Способ определения количества незамерзшей воды и льда в горных породах Советский патент 1976 года по МПК G01N25/62 

1

Изобретение относится к Области определения фазового состава воды в дисперсных материалах при отрицательиых температурах, а более койКретно -к области определения количества 1незамерзшей воды и льда в мерзлых горных породах и может быть использовано при проектировании, строительстве и эксплуатации И1нже«ер-ных сооружений в области распространения многолетнемерзлых пород.

Известен калориметрический способ определения количества льда и незамерзшей воды в мерзлой оороде, основанный «а измерении количества тепла, поглощаемого или выделяемого образцом исследуемой породы в результате его оттаиваиия или дальнейшего прО:мерзаяия. Калориметрический способ определения -количества незамерзшей воды в .мерзлой породе заключается в измерении содержания льда в этой породе, а жидкая фаза воды находится по разиости между суммарным влагосодержанием и установленным количеством льда 1. При расчете содержания льда и Неза.мерзшей воды в мерзлой -породе по общеПринятому в настоящее время калориметрическому способу необходимо знать количество тепла, поглощаемое или выделяемое всеми частями калориметра при изменении температуры калориметрической жидкости на , и строго поддерживать тепловые условия, что

2

усложняет способ определения незамерзшей воды и его аппаратурную реализацию. Следует отметить, что в области низких температ р возникают значительные полрешностп в

определении фазового состава воды «алориметрическим способом за счет выделяемой теплоты смачивания. Дополнительная полрешч-юсть возникает из-за дОПущения, что тенлоемкость связанной (пезамерзшей) воды припимается равной 1 .ккал/(кг-град), хотя в действительности она несколько меньше. Все это отражается на точности определения количества незамерзшей воды. Кроме того, содерл аНие незамсрзшей воды в тонкоднсперсных породах (глины, суглинки) ОКазывается зависящим от направления хода изменения температуры в калоримстре, т. е. имеет место гистерезис, приводящий к Неоднозначности определения -количества «езамерзшей воды в

исследуемом образце. Следует также иодчсркиуть, что при калориметрическом способе количество незамерзшеи воды определяется в одном образце исследуемой породы, что значительно усложняет применение этого

способа при массовсм определении количества нсзс.мерзшей воды в образцах различных пород.

Известен также :пособ определения количества незамерзшей воды в исследуемом материале ао его электрическим свойствам 2.

Недостатком такого способа является зависимость электрического параметра материала ие только от влагосодержаиия, «о и от температуры образ1ца.. В связи с этим датчик электрического пара-метра предварительно градуируется При различных аюложительиых температурах и влагосодержа-ниях о бразда данного материала, а затем результаты градуировки экстраполируются на область отрицательных температур и производится учет влияния влажности «а .показания датчика, -что значительно усложняет определение количества иезамерзшей воды и снижает точность определения.

Наиоолее близким техническим решением к данному изобретению является стандартный весовой cilocod определения влажности грунтов cij. Ьесовым :способом можно определить общую (суммарную) влажность мерзлых торных пород, обусловленную суммар|Ным содержанием льда и «езаимерзшеи воды в породе. Однако этот способ не позволяет дифференцировать фазовый состав влаги в .мерзлых породах, т. е. раздельно определить как содержание незамерзшей воды, так и со.держание льда.

Целью изобретения является дифференцированное определение содержания жидкой и твердой фаз воды в мерзлых образцах пород, повышение экономической эффективности и точности определения фазового состава воды в образцах пород при различных отрицательных температурах.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе осуществляют одностороннюю сублимацию льда в образцах горных пород, влагоизолируя все поверхности ооразца, гКроме одной, через которую происходит удаление водяных паров из грунта. При этом в процессе сублимации льда образцы обдувают вдоль открытой поверхности потоком воздуха заданной отрицательной температуры. После достижения дреимуществевно lU-ти миллиметровой толщины иссушенной зоны породы, наблюдаемой визуально по осветлению породы в этой зоне, на основе послойного определения влажности преимущественно слоями 1-2 мм, начиная с открытой поверхности, находят профиль влагосодержания, по которому определяют количество «езамерзшей воды в образце породы при заданной отрицательной температуре и суммарное влагосодерл.ание. Содержание льда в породе определяют по разности между установленным суммарным влагосодержанием и содержанием незамерзщей ;воды.

Определение .количества незамерзшей воды иллюстрируется чертежом, на котором для температур /i и 4 схематически изображены профили суммарной влажности W(Z) в обра зцах тонкодисперсных .горных .пород после проведения сублимации льда в них. Искомое -количество незамерзщей воды определяется точкой (O- По оси Z отложена текущая .координата высоты 0|бразца, а Wo соответствует начальному суммарному влагосодержанию. Область , соответствующая влажности , характеризуется динамическим равновесием незамерзщей воды и льда и постоянством количества незамерзщей

воды (при заданной температуре образца). Область , иссушаемая в процессе сублимации льда, характеризуется отсутствием льда и увеличением относительной влажности водяного пара до 100% при углублении от открытой поверхности образца (2 0) :К зоне фазовых переходов льда (5i

Г1ре.дварительные эксперименты показали, что оптимальная площадь поперечного сечения и высота образцов соста.вляет 10-15 см и 6-8 см соответственно. Боковую поверхность и нижнее основание каждого образца влагоизолируют с помощью прозрачных полиэтиленовых кассет, а верхнее основание

оставляют открытым для удаления воды при сублимации льда в породе. Для сублимации льда образцы помещают в холодильный шкаф, температуру в котором заранее задают равной температуре исследуемых

мерзлых образцов и по ддерживают постоянной в течение всего эксперимента. Для ускорения процесса сублимации льда с помощью электрического вентилятора осуществляют обдЗвку верхних оснований образцов потоком

воздуха преимущественно со скоростью 5- 6 .м/сек.

В процессе сублимации льда происходит углубление зоны фазовых переходов льда. Определение профиля суммарной влажности

по высоте образцов производят через некоторое время после начала сублимации, соответствующее условию |i«10 мм (см. чертеж). Координату Z gi определяют визуально по осветлению иссущаемой области образца

( W WHB) no сравнению с областью, незатронутой процессом сублимации льда (). Суммарную влажность определяют послойно по высоте образца весовым методом как отношение разности в весах каждого слоя

до и после высушивания при 105°С (до достижения постоянного веса) ж весу сухой породы в данном слое. Полученные значения влажности наносят на график в точках, определяющих середину толщины .соответствуюЩих слоев. Толщину слоев в области |i выбирают ра-вной 2-3 мм, в области 1 мм и в области (k - высота образца) -3-5 мм.

На построенных таким образом профилях

суммарной влажности образцов пород проводят прямые, определяющие области малого () и большого () градиентов влагосодержания, и по точке их пересечения, характеризующейся динамическим равновесием фаз воды и соответствующей отсутствию льда и 100%-ной относительной влажности паров воды, определяют количество незамерзшей ВО.ДЫ WHB при за.данной отрицательной температуре. Начальное суммарное

влагосодержание определяют по области 52

, в Которой (,, а льдистость - по разности Wo- .

По сравнению с известны .ми, да«ный слосо б является прямым, что существенио упрощает определение количества незамерзшеи воды и льда и повышает точность определения искомых величин, которая составляет 2%. Надежность способа подтверждена данными параллельного определения количества незамерзшей воды 1В четырех типах горных пород -калориметричесжим и сублимационным методом. Кроме того, способ сублимации льда в породах позволяет определять фазовый состав воды одновременно -в «ескОЛьких десятках и даже сотнях образцов пород, что существенно повышает экономическую эффективность способа.

Э-коно,мический эффект использования данного метода Госстроем РСФСР при инженерно-геологических изысканиях и проектировании инженерных сооружений в районах распространения многолетнемерзлых пород, в том числе в условиях БАМ, по предварительным расчета м составит 180000 руб. в год.

Ф о р М у л а изобретения

Способ определения количества иезамерзшей воды и льда в горных пародах по суммарному влагосодержанию образцов исследуемых мерзлых пород, определяемо му весовым методом, отличающийся тем, что, с целью дифференцированного определения содержания жидкой и твердой фаз воды в мерзлых образцах пород, повышения экономической эффективности и томности определения фазового состава воды в образцах пород при различных отрицательных температурах, осуществляют сублимацию льда в «аждоМ образце с одной из его поверхностей, влагоизолируя остальные поверхности, причем в процессе сублима.ции льда образцы обдувают вдоль открытой поверхности потоком воздуха заданной отрицательной температуры, и после дотижения преимущественно 10-ти ;миллимерровой толщины иссушенной зоны породы, наблюдаемой визуально по осветлению породы в этой зоне, на основе послойного определения влажности преимущественно слоями 1 -

2 мм, находят профиль влагосодержания, по которому определяют количество незамерзшей воды в образце породы при заданной отрицательной температуре и суммарное влагосодержание, а по разности установленного суммарного влагосодержания и содержания незамерзшей воды определяют содержание льда в породе.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1.Нерсесова 3. А. Инструктивные указания по определению количества незамерзшей воды и льда в мерзлых грунтах. «Материалы по лабораторному исследованию мерзлых грунтов, К 2, Изд,-во АИ СССР, М., 1954.

2.Авт. свид. СССР jYo 197233, М. Кл.2 G 01N 25/02, 09.02.66.

3.ГОСТ 5179-64. Грунты. Метод лабораторного определения влажности. Стройиздат, М., 1964.