Влияние циклов замораживания-оттаивания на тепло-массообменные свойства техногенных криогенных грунтов

естественных грунтов в техногенные их физикомеханические свойства существенно меняются. По нормативным требованиям испытания техногенных грунтов для определения теплофизических характеристик, коэффициента фильтрации, сжимаемости, прочности и других свойств проводятся в лабораторных условиях. Для получения результатов, более полно соответствующих северным условиям, свойства техногенных грунтов необходимо изучать после воздействия отрицательных температур.

Еще в начале 60-х г. ХХ в. в инженерном мерзлотоведении было установлено, что коэффициент фильтрации грунтов слоя сезонного оттаивания в условиях естественного залегания намного превышает коэффициент фильтрации тех же грунтов с нарушенной структурой, определенный в лабораторных условиях. Таким образом, этот установленный факт доказывает, что и у техногенных грунтов после сезонного промерзания-оттаивания коэффициент фильтрации резко увеличится. Для длительной безаварийной эксплуатации зданий и инженерных сооружений в криолитозоне уже на начальных этапах проектирования требуется выполнить тщательный теплотехнический расчет и математическое моделирование процессов тепломассообмена в техногенных грунтах и в строительных материалах, конструкциях. Исходная информация для прогнозных приближенных оценок и детальных теплотехнических расчетов температурно-влажностных полей, циклических тепломассообменных процессов в дисперсных материалах включает совокупность теплофизических, массообменных характеристик и данных по фазовому состоянию поровой влаги при отрицательных температурах. При этом тепломассообменные свойства дисперсных материалов испытывают значительные количественные изменения при переходе через температуру начала замерзания и в диапазоне температур фазовых превращений порового раствора и воды, связанной поверхностными силами минеральных частиц грунтов и дисперсных материалов. Эти изменения и криогенная текстура, появляющаяся в результате циклов замораживания-оттаивания, требуют разработки новых методов исследования тепломассообменных свойств, учитывающих происходящие изменения.

В трудах выдающихся советских теплофизиков А.В. Лыкова, А.Ф. Чудновского и их многочисленных учеников заложены основы учения о тепло- и массообмене в дисперсных, капиллярно-пористых средах [1-4]. Теория тепло-массопереноса, применительно к мерзлым и протаивающим горным породам криолитозоны, развита в работах Н.С. Иванова [5-7], Э.Д. Ершова [8, 9], А.П. Порхаева [10], А.В. Павлова [11] и др. В последние годы на эту тему защитили докторские диссертации В.Г. Чеверев [12], И.А. Комаров [13], Р.И. Гаврильев [14], Тимофеев А.М.[15], Старостин Е.Г.[16]. Изучение процессов тепло- и массообмена в грунтах и горных породах при промерзании и протаивании, а также разработка методов целенаправленного воздействия на эти процессы возможны лишь при наличии систематизированных данных об их тепломассообменных свойствах в диапазоне естественного изменения физических параметров.

Все разнообразие дисперсных материалов можно объединить в три основные категории, характеризующиеся определенными закономерностями тепло- и массообмена:

– мелкозернистые материалы, обладающие высокоразвитой поверхностью раздела, значительным содержанием связанной воды, которая замерзает в диапазоне температур фазовых переходов лед-вода. Типичными представителями таких материалов являются глинистые и порошковые;

– крупнозернистые материалы со сравнительно слабо развитой поверхностью раздела и незначительным содержанием связанной воды. Фазовые переходы поровой воды в таких средах происходят при определенной температуре. К таким средам относятся крупнозернистые пески, галечниково-щебенистые и измельченные материалы;

– крупнообмолочные материалы, содержание связанной и свободной воды в которых незначительно. Фазовые переходы поровой воды в таких материалах не имеют существенного значения, а процессы теплообмена как при положительных, так и при отрицательных температурах протекают идентично.

В настоящее время более подробно изучено влияние циклических криогенных воздействий на структуру дисперсных сред [9, 17], а о влиянии их на тепломассообменные характеристики дисперсных сред имеются разрозненные малочисленные данные. В связи с этим в данном докладе приводятся результаты экспериментальных исследований влияния циклов

Рис. 1. Зависимость плотности смеси грунтов от содержания глинистой составляющей (Г) замораживания-оттаивания на тепломассообменные характеристики техногенных грунтов [18-20]

На рис. 1 показана зависимость плотности смеси песчаных и глинистых грунтов от содержания глинистой составляющей (Г). Наибольшая для всех смесей грунтов плотность достигается при содержании глинистой составляющей, равной около 20% (рис. 1). Это хорошо согласуется с экспериментальными данными других исследователей, которые свидетельствуют о том, что экстремальные значения физических свойств зернистого материала наблюдаются в смесях из 70% крупных частиц и 30% мелкозернистого заполнителя. Так, например, экспериментально найденная зависимость теплопроводности λ с сухой смеси, которую можно достичь для данной смеси уплотнением, от концентрации глинистой составляющей имеет ярко выраженный максимум при Г=20-40% (рис. 2)

т

Рис. 2. Зависимость теплопроводности сухой смеси грунтов от содержания глинистой составляющей (Г)

На рис. 3 показаны результаты исследования влияния циклов замораживания-оттаивания на теплофизические свойства техногенных грунтов. Они показывают, что значения теплопроводности горных пород в талом состоянии после замораживания и оттаивания уменьшается по сравнению со значением до замораживания. Наибольшее уменьшение теплопроводности наблюдается после первого цикла замораживания-оттаивания. В последующих циклах замораживания-оттаивания существенного уменьшения теплопроводности не наблюдается, хотя тенденция к уменьшению сохраняется.

Рис. 3. Изменение теплопроводности естественного грунта в результате воздействия циклов замораживания-оттаивания: • - X до замораживания; х - X после циклов замораживания

На рис.4 показано влияние циклов замораживания-оттаивания на коэффициент фильтрации техногенных грунтов. Для определения коэффициента фильтрации использовался фильтрационный прибор Ф-1М. Основные детали прибора - пьезометр и одометр. При вырезании образцов грунта обоймой с режущим краем из монолита, а так же в результате воздействия циклов замораживания-оттаивания глинистого грунта в обойме одометра, между стенкой обоймы и образцом грунта может образоваться зазор. Просачивание части воды через него приводит к ошибке определения коэффициента фильтрации. Чтобы исключить ее были изготовлены специальные перфорированные диски с режущим кольцом, диаметр которого меньше внутреннего диаметра обоймы. При сборке одометра, кольцо вдавливалось в образец и изолировало приконтактную зону. В глине и ее смесях с песком в результате замораживания-оттаивания коэффициент фильтрации возрастает до

10-7-10-6м/с, т.е. изменяется на 2-3 порядка по сравнению с таковым непромороженного материала.

Определяющее влияние на изменение величины коэффициента фильтрации оказывает первый цикл замораживания-оттаивания. После него происходит кардинальная перестройка структуры глинистого материала, появляются широкие плоские капилляры, которые и становятся основными проходами для воды. Последующие три цикла увеличивают коэффициент еще в 3-4 раза, т.е. перестройка структуры глинистого дисперсного материала продолжается при последующих циклах замораживания-оттаивания. На величину изменения коэффициента фильтрации воздействует начальная влажность глинистого грунта. Влияние состава песчано-глинистой смеси на величину коэффициента фильтрации видно на рис. 4.

Рис. 4. Влияние воздействия циклов замораживания-оттаивания на коэффициенты фильтрации:

А - без замораживания при нижнем пределе пластичности; О- без замораживания при верхнем пределе пластичности; □  - после циклов замораживания- оттаивания при нижнем пределе пластичности; • - после циклов замораживания-оттаивания при верхнем пределе пластичности

Две нижние линии графика соответствуют зависимости коэффициента фильтрации от содержания глинистой составляющей смеси при влажностях, соответствующих нижнему и верхнему пределам пластичности дисперсного материала. Две верхние линии показывают величину коэффициента фильтрации песчано-глинистых смесей, подвергнутых циклам замораживания-оттаивания при влажностях, близких к верхнему и нижнему пределам пластичности. Подробно о влиянии циклов замораживания-оттаивания на тепломассообменные свойства техногенных грунтов изложено в [19].

Выводы: установлены определяющие зависимости теплофизических свойств песчаноглинистых техногенных грунтов от их влажности, температуры и содержания глинистой составляющей. Изучено влияние циклов замораживания-оттаивания на тепломассообменные свойства песчано-глинистых техногенных грунтов в зависимости от влажности и глинистой составляющей. Установлено уменьшение теплопроводности песчано-глинистых техногенных грунтов до 30%, увеличение коэффициента фильтрации до значений 10^-6 м/с, а также коэффициента диффузии – на 2-3 порядка в результате влияния циклов замораживания-оттаивания.