Развитие калориметрического метода измерения содержания незамерзшей воды в грунте при отрицательной температуре

Вестник ТюмГУ. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика.


Выпуск:

2020. Том 6. № 1 (21)

Название: 
Развитие калориметрического метода измерения содержания незамерзшей воды в грунте при отрицательной температуре


Для цитирования: Григорьев Б. В. Развитие калориметрического метода измерения содержания незамерзшей воды в грунте при отрицательной температуре / Б. В. Григорьев // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2020. Том 6. № 1 (21). С. 87-99. DOI: 10.21684/2411-7978-2020-6-1-87-99

Об авторе:

Григорьев Борис Владимирович, кандидат технических наук, заведующий кафедрой прикладной и технической физики, Физико-технический институт, Тюменский государственный университет; b.v.grigorev@utmn.ru

Аннотация:

В работе рассмотрена задача определения содержания незамерзшей воды в мерзлых дисперсных грунтах. Известно, что фазовому превращению поровой воды в твердую фазу при температуре начала замерзания подвержена только свободная вода, которая не находится под влиянием дальнодействующих электромолекулярных сил между активными центрами поверхности частиц грунта и молекулами воды. Искажение структуры поровой воды, называемой связанной, приводит к снижению температуры ее замерзания, а ее количество находится в функциональной зависимости от дисперсности грунта. Жидкая вода в массиве мерзлого грунта приводит к снижению его прочностных свойств, и ее наличие является определяющим при околонулевых температурах. Поэтому содержание незамерзшей воды — важный критерий для расчета прочностных, теплофизических и массообменных процессов наряду с другими свойствами мерзлого грунта. Для количественной оценки содержания незамерзшей воды, а также определения зависимости влажности от температуры обычно применяется калориметрический метод, имеющий, впрочем, свои недостатками.

Для решения этой задачи в данной статье предложен метод на основе принципов калориметрии, но кардинально отличный по способу измерения энергии фазовых превращений. В основе метода лежит измерение количества энергии, выделяющейся из замораживаемого образца, при помощи датчика плотности теплового потока с одновременным измерением собственной температуры грунта. Стандартная методика калориметрических испытаний была адаптирована для обработки результатов новой экспериментальной установки. Обоснованы преимущества нового метода измерения содержания незамерзшей воды перед традиционным калориметрическим методом. В первую очередь к ним относится меньшее число экспериментов для получения одной экспериментальной точки. Показана применимость установки для изучения равновесных и неравновесных процессов замерзания влажного грунта, в том числе с высоким содержанием солей в поровой воде. Проведенные сравнения результатов, полученных калориметрическим и предложенным методом для одного и того же грунта, показали достаточную сходимость данных с учетом сложности воспроизведения экспериментов.

Список литературы:

  1. Даниэлян Ю. С. Исследования неравновесного тепломассопереноса в грунтах с фазовыми переходами влаги применительно к проектированию обустройства нефтяных месторождений: дис. … д-ра физ.-мат. наук / Ю. С. Даниэлян. Тюмень, 1997. 368 с.

  2. Новые методы исследования состава, строения и свойств мерзлых грунтов / под ред. С. Е. Гречищева, Э. Д. Ершова. М.: Недра, 1983. 139 с.

  3. Руководство по определению физических, теплофизических и механических характеристик мерзлых грунтов / ПНИИИС Госстроя СССР, НИИОПС Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1973. 191 с.

  4. Современные методы исследования строительных материалов / под ред. В. С. Фадеевой. М.: Гос. изд-во лит. по строит., архитектуре и строит. материалам, 1962. 239 с.

  5. Установка для определения незамерзшей воды в мерзлых грунтах: пат. 139913 Рос. Федерация: МПК G01N33/24 / А. Б. Шабаров, Б. В. Григорьев. № 2012149324/15; заявл. 19.11.2012; опубл. 27.04.2014, Бюл. № 12.

  6. Установка для определения незамерзшей воды в мерзлых грунтах и пористых материалах: пат. 141361 Рос. Федерация: МПК G01N33/24 / Б. В. Григорьев, А. Б. Шабаров. № 2013157892/15; заявл. 25.12.2013; опубл. 27.05.2014, Бюл. № 15.