol. 46. - P. 287-293.

7. Fen-Chong T., Fabbri A. Freezing and thawing porous media: experimental study with a dielectric capacitive method // Comptes Rendus Mecanique. - 2005. -Vol.333. - P. 425-430.

w„,%

At

3 i

8. Fuller M.P., Wisniewski M. The use of infrared thermal imaging in the study of ice nucleation and freezing plants // J. Therm. Biol. - 1998. - Vol. 23, № 2. -P.81-89.

9. Watanabe K. Relationship between growth rate and supercooling in the formation of ice lenses in a glass powder // Journal of Crystal Growth. - 2002. - Vol. 237-239. - P. 2194-2198.

10. Старостин Е.Г. Определение количества не-замерзшей воды по кинетике кристаллизации // Криосфера Земли. - 2008. - № 2. - С. 60-64.

11. Старостин Е.Г. Патент на изобретение №2339024 «Способ определения фазового состава воды в дисперсных средах при отрицательных температурах». - Заявка 2007101011/28 (001058) от 09.01.2007.

12. Бакулин Ф.Г. Льдистость и осадки при оттаивании многолетнемерзлых четверичных отложений Воркутинского района. - М.: Изд-во АН СССР, 1958.

- 96 с.

13. Вотяков И.Н. Связь между содержанием не-замерзшей воды в мерзлых грунтах и гигроскопической влажностью грунта // Изв. Сиб. отд. АН СССР.

- 1960. - № 3. - С. 16-23.

14. Гаврильев Р.И. Определение температурной зависимости удельной эффективной теплоемкости промерзающих и протаивающих грунтов и количества незамерзшей воды в них по одному опыту // Методы определения тепловых свойств горных пород. -М.: Наука, 1970. - С. 16-24.

15. Иванов Н.С. Тепло- и массоперенос в мерзлых горных породах. - М.: Наука, 1969. - 240 с.

16. Лиштван И.И., Бровка Г.П., Давидовский П.Н. Исследование фазового состава воды в торфе при низких температурах // Коллоидный журн. - 1979. -Т.41, № 6. -С. 1095-1099.

17. Нерсесова З.А., Цытович Н.А. Незамерзшая вода в мерзлых грунтах // Доклады на Междунар. конф. по мерзлотоведению. Секция 4. Фазовые равновесия и превращения. - М.: Изд-во АН СССР, 1963. - С. 62-70.

18. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. -М.: Высшая школа, 1973. - 448 с.

19. Hoekstra P. Moisture Movement in Soils under Temperature Gradients with the Cold - Side Temperature below Freezing // Water Resources Research. -1966. - Vol. 2, № 2. - P. 241-250.

20. Ершов Э.Д., Акимов Ю.П., Чеверов В.Г. и др. Фазовый состав влаги в мерзлых породах. - М.: Изд-во МГУ, 1979. - 190 с.

21. Fukuda M., Kim H. S., Kim Y. Ch. Preliminary result of frost heave experiments using standart test sample provided by TC8 // Ground Freezing 97. - Rotterdam, Balkema, 1997. - P. 25-30.

22. Гречищев С.Е., Чистотинив Л.В., Шур Ю.Л. Основы моделирования криогенных физико-геологических процессов. - М.: Наука, 1984. - 232 с.

23. Бровка Г.П. Тепло- и массоперенос в природных дисперсных системах при промерзании. -Минск: Наука и техника, 1991. - 192 с.

24. Пермяков П.П. Идентификация параметров математической модели тепловлагопереноса в мерзлых грунтах. - Новосибирск: Наука, 1989. - 88 с.

25. Фельдман Г.М. Передвижение влаги в талых и промерзающих грунтах.- Новосибирск: Наука, 1988.

- 258 с.

26. Старостин Е.Г., Тимофеев А.М. Зависимость количества незамерзшей воды от общего влагосо-держания // Исследования по теплофизическим проблемам Севера: сборник научных трудов конференции, посвященной памяти Н.С. Иванова. - Якутск, 1999. - С. 88-96.

27. Тимофеев А.М., Старостин Е.Г. Экспериментальное определение теплоты кристаллизации связанной воды // Изв. вузов. Приборостроение. - 2003.

- Т.46, № 3. - С. 62-68.

28. Starostin E.G., Timofeev A.M. Dependence of unfrozen water quantity on total moisture content // Ground Freezing 97. - Rotterdam, Balkema, 1997. - P. 161-164.

29. Ананян А.А., Волкова Е.А., Голованова Г.Ф. Некоторые результаты исследования фазового состава воды в мерзлых тонкодисперсных горных породах методом ЯМР // Инженерное мерзлотоведение. -Новосибирск: Наука, 1979. - С. 128-133.

30. Tice A.R., Burrous C.M., Anderson D.M. Determination of unfrozen water in frozen soil by pulsed Nuclear magnetic Resonance // Proc. 3rd Int. Conf. Permafrost. Edmonton. - Vol. 1. - Ottawa, 1978. - P. 149-155.

31. Mironov V.L., Lukin Yu.I. A physical model of dielectric spectra of thawed and frozen bentonitic clay within the frequency range from 1 to 15 GHs // Russian Physics Journal. - 2011. - Vol. 3, № 9. - P. 956-961.

Поступила в редакцию 03.08.2012