Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Теплофизические свойства и фазовый состав влаги мерзлых засоленных дисперсных пород

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Теплофизические свойства и фазовый состав влаги мерзлых засоленных дисперсных пород"

Го сд

I 3 МАЙ Ш7

На правах рукописи УДК 551.345 (550.362)

МОТЕНКО Римма Григорьевна

ТЕШГОИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ВЛАГИ МЕРЗЛЫХ ЗАСОЛЕННЫХ ДИСПЕРСНЫХ ПОРОД

Специальность 04.00.07-инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва - 1997

Работа выполнена на кафедре геокриологии Геологического факультета Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова

Научные руководители:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Ершов Эдуард Дмисрнешм; кандидат технических наук, Комаров Илья Аркадьевич

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук,

профессор Гречищев С.Е.;

кандидат технических наук Нровнк Я.А.

Ведущая организация:

Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС)

Защита состоится "16" мая 1997 года в 4 С час. 30 мин. на заседании диссертационного ученого совета по защите кандидатских диссертаций по инженерной геологии, мерзлотоведению и грунтоведению К 053.05.06 в Московском Государственном Университете им.М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, Геологический факультет, аудитория 829

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Геологического факультета МГУ, сектор А, 6 этаж

Автореферат разослан 16 апреля 1997г.

Ученый секретарь /

диссертационного совета ( .,

доктор геолого-минералогических наук4^-

В.Ы. Соколов

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМ!. Хозяйственное освоение территорий, заня-гых многолетне- и сезонноыерзлыми породами с морским и континентальным типом засоления, связано с гражданским и промышленным строительством, разработкой месторождений полезных ископаемых, сельскохозяйственным производством. В процессе такого освоения может происходить и техногенное засоление пород, которое обусловливает необходимость разработки природоохранных мероприятий. Кондиционность геокриологического прогноза и точность оценки интенсивности теплового и механического взаимодействия массивов пород с различного рода сооружениями во многом определяются качеством вводимой информации о теплофизических свойствах горных пород, фазовом составе влаги в них, величине температуры замерзания (оттаивания).

Экспериментальное исследование этих параметров и свойств засоленных пород требует определенной модификации существующих методик, применяемых для незасоленных пород, создания новых методик опытного изучения, определенной специфики при интерпретации полученных результатов. Закономерности изменения изучаемых свойств от состава, строения и условий их формирования представляют и несомненный самостоятельный интерес для решения проблем формирования состава, строения и свойств пород в ходе их естественно-исторического развития, нахождения корреляционных связей с другими свойствами для разработки методов прогноза и управления свойствами пород.

Основной ЦЕЛЫ) данной работы является разработка серии комплексных методик по определению теплофизических свойств, фазового состава влаги и температуры замерзания засоленных дисперсных пород и выявление закономерностей их изменения в породах различного состава и свойств. В соответствии с этим необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать новые и модифицировать существующие методики по исследованию теплофизических свойств и фазового состава влаги применительно к засоленным грунтам.

2. Провести экспериментальные исследования этих свойств на грунтах разного состава в талом и мерзлом состоянии при искусственным засолении.

3. Выявить закономерности изменения теплофизических свойств, Базового состава и температуры замерзания от дисперсности, минерального состава, влажности пород, количественного и качественного состава солей в широком диапазоне температур с учетом природы криокрис-

- 2 -

таллизации порового раствора соли.

4. Провести обобщение экспериментальных данных и разработат предложения к СНйП 2.02.04-88 по определению теплофизических свойст засоленных пород.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в следующем:

Проведено комплексное исследование температуры замерзания (от таивания), фазового состава влаги и теплофизических свойств засолен ных дисперсных пород, которое позволило получить следующие научны результаты:

1. Разработаны две новые и модифицированы четыре существующи методики применительно к исследованию теплофизических свойств, фазо вого состава влаги засоленных пород.

2. Выявлены закономерности изменения коэффициентов тепло-температуропроводности засоленных грунтов в зависимости от дисперс ности, минерального состава, влажности, засоленности , температур и условий образования криогидрата.

3. Получены температурные зависимости теплоемкости и энталыш мерзлых пород и их компонентов в диапазоне температур от -100 д +Ю0°С.

4. Впервые зафиксирован и интерпретирован тепловой эффект обра зования криогидрата в засоленных мерзлых грунтах при температурах близких эвтектической температуре данного раствора соли в объеме.

5. Выявлены закономерности изменения фазового состава влаги температуры замерзания дисперсных пород различного гранулометричес кого и минерального состава, искусственно засоленных хлоридами, нит ратами, сульфатами, карбонатами, с учетом возможности образовали криогидрата.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ диссертационной работы заключается в том что на основе полученных непосредственно при участии автора экспери ментальных результатов и анализа литературных данных проведено обоб щение и составлены предложения, рекомендуемые в качестве дополнени к СНиП 2.02.04-88 по определению теплофизических свойств засоленны грунтов. Результаты выполненных исследований по фазовому состав влаги, по теплофизическим свойствам и температурам замерзания засо ленных грунтов могут быть использованы для повышения точности прог ноза большого ряда мерзлотно-геологических процессов, протекающих породах морского и континентального типов засоления, при рассмотре нии экологических проблем, вызванных техногенным засолением грунто и талых вод при хозяйственном освоении криолитозоны, и могут найт

приложение в ряде смежных наук: почвоведении, агрофизике, планетологии и т.д.

Ряд методических разработок и результаты экспериментальных исследований используются при чтении лекций и проведении практических занятии по курсам: "Общая геокриология", "Инженерное мерзлотоведение", "Петрография мерзлых пород", "Физико-химия и механика мерзлых пород", "Динамическая геокриология", а также нашли свое отражение в изданных монографиях и учебниках, при выполнении дипломных и курсовых студенческих работ. Установки и методики по определению теплофи-зических характеристик и фазового состава влаги на сегодняшний день широко применяются на кафедре геокриологии Геологического факультета МГУ при выполнении научно-исследовательских госбюджетных и хоздоговорных работ; в частности, разработанная методика по исследованию теплофизических свойств и фазового состава влаги засоленных грунтов была использована для широкого исследования мерзлых и талых грунтов естественного сложения и засоления по трассе перехода газопровода Ямал-Центр через Байдарацкую губу.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. В основу диссертации положены результаты экспериментальных исследований, выполненных лично автором или при его непосредственном участии на кафедре геокриологии Геологического факультета МГУ. В ходе исследований диссертантом были отработаны экспериментальные методики, проведено свыше 1000 экспериментов по исследованию теплофизических характеристик, фазового состава и температуры замерзания (оттаивания) засоленных дисперсных грунтов разного гранулометрического и минерального состава; проведен их анализ и обобщение результатов по исследованию теплофизических свойств засоленных грунтов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации апробированы на научно-практических конференциях г.Чита, 1987г., г.Благовещенск, 1986г., на 14 Советско-Американской рабочей встрече по планетологии, Москва 1991г., на 5 интернациональном симпозиуме по мерзлым грунтам в Ноттингеме 1988г., на II Всезоюзном симпозиуме "Термодинамика в геологии", г.Миасс,1988, на первой конференции геокриологов России, Москва, 1996г., на научных семинарах кафедры геокриологии геологического факультета МГУ.

За время работы по данной теме автором опубликовано 14 научных статей.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа объемом страниц машинописного текста содержит 5 таблиц, 3 2. рисунков и состоит из введе-

ния, 7 глав, выводов и списка литературы, который включает наименований.

В основу работы положены результаты экспериментальных исследо ваний, выполненных на кафедре геокриологии Геологического факультет; МГУ с 1986 по 1996 гг под научным руководством доктора геолого-мине ралогических наук профессора Ершова Э.Д. и к.т.н. Комарова И.А., ко торым автор выражает особую признательность.

Автор выражает искреннюю благодарность доктору геол.-мин. нау Зыкову Ю.Д., кандидату геол.-мин. наук Чевереву В.Г. за ценные сове ты и внимание к работе, научному сотруднику кафедры минералоги Мельчаковой Л.В. за организацию и проведение экспериментальных рабо методом ДТА, сотрудникам кафедры геокриологии Смирновой H.Н. за по мощь в проведении экспериментов и интерпретации научных данных и пр оформлении работы, Гамалее A.B., Громову А.Ю., Обухову В.К. за со действие при подготовке и проведении экспериментов, Шаталовой Т.Ю. Гордеевой Н.В., Журавлеву И.И. за помощь при подготовке рукописи оформлении работы.

Глава 1. Современное состояние вопроса об исследования! влияни засоленности на теплофизические свойства и фазовый состав влаги мерзлых пород

В последнее время растет интерес к специальным исследования как естественно засоленных, так и искусственно засаленных грунтов Исследованием влияния засоления на температуру замерзания, формиро вание фазового состава влаги и теплофизические свойства дисперсны пород в разные годы занимались Акимов Ю.П., Аксенов В.И., Барковска E.H., Брушков A.B., Бровко Г.П., Бронфенбренер Л.Е., Боженова А.П. ВеллиЮ.Я., Гречищев С.Е., Григорьева В.Г., Гришин П. А., Далмато Б.П., Ершов Э.Д., Зыков Ю.Д., Карлов В.Д., Комаров И.А., Крони Я.А., Ласточкин B.C., Лосева С.Г., Маслов А.Д., Минкин М.А., Моло чушкин Е.П., Ошурков Н,В., Павлов Арк., Пономарев В.В., Пантелее Б.П., Пекарская П.П., Петрухин Ю.С., Пусков В.И., Роман Л.Т., Рома ненко И.И., Смирнова H.H., Тяжлов Б.П., Ухов С.Б., Фролов А.Д., Ха ринаМ.Г., Чапаев A.A., Чеверев В.Г., Чистотинов Л.В., Чистотинов Л.Т., Шейкин И.В., Шевченко Л.В., Шнитко Е.В., Яркин А.П., Воцуоисо G.Y., Osterkamp, B.Braun, M. Anil, E. Brian и др.

Основное внимание в главе уделено рассмотрению результатов исс ледований, в которых изучение теплофизических свойств совмещалось исследованиями фазового состава влаги. Опытные определения, проводи лись на грунтах различного состава и строения с искусственным и ее

тественным засолением. Они показали неоднозначность влияния засоления на значения теплофизических свойств мерзлых грунтов. Анализ влияния состава, строения и свойств горных пород на исследуемые свойства показал, что существенное влияние оказывает дисперсность, минеральный состав, влажность, плотность грунтов, концентрация и состав растворенной соли. Однако однозначная интерпретация результатов затруднена различием в методиках и разнообразием задания параметров засоления. Ряд вопросов осталось не решенным, в частности:

1. оценка границ применимости экспериментальных методик, связанных со спецификой исследования засоленных грунтов;

2. исследование свойств в широком диапазоне температур для лучшего понимания природы их формирования;

3. исследование влияния сульфатов, нитратов, карбонатов на свойства пород, поскольку основное внимание в работах было уделено хлоридам, что нашло свое отражение в СНиП (рекомендованные значения содержания незамерзшей воды и температуры начала замерзания даны в соответствии с хлоридна-натриевым засолением);

4. остался вне поля зрения вопрос о специфике поведения термограмм замерзания-оттаивания грунтов, закономерности изменения тепло-физических свойств и фазового состава влаги при эвтектических температурах.

Современные методы определения фазового состава и теплофизичес-ких свойств примененительно к засоленным мерзлым породам требуют дополнительных теоретических проработок, разработки новых и модификации существующих методик с оценкой пределов их применимости. Наиболее перспективными для определения теплопроводных свойств являются методы, основанные на использовании нестационарного теплового режима, в частности, методы регулярного режима и монотонного разогрева. Методики регулярного режима требуют выявления границ применимости для засоленных пород.

Принципиальных возражений не вызывает применение криоскопичес-кого метода в цикле оттаивания к засоленным породам, применение контактного метода требует дополнительных методических проработок. Выявление частных закономерностей изменения изучаемых характеристик требует их совместного рассмотрения и комплексного анализа.

Глава 2. Используемые методики экспериментального лабораторного исследования теплофивических свойств и фазового состава влаги и особенности их применения для мерзлых засоленных пород

Проведены методические разработки по экспериментальному лабора-

торному определению теплофизических свойств в мерзлых заселенны} дисперсных породах и фазового состава влаги в них, так как при исследовании засоленных горных пород возникает вопрос правомерное^ применения известных методик.

Определение коэффициента температуропроводности (а) выполненс методом регулярного режима 1 рода, модифицированного применительно » засоленным мерзлым породам. Методика регулярного режима III роде (метод "тепловой волны") - для комплексного определения а, теплоемкости С и коэффициента теплопроводности А применена для мерзлы) грунтов впервые. Результаты опробования показали, что для засоленны? пород нужно исключать более широкий интервал высоких отрицательны? температур, чем для незасаленных т.е. диапазон температур ниже "основных фазовых переходов" (по H.A. Цытовичу), а также вне обласи эвтектических температур водного раствора соли, доминирующей в поро-вом растворе породы. В противном случае наблюдается нарушение монотонности регулярного режима, исключающее возможность расчета тепло-физических характеристик. В диапазонах температур выше или ниже указанных использование методов не встречает препятствий, и экспериментальные результаты можно обрабатывать с погрешностью, не превышающе! таковую для незасоленных пород.

Для исследования теплоемкости грунтов впервые применен метод монотонного разогрева на измерителе ИТ-С-400. Достоинством метода является возможность измерения теплоемкости в широком диапазоне температур от -100 до +400°С на одном образце и малая скорость нагревани? (0,1 К/мин), а недостатком - интервал в 25° между измеряемыми значениями.

Модифицирован метод смешения для определения энтальпии и теплоемкости засоленных дисперсных пород на адиабатическом массивном калориметре. Однако интерпретация осложнена из-за большой погрешност! измерения. Для уточнения результатов, полученных на установке ИТ-С-400 и массивном калориметре, был использован метод дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК), а именно количественного дифференциального термического анализа. При определении теплоемкоста использовалась дифференциальная калориметрическая система "Меттле{ ТА-2000В". Опыты проводились в диапазоне температур -100 + +20°С npi разных скоростях нагревания и охлаждения от 0,3 до 1,0 К/мин. Проведено прецезионное исследование поведения теплоемкости в диапазоне температур от +20 до -100°С и энтальпии при фазовых переходах вода-лед и криогидратообразовании в породах.

Для реализации исследования фазового состава влаги были выбраны криоскопический и контактный методы. Однако для криоскопического метода, следует подчеркнуть, во-первых, необходимость его применения только в цикле оттаивания и, во-вторых, то, что с ростом засоленности снижается точность графической обработки результатов эксперимента, так как наблюдается выполаживание термограммы оттаивания, обусловленное расширением интервала, где происходят основные фазовые переходы. Отработка методики контактного метода на образцах супеси и суглинка (более 200 образцов) показала, что в диапазоне температур ниже основных фазовых переходов контактным методом можно проводить определения фазового состава влаги с погрешностью не выше, чем для незаселенных пород. Для глин, характеризующихся высокими емкостями обмена, эта погрешность увеличивается с ростом засоленности.

Основным недостатком криоскопического и контактного методов является неравномерность погрешности определения в различных диапазонах температур. В области относительно высоких отрицательных температур (>-2*-5°С) хорошо работает криоскопический метод, а при более низких температурах - контактный. Предложен метод их комплексного использования в диапазоне от температуры начала замерзания до -30°С.

Глава 3. Краткая характеристика исследуемых грунтов и методика приготовления образцов

При изучении законономерностей формирования свойств использовались грунты различного гранулометрического и минерального состава: кварцевый песок (1T1J3), отобранный в Московской области ( г. Люберцы) ; песок (laQj), отобранный на Самотлорском нефтяном месторождении (Среднее Приобье); супесь (gmQa) и суглинок (рт0з-4), отобранные на полуострове Ямал; каолинитовая глина (ePg) (г. Глуховец); монтморил-лонитовая глина (efjogl) (ст. Джембел) и гидрослюдистая глина (шС) из г.Гжель (Московская обл.). Подготовка образцов нарушенного сложения и искусственного засоления проводилась по отработанной на кафедре методике. В качестве параметров засоления использовались понятия засоленность Ds и концентрация порового раствора Кпр, предлагаемые СНиП 2-02-88. Для приготовления образцов одной засоленности Ds с разными значениями влажности грунтовый порошок увлажнялся растворами солей с соответствующими значениями концентрации порового раствора. Грунтовая паста тщательно перемешивалась и выдерживалась около суток, а затем использовалась для приготовления образцов; при исследованиях в области отрицательных температур образцы промораживались в течение суток при температуре -30°С. Для приготовления образцов с

искусственным засолением применялись NaCl, KCl, Na2SC>4, NaN03, Na2C03 марки ХЧ и морская соль. Погрешность задания засоленности около 10%.

Глава 4. Температура замерзания (оттаивания) засоленных грунтов разного гранулометрического и химико-минерального состава

На термограммах оттаивания грунтов при определенных засоленностях были зафиксированы две температурные депрессии. Первая - где происходит замерзание льда при температуре, соответствующей температуре начала замерзания, вторая - в интервале температур, близких к значениям эвтектических температур водных растворов этих солей. При замерзании засоленных грунтов сначала происходит образование чистого льда при температуре, интерпретируемой как температура начала замерзания. С понижением температуры, по мере вымерзания раствора, его концентрация повышается. При достижении эвтектических концентраций и температур в поровом растворе грунта может произойти образование криогидрата. Его появление сопровождается тепловым эффектом. Величина температурного интервала, в котором фиксируется тепловой эффект, определяется количеством жидкой фазы, оставшейся в грунте, а температура начала этого интервала определяется видом соли, находящейся в поровом растворе, и практически соответствует эвтектической температуре раствора. На рис.1 приведены в качестве примера термограммы оттаивания каолинитовой глины. При определенных значениях засоленности и влажности этот тепловой эффект при засолении KCl был обнаружен в диапазоне температур от -10,65 до -12°С, при засолении NaCl - от -21 до -23°С. С уменьшением засоленности ниже О,3Z для песка, 2% для каолина и ЗХ для гидрослюдистой глины вторая температурная депрессия практически не фиксируется, а в бентоните она не обнаружена даже при засоленности Ds=5Z NaCl.

Рис. 1. Термограммы оттаивания мерзлых образцов каолинитовой глины У-Б07.. Ба-зг, засоленной КС1(а) и КаС1 (0).

Выделенные тепловые эффекты были исследованы методами массивного калориметра и ДСК. Эксперименты подтвердили тепловыделения в двух температурных интервалах. Результаты измерения энтальпии (Н) для каолина приведены в таблице 1. Первый тепловой эффект можно интерпретировать как выделение теплоты фазового перехода лед - вода, а второй мы связываем с теплотой криогидратообразования.

Таблица 1.

порода о3,% плавление кристаллизация

Н,Дж/г Н,ДЖ/Г

каолин 60 0 -0,7 111,700 -6,2 110,400

каолин 60 2 -1,3 -21,2 91,940 6,377 -7,5 -39,7 90,070 5,911

Засоление приводит к понижению температуры замерзания (Ь3) по отношению к незасоленным породам. Сохраняется характер зависимости от дисперсности как и для незассшенных пород. В зависимости от гранулометрического состава температура замерзания понижается в ряду пески-супеси-суглинки-глины (рис.2), в зависимости от минерального состава понижается в ряду каолин-гидрослюда-монтмориллонит (рис.3). Для образцов песка и супеси это понижение определяется преимущественно влиянием раствора. Для тонкодисперсных пород энергетическое воздействие органо-минерального скелета на температуру замерзания ощутимо до КПр~ 0,1н. При прочих равных условиях зависимость 1Э песка от концентрации порового раствора практически совпадает с температурой замерзания раствора N801 соответствующей концентрации; для засоленной каолинитовой глины, она практически эквидистантна, начиная с некоторого значения Кпр, когда влияние раствора превалирует над влиянием органоминерального скелета. Для гидрослюдистой и монт-мориллонитовой глин наблюдается более быстрый темп изменения 1:ох от Кпр, что, по-видимому, можно объяснить некоторым изменением состава порового раствора за счет обменных реакций, происходящих в этих глинах, и большей величиной "нерастворяющего объема".

Состав соли в поровом растворе существенно влияет на температуру замерзания грунта. Были проведены исследования на образцах кварцевого песка, засоленных МаС1, ^Оз, ЫагСОз, Ыаг304, КС1 (рис.4).

Рис.2. Зависимость температуры оттаивания грунтов разного грануло-

метрического состава, аасоленных морской солью от концентрации порового раствора (КПр): 1-супесь. 2-суглинок, 3-гидрослюдистая и 4-монтмориллони-товая глины; данные СНиП 2.20.04-88 л>ш супесей(6),для суглинков и глин(5)

Рис.3. Зависимость температуры оттаивания (tor) глин разного минерального состава от концентрации порового раствора (К„р). (засоление NaCl): 1 - каалинитовая. 2 - полиминеральная и 3 - монтморкллонитовая глины

Рис. 4. Зависимость температуры оттаивания (tOi0 песка, засоленного Na2S04(l), Na2C03 (2). ЫаЛОэ (3), KCl (4), NaCl (5) от концентрации порового раствора Кпр

При прочих равных условиях температура замерзания (оттаивания) при засолении солями с общим катионом Na4 понижается в ряду M2SO4 -МагСОз- ЫаЮз - NaCl, а с одним анионом С1~ - от KCl до NaCl. Однако это справедливо только лишь до значений концентрации порового раствора, соответствующей эвтектической для данного раствора соли в объеме- Например, при засоления Ua^SO^ и NaN03 температура замерзания остается практически постоянной после достижения коннцентраций,соответствующих эвтектическим.

Глава 5. Особенности изменения фазового состава влаги в мерзлых засоленных грунтах разного гранулометрического и химико-минерального состава

Зависимости содержания незамерзшей воды (WH) от температуры (t) при разных значениях засоленности представлены в виде серии кривых в широком температурном диапазоне от 0 до -15 + -30°С для грунтов разного гранулометрического и минерального состава (рис.5). Температурные зависимости содержания незамерзшей воды имеют аналогичный характер, однако количественное соотношение твердой и жидкой фазы при фиксированной температуре различно. Характер изменения содержания незамерзшей воды при понижении температуры для грунта с конкретными значениями засоленности практически одинаков и подобен незасоленнш грунтам. Однако кривые, соответствующие содержанию незамерзшей воды с разными значениями засоленности, не эквидистантны кривой, соответствующей незаселенному грунту. Сдвигаясь в сторону более низких температур, они несколько выполаживаются с ростом засоленности, так как расширяется температурный диапазон, где происходит основное вымерзание льда из порового раствора.

Следует отметить, что при низкой отрицательной температуре количество незамерзшей воды представляет ощутимую величину. Даже после образования криогидрата, незамерзшей воды в засоленном грунте остается больше, чем в незасоленном.

Для практического использования удобны полученные закономерности изменения содержания WH с ростом засоленности при фиксированной температуре ( рис. 5 б). В исследуемом диапазоне засоленности экспериментальные точки аппроксимируются прямыми линиями, тангенс угла наклона которых уменьшается с понижением температуры.

Сравнивая количественное соотношение WH для грунтов различного гранулометрического и минерального состава, засоленных морской солью, при фиксированных значениях засоленности и температуры , количество незамерзшей воды увеличивается в ряду: песок, супесь, суг-

л инок, каолинитовая, гидрослюдистая и монтмориллонитовая глины (рис.66). С увеличением засоленности (при Qs-1%) кривые WH-f(t°C) для супеси, суглинка и гидрослюдистой глины сближаются в диапазоне, где происходят интенсивные фазовые переходы, и вымерзает вода наименьшей энергии связи с минеральной поверхностью (рис.6а). Здесь фазовый состав определяется и существенно зависит от характера вымерзания раствора. Замерзание рыхлосвязанной воды происходит в диапазоне температур, практически совпадающем для грунтов разного гранулометрического состава. Ниже температуры t~-4°C количество воды, связанное энергетическим взаимодействием с частицами грунта и со льдом, становится соизмеримым с количеством воды, находящейся под воздействием сил гидратации ионов солей. Поэтому в температурном интервале, где происходит вымерзание прочносвязанной воды, различия в значениях WH существенны.

Состав солей в поровом растворе грунта играет немаловажную роль в силу различной активности ионов. Формирование фазового состава влаги под влиянием вида солей исследовалось на кварцевом песке. Определения проводились только криоскопическим методом до температур выше -10°С, для более низких значений температур (до t-эвт) можно рассчитать количество незамерзающей влаги, предполагая, что температуры замерзания засоленного песка и соответствующего раствора соли практически совпадают при одних значениях КПр. Образование криогидрата в песке при достижении определенной концентрации порового раствора должно произойти при температурах, близких к эвтектическим: -21,2°С при засолении NaCl; -18Д°С - ЫаШз; -10,65°С - KCl; -1,2°С - Na2S04 и -2,1°С - NaN03. После образования криогидрата жидкой фазь в грунте практически не останется. На рис.7 пунктиром представлень рассчитанные зависимости количества незаыерзшей воды в песке, засоленном разными солями, при Ds-1%. В количественном отношении содержание неэамерзшей воды увеличивается при засолении с общим катионок Na+ в ряду сульфат-карбонаты -нитраты-хлориды. При засолении с разными катионами К+ и Na+ для хлоридов жидкой фазы больше в песке с присутствием в поровом растворе NaCl, чем KCl.

Глава 6. Закономерности изменения теплоемкости пород в широко» диапазоне температур

В главе рассматриваются результаты экспериментальных исследований (методами монотонного разогрева и ДСК) теплоемкости грунтов различного гранулометрического и минерального состава с различным количественным и качественным составом солей, при изменении влажности ]

суглшок

-■»о -¿о ~ -ю -го

Рис.5. Зависимость содержания незаыерзшей воды от температуры (и (а) и засоленности Ш3) (б) для суглинка и супеси, засоленных морской солью: 1 - О^-ОХ, 2 -0з-0,15Х, 3 -03-0.22, 4- Оэ-О.З!. 5- Оз-О.б*. 6 - С3-12,--7 - О-г*

Dá//o

ю i'С

Рис. б. Зависимость содержания неаамерзией вода (Ка) от температуры (и при (а) и засоленности (03) при температуре 3°С (б) для грунтов разного гранулометрического состава, засоленных морской солью: 1-супесь, 2-суглинок. З-гиДЕюсшалистая и 4~монморшшонитовая глины.

10

-10

'¿О ¿«¿

. Рис.7. Зависимость содержания веза-черзшей воды (We) от температуры (t> ó песке,.засоленном (DS-1Z) раакыми Соляниг 1 - NaCl. 2 - KCl,.-3 - КаИОз, '4 - ИагСОз. (пунктир-расчетные данные!'

-ТОО -50 0. 60 100

Рис 8 Зависимость теплоемкости скелета (Сск) грунтов различного гранулометрического и минерального состава от температуры (I): 1 - песок. 2 - суглинок. 3 - каалинитовая и 1 - полиминеральная глины

№

if

Рис. 9 .Изменение теплоемкости (С) каолинитовой (1) и гидрослвдиптой (2) глин в воздушно-сухом состоянии-от температуры (1) в цикле нагревания (1.2) и'охлаздения (Г.2')

л*-

I

Т'£ .:'«» ^ ^ Рис. 10. Температурная зависимость теплоемкости (С) суглинка (Ы-ЭОГ) неэасоленного (1) и засоленного морской солью (2), 3 - расчетные значения

Рис.11. Изменение теплоемкости (С) каолинитовой и гидрослюдистой глин . засоленных NaCl (КГР-0,С323) от температуры (t) в цикле нагревания

засоленности, а также результаты их сопоставления с расчетными данными, полученными по аддитивным соотношениям.

Для дисперсных пород теплоемкость скелета (ССк) практически постоянна в интервале температур от -25 до 100°С, а с понижением температуры до -100°С наблюдается падение величины Сск (до 30% для гидрослюдистой глины), что совпадает с известными представлениями о температурном поведении теплоемкости веществ (рис.8). Прецезионное измерение теплоемкости гидрослюдистой и каолинитовой глин в воздушно-сухом состоянии в цикле нагревания от -100 до + 20°С методом ДСК выявило появление пульсаций теплоемкости с микротепловым эффектом, связанных, по-видимому, с вымерзанием прочносвязанной воды (рис.9). Во влажных породах выявлена классическая аномалия, связанная с неи-зотермичностью фазового перехода вода-лед в поровом растворе грунта, ее температурный диапазон расширяется с увеличением засоленности (рис.10). В засоленных песке и каолинитовой глине обнаружена еще одна аномалия теплоемкости в диапазоне эвтектических температур со значительно меньшим тепловым эффектом (рис.11). Совместный анализ термограмм оттаивания, зависимостей Ин-Ии и (МЧЬ) засоленных грунтов подтвердил нашу гипотезу о возможности образования криогидрата в мерзлом грунте при эвтектических параметрах для раствора.

Теплоемкость практически не зависит от засоленности в диапазонах температур, где нет фазовых переходов, и ее можно рассчитывать по аддитивным соотношениям с использованием температурной зависимости компонентов;эффективная теплоемкость определяется характером изменения фазового состава влаги, и ее можно рассчитать при наличии экспериментальных данных по фазовому составу влаги.

Глава 7. Теплопроводные свойства засоленных дисперсных пород разного гранулометрического и минерального состава

Влияние засоленности рассматривается на примере хлоридно-натриевого засоления, наиболее широко представленного в природе.На рис.12 представлены зависимости коэффициентов теплопроводности и температуропроводности от засоленности морской солью для суглинка и супеси. У засоленного грунта сохраняется зависимость от влажности такая же, как и для незасоленного; при значениях влажности наблюдается

тенденция к их сближению; с ростом засоленности теплопроводность образцов грунта в мерзлом состоянии уменьшается. Для суглинка это изменение не превышает 10%, для супеси выявлено более значительное изменение. Теплопроводность и температуропроводность образцов грунта в талом состоянии (пунктирная линия) практически не меняется.

41 о о.5" ¡-.о 1.5 г,о о ^з-

Рис.12. Зависимость коэффициентов теплопроводности (X) и температуропроводности (а) суглинка Ц-УМ.«, 2-и-22%, 3-И-307.) и супеси («-152) от засоленности (03) морской солью в талом (пунктир) и мерзлом состоянии

Интервал изменения значений концентраций порового раствора сокращается с ростом влажности образцов. Однако концентрация порового раствора в мерзлом состоянии Нпр^1 будет отличаться от таковой в талом. Зная зависимость содержания незамерзшей воды от засоленности в

исследуемых грунтах, можно рассчитать концентрацию порового раствора в мерзлом грунте. На рис. 13 представлен! зависимости У. от концентрации в незамерзшей воде (КПрМн). Для мерзлых образцов с разной влажностью концентрация порового раствора при фиксированной засоленности будет практическ одинаковой. При Бз-2% значение конце нтрации порового раствора в незаыерз шей воде приблизится к эвтектическо для N301.

Влияние засоления на теплопрова дящие свойства грунтов различного гранулометрического и минеральног состава не однозначно. На рис.14 представлены экспериментальные дав

»У* к

0 V . ч* к?

Рис.13. Зависимость коэффициента теплопроводности (Л) суглинка, засаленного морской солью, от концентрации порового раствора в незамерзшей воде (КПв>1н): 1 - V -ИХ. 2 - «-22%. 3 - И-ЗОХ

ше, полученные на образцах песка, супеси, суглинка и глины с хло->идно-натриевым засолением.

Теплопроводность суглинка практически не меняется при засоле-ши. Наибольшее изменение обнаружено у влагонасыщенных песка, супеси I каолина. Понижение величины Л составило 30-60%. У бентонита и гид-эослюдистой глины при малых концентрациях порового раствора наблюдается некоторый рост X ( до Кпр0,01н.), далее, с увеличением засо-генности, значение коэффициента теплопроводности падает. Изменение эеличины теплопроводности по отношению к X незаселенного грунта окою 10-15%. Для анализа полученных закономерностей зависимости X для грунтов различного гранулометрического и минерального состава целесообразно воспользоваться зависимостью соотношения твердой и шдкой фазы (Ун) от засоленности при фиксированной температуре экс-1ериментов (-15 * -18°С) (рис.15). Для исследуемых грунтов характер зе изменения аналогичен зависимости (1) и хорошо с ней коррелирует. Причины, вызывающие понижение X с увеличением засоленности, эбусловливаготся падением теплопроводности раствора МаС1 с ростом юнцентрации и уменьшением количества льда. Некоторый рост X, наблю-заемый в наших исследованиях для водонасыщенных глин в интервале засоления до - 0,5 - 1%, вызван, по-видимому, структурообразова-гельными процессами, происходящими в засоленном грунте. Влияние засоленности на теплопроводность породы проявляется через процессы коагуляции глинистой фракции и диспергирование песчаных агрегатов с накоплением пылеватой фракции.

Засоленность оказывает также весьма существенное влияние на зависимость теплофизических характеристик от температуры. Соотношения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности для мерзлого я талого состояний (Хм/Хт и а^/а^) уменьшаются с ростом 0Э для суглинка и супеси, и изменение а гораздо интенсивнее, чем X (рис.16).

Для засоленных влагонасыщенных грунтов различного гранулометрического и минерального состава изменения отношений величин теплопроводности в талом и мерзлом состояниях в зависимости от засоленности гакже можно аппроксимировать прямыми линиями с достаточной для практической цели точностью Для суглинка и гидрослюдистой глины Хм>Хт во всем диапазоне изменения засоленности , а отношение их величин практически не меняется. Для песка и каолина при Е^О.бХ отношение Хм/Хт становится меньше 1. На наш взгляд такой эффект сближения теплопроводности в мерапом и талом состоянии, и даже определенное завышение величины последних, обусловлено доминирующим влиянием теплопровод-

Рис.14. Зависимость коэффициента теплопроводности Ш от засоленности (Бз) вдагонэсыщенных грунтов разного гранулометрического состава: 1-песок. г-сулесь, 3-сугли-нок, 4- каодинитовая глина с хло-ридно-натриевым засолением ( сплошная линия - мерзлое, гг/нктио - талое состояние 5 :

Рис.16. Зависимость отношения коэффициентов теплопроводности (Ам/Хт) и температуропроводности (Эм/а^З в мерзлом и талом состоянии от засоленности (1)3) морской солью образцов суглинка (1- ¥-112: 2 --№-222, 3 - V-32£) . и супеси (4 -У-157.)

Рис.15. Зависимость соотношения твердой и жидкой Са) фаз

от засоленности (Бэ) грунтов разного гранулометрического и минерального состава: 1 -песок, 2-супесь, 3-суглинок; 4-каолини-товая, 5 -гидрсслюдкстая и 6 -ыонтмориллонитовая глины С*/-15-2СХ для 1-3 , «-Б0-?0г для 4-6)

1-

Рис.17. Зависимость коэффициента теплопроводности (X) от концентрации порового раствора (КПр) мерзлого песка('*/-151), засаленного разными солями: 1 - ЯаС1, 2 - На!,из, 3 - ИзгСОз. 4 -На2304

ности на контактах грунтовых частиц на общую X породы. Поскольку концентрация порового раствора в мерзлых образцах значительно вше, чем в талых (при одних значениях засоленности и влажности), величины контактной теплопроводности сближаются. С другой стороны, Я порового раствора, как компонента, уменьшается с понижением температуры и ростом концентрации растворенных солей (ЫаС1).

Исследование количественного и качественного влияния солей проводилось на образцах кварцевого песка, засоленных солями ЫаС1, ЫаШз, N32504, ИагСОз- На рис.17 приведены результаты экспериментального исследования коэффициентов теплопроводности мерзлого песка, засоленного разными солями. В исследуемый диапазон засоления попадают эвтектические значения концентрации порового раствора Маг304 и ЫагСОз- фи этих концентрациях в песке по-видимому, происходит образование криогидрата при температурах -1.2° и -2.1°С, соответственно, и в мерзлых образцах количество жидкой фазы становится крайне незначительным. Для ЫаЮз и N801 концентрации порового раствора ниже концентраций в криогидратных точках во всем исследуемом диапазоне засоленности, и поэтому в образцах песка фиксируется изменение количества незамерзшего порового раствора, и значение коэффициента теплопроводности падает.

Были обобщены в виде графиков и таблиц данные, полученные при экспериментальных исследованиях грунтов различного гранулометрического и минерального состава с хлоридно-натриевым типом засоления. Обобщение включает также ряд не представленных в работе экспериментальных данных по исследованию образцов естественного сложения и засоления, отобранных из четвертичных отложений перехода через Баида-рацкую губу, а также литературные данные. Каждая экспериментальная точка - это, как правило, осреднение результатов 2-6 определений. Свойства представлены в зависимости от гранулометрического состава по разделам: пески, супеси, суглинки и глины. Даны диапазоны изменения теплофизических и физических свойств. В таблицу вошли (при наличии информации) следующие параметры: засоленность; плотность скелета грунта; суммарная влажность; объемная теплоемкость; коэффициенты тепло- и температуропроводности для талого и мерзлого состояний. Выделены исследования с искусственным и естественным засолением. Отмечены : температуры, при которых определялись свойства; количество экспериментальных точек и литературный источник. Однако объем имеющихся экспериментальных исследований недостаточен для того, чтобы сделать полноценное обобщение по теплофизическим свойствам засолен-

ных грунтов разного гранулометрического состава во всем диапазон! изменения влажности и плотности, представленных в СНиП 2-02-88.

Исходя из проведенного анализа имеющихся результатов, зная ха рактер изменения величины коэффициента теплопроводности с ростом за соленности , закон изменения фазового состава влаги в этих грунтах : как соотносятся коэффициенты теплопроводности в талом и мерзлом состоянии, были предложены рекомендуемые для практического использова ния значения теплофизических характеристик. За основу были взяп значения коэффициентов теплопроводности для незасоленных грунтов пр Ds-0 из таблицы СНиП, и предложены предварительные рекомендации ni определению теплопроводности и значения объемной теплоемкости грунтов для талого и мерзлого состояния при фиксированных значениях за соленности. Влажность за счет незамерзшей воды была выбрана на осно вании анализа экспериментальных данных.

Для обеспечения необходимой достоверности результатов следуе' продолжить экспериментальные исследования для обеспечения представительности данных для последующей редакции таблицы СНиП.

вывода

Основные результаты и выводы сделанной работы сводятся к следующему :

1. Разработан комплексный подход к исследованию засоленных па род, реализующий совместный анализ экспериментальных результатов полученных на идентичных образцах путем их сквозного опробования а различным методикам оценки фазового состава влаги, теплоемкости : коэффициентов тепло- и температуропроводности, температуры начал; замерзания (оттаивания), термограмм оттаивания засоленных дисперсны; горных пород с различным количественным и качественным составом са лей в паровом растворе. Предложены две новые и четыре модифицирован ные методики определения этих свойств в породах разного гранулометрического и минерального составов, в частности:

а) модифицирован метод регулярного режима 1 рода , предложен; методика комплексного определения теплофизических свойств метода регулярного режима 111 рода и новая комплексная методика оценки теп лоемкости и энтальпии от - 100 до +100°С методами калориметрии (ДСК монотонного разогрева и смешения);

б) модифицированы методики определения содержания незамерзше] воды и температуры замерзания (оттаивания) и предложен метод и комплексного использования в диапазоне температур от температуры на чала замерзания до -30°С.

в) оценка пределов применимости методик показала, что в интервале температур ниже температуры замерзания, но выше эвтектической для раствора доминирующей в породе соли, экспериментальные данные можно обработать с погрешностью, не превышающей таковую для незаселенных пород.

2. Выявлены закономерности зависимостей фазового состава влаги и температуры замерзания (оттаивания) мерзлых засоленных дисперсных пород, в частности:

а) понижение температуры начала замерзания и увеличение содержания незамерзшей воды происходит в зависимости от гранулометрического состава в ряду песок-супесь-суглинок-глина, от минерального состава в ряду каолинит-гидрослюда-монтмориллонит, от вида соли- в ряду сульфаты-карбонаты-нитраты-хлориды при засолении с общим катионом для хлоридов в ряду Ыа-К ;

в) увеличение концентрации порового раствора однозначно приводит к увеличению содержания незамерзшей воды в породах различного гранулометрического и минерального составов до температур, соответствующих криогидратообразованио; при более низких температурах это нивелируется, но в количественном отношении незамерзшей воды отмечено после образования криогидрата больше, чем в незаселенном; при засоленностях Цз>1% замерзание рыхлосвязанной воды происходит в диапазоне температур, практически совпадающим для грунтов разного гранулометрического состава; ниже температуры различия в значениях - существенны; ниже температуры образования криогидрата изменяется характер зависимостей температуры начала замерзания (оттаивания) от КПр и фазового состава влаги от температуры.

3. Качественная зависимость теплоемкости от температуры для влажных пород и их компонентов находится в удовлетворительном соответствии с теоретическими представлениями:

а) теш изменения величины теплоемкости зависит от температуры;

б) в цикле нагревания для возушно- сухих глин фиксируются аномалии теплоемкости, обусловленные микротепловым эффектом, выяснение природы которых нуждается в дальнейших исследованиях;

в) для влажных пород отмечается классический Х-пик на кривой температурной зависимости теплоемкости, связанный с неизотермич-ностыо вымерзания порового раствора в грунте; в засоленных песке и каолинитовой глине обнаружена еще одна аномалия теплоемкости со значительно меньшим тепловым эффектом. Она выявлена в диапазоне эвтектических температур и ее появление возможно при достижении соответс-

- 22 -

твующих концентраций в незамерзшем норовом растворе;

г) совместный анализ температурных зависимостей фазового соста ва влаги, термограмм оттаивания и энтальпий засоленных мерзлых грун тов подтверждает нашу гипотезу о наличии в диапазоне эвтектически температур процесса , который мы связываем с криогидратообразовани ем; образование криогидрата в мерзлом засоленном грунте возмож» только при достижении эвтектических концентраций и температур в по ровом растворе;

д) зафиксирован температурный гистерезис теплоемкости, вызван ный, по-видимому, эффектом переохлаждения и микротекстурными преоб разованиями;

е) для повышения точности расчетных значений теплоемкости в ши роком диапазоне температур необходимо учитывать температурную зави симость последних; в интервале температур от +20 до -20°С теплоем кость скелета можно считать постоянной (ошибка±10%);

4.Выявлена неоднозначность влияния засоления на теплопроводны свойства грунтов:

а) в диапазоне засоленности от 0 до 2Z наблюдается тенденция : снижению значений теплопроводных свойств;

б) при различном типе засоления существуют предельные значени Ds» при превышении которых эта зависимость практически нивелируете с приближением значений концентрации порового раствора в мерзло грунте к соответствующим эвтектическим; после образования криогидра та теплопроводность мерзлого грунта практически не меняется;

в)значения коэффициентов теплопроводности и температуропровод ности влагонасыщенных засоленных грунтов увеличиваются в рядах п дисперсности: песок>супесь>суглинок>глина(каолин);по минеральном составу: каолинит> гидрослюда> монтмориллонит; по влиянию типа раст воренных ионов(для образцов песка): сульфаты> карбонаты >нитра ты>хлориды при засолении с общим катионом Na+; характер изменени теплопроводности от засоленности аналогичен изменению количественно го соотношения льда и воды;

д) указанная выше неоднозначность зависимости теплопроводны свойств от Ds обусловлена совместным влиянием количественного соот ношения льда и незамерзшей воды (превалирующее влияние), изменение теплопроводности порового раствора с температурой и концентрацией и по-видимому, структурообразовательными процессами;

г)значения коэффициентов теплопроводности и температуропровод ности в мерзлых превышают таковые для талых во влагонасыщенных об

разцах песка , засоленных Na2S04 и ИагСОз; при засолении ЫаШз и NaCl значения теплопроводящих свойств талых образцов становятся выше мерзлых при некоторых значениях КПр. Такой же эффект отмечается для каолина , а также для образцов других пород с неполной степенью заполнения пор влагой.

5. Практические рекомендации по определению температуры замерзания и количества незамерзшей воды, предлагаемые СНиП 2-02-88 удовлетворительно коррелируют только с хлоридным "засолением. Неучет влияния других солей может привести к существенным погрешностям. Предложены предварительные рекомендации по определению теплофизических свойств засоленных мерзлых пород в качестве дополнения к СНиП-2-02-88. Для обеспечения представительности данных к последующей редакции необходимы результаты дополнительных экспериментальных исследований.

Основные положения диссертации отражены в работах:

1. О характере изменения температур оттаивания засоленных пород. Сб. .-Инженерно-геологические проблемы Забайкалья. Чита, 198?,с.13 (совм. с Комаровым И.А., Смирновой H.H.).

2. К вопросу о пределах применимости методов определения тепло-физических свойств засоленных пород. В сб.: Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья. Тезисы докл., Чита, 1987, с.8-9 (совм. с Комаровым И.А..Смирновой H.H.).

3. 0 теплопереносе в мерзлых засоленных породах. Тезисы докл.1 Всесоюз.съезда инж.-геол.,гидрогеол. и геокриологов. Киев, 1988г., ч.1.(совм. с Ершовым Э.Д., Комаровым И.А., Смирновой H.H.)

4. Исследование термодинамических свойств засоленных дисперсных горных пород. Тезисы докладов II Всезоюзного симпозиума "Термодинамика в геологии". г.Миасс, т.1, Свердловск,1988. (совм. с Ершовым Э.Д., Медьчаковой Л.В., Комаровым И.А.).

5. 0 методиках определения теплофизических свойств'и фазового состава влаги в мерзлых засоленных породах. Тезисы докладов научно-практической конференции "Проблемы инженерно-геологических изысканий в криолитозоне ".Магадан,1989, с.41-42 (совм. с Ершовым Э.Д., Комаровым И.А..Смирновой H.H.).

6. 0 влиянии засоленности на фазовый состав влаги и теплофизи-ческие характеристики дисперсных пород. Тезисы докладов научно-практической конференции "Проблемы инженерно-геологических изысканий в криолитозоне ".Магадан,1989,с.37-38 (совм. с Дубиковым Г.И., Комаро-

- 24 -

вым И.А., Смирновой Н.Н., Гамалея А.В.).

7. О применимости ряда методик определения теплофизических характеристик и фазового состава влаги для исследования засоленных пород. Геокриологические исследования :Сб.науч.тр./Под ред.Э.Д.Ершова М.,изд-во МГУ, 1991, с.117-123 (совм. с Ершовым Э.Д., Комаровы И.А., Смирновой Н.Н.)•

8. Теплоемкость дисперсных пород в интервале температур от -10 до +100°С. Тезисы 14 Советско-Американской рабочей встречи по плане тологии, М., 1991, с.27. (совм.с Ершовым Э.Д., Комаровым И.А.)•

9. Результаты экспериментальных исследований фазового состав, влаги засоленных мерзлых грунтов. /Материалы 1 конференции геокрио логов России. Кн. 2. М., 1996, с.287-291 (совм. с Комаровым И.А.).

10. Усовершенствованная методика определения теплофизически характеристик мерзлых грунтов на основе метода тепловой волны. В кн Новые методы исследования состава, строения и свойств мерзлых грун тов /Под ред. С.Е.Гречшцева, Э.Д.Ершова/ .М., Недра,1983,с.89-9 (совм.со Смирновой Н.Н.).

11. Теплофизические свойства горных пород. Приложение./Под ред Ершова Э.Д./ М, И8Д-В0 МГУ,1984, с.145-187. (совм.с Чеверевым В.Г.)

12. Теплофизические свойства мерзлых засоленных дисперсных гор ных пород. Материалы ежегодной научной конференции геологическог ф-та МГУ, Москва, 1997,с.151-152.

13. Quantative estimation of thermal physical characteristic of fine-grained grounds in wide range of negative temperatures Abstracts of papers submitted to the Twentieth Russian-America Microsymposium on Planetology. Moscow 1994 ( with Ershov E.D. Komarov I.A., Smirnova N.N.).

14. Thermal characteristics of fine-grained soils.5t International Symposium Ground Freezing. Nottingham , 1988 (wit Yershov E.D., Komarov I.A., Smirnova N.N., & Barkovskaya Ye.N.).