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

Abstract

The paper considers the task of determining the content of unfrozen water in frozen dispersed soils. It is known that the phase transformation of pore water into a solid phase at the freezing point is subject only to free water, which is not influenced by long-range electromolecular forces between the active centers of the surface of soil particles and water molecules. Distortion of the structure of pore water, called bound, leads to a decrease in its freezing temperature, and its amount is functionally dependent on the dispersion of the soil. The presence of liquid water in an array of frozen soil leads to a decrease in its strength properties, being a determining factor at near-zero temperatures. Therefore, along with other properties of frozen soil, the content of unfrozen water is an important criterion for calculating strength, thermophysical, and mass transfer processes. To quantify the content of unfrozen water, as well as determine the dependence of humidity on temperature, the calorimetric method is usually used, with its inherent disadvantages. In the work, to solve this problem, a method was developed based on the principles of calorimetry, but fundamentally different in the way of measuring the energy of phase transformations. The essence of the method is to continuously fix the energy released from the frozen sample to a predetermined temperature using a heat flux density sensor, and to continuously measure the soil’s own temperature. The standard calorimetric test procedure was adapted to process the results of a new experimental setup. The advantages of the new method for measuring the content of unfrozen water over the traditional calorimetric method are substantiated, first of all, this is a smaller number of experiments to obtain one experimental point. The applicability of the installation for studying equilibrium and nonequilibrium freezing processes of wet soil, including those with a high salt content in pore water, is shown. Comparisons of the results obtained by the calorimetric and proposed methods for the same soil showed sufficient convergence of the data, taking into account the difficulty of reproducing the experiments.

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.