Особенности процесса неравновесного замерзания влажного грунта

Во многих случаях при изучении процессов замерзания — оттаивания грунтов и сопровождающих их явлений в постановке и решении различных задач криологии рассматривается процесс равновесного замерзания поровой воды, т. е. система лед — вода в грунте в любой момент времени находится в состоянии устойчивого термодинамического равновесия. При этом не учитывается факт возможного в ряде случаев протекания неравновесного процесса замерзания, или перехода из равновесного состояния в неравновесное и наоборот. Здесь поднимается вопрос о механизме и кинетике процесса фазового превращения вода лед. Благодаря исследованиям геокриологов [2, 3, 7] был установлен ряд особенностей замерзания связанной воды, в частности, тот факт, что равновесное значение содержания незамерзшей воды устанавливается не сразу после замерзания грунта и достижения им установленной отрицательной температуры, а спустя некоторый промежуток времени, характерный для каждого типа грунта.

Существенный вклад в изучение и понимание этого явления внесен Л. В. Чистотиновым [3], им были проведены исследования грунтов по методике [16], в которой определение температурной зависимости количества незамерзшей воды проводится по температурам оттаивания мерзлых образцов с разной исходной влажностью. Изучались зависимость температуры оттаивания мерзлых грунтов от времени их выдерживания при различной отрицательной температуре и величины этой температуры. Эксперимент состоял из трех этапов: грунт выдерживался в течение 1−2 ч, 4−5 ч и 65−70 ч. Наблюдалась постепенность достижения равновесной температуры оттаивания, при этом t_on второго и третьего этапов практически совпадали, в то время как температура оттаивания в первом этапе существенно ниже. Из этого было сделано заключение, что для получения истинной равновесной t_0TT опыты нужно проводить согласно второму этапу. Наиболее показательны результаты, полученные для бентонита отмытого, — температура оттаивания, при г = 1 — 2ч и влажности грунта 35%, равна -1,75 °С, в то время как равновесная t_0Tr составляет -0,90 °С.

Наиболее вероятными объяснениями постепенности достижения равновесного значения незамерзшей воды, для данной температуры, являются факторы, обусловленные релаксационным характером кинетики кристаллизации [3, 16], а также постепенностью снижения внутренних напряжений, возникающих в поровом льде при замерзании. В существующей модели связи минеральной частицы грунта с поровой водой слои воды, окружающие частицу, ориентируются под действием электромолекулярных сил взаимодействия, в результате происходит искажение структуры воды и, как следствие, изменение ее плотности, t_Kun и других свойств.

По той причине, что структура связанной воды не является льдоподобной, для образования из нее льда необходима предварительная перестройка структуры той части воды, которая при данной температуре может участвовать в фазовом переходе, в льдоподобную структуру. Преобразования, связанные с предварительной перестройкой структуры, являются одной из причин релаксационного характера кинетики кристаллизации связанной воды [15]. Помимо этого, влияющими факторами также являются условия, обеспечивающие растущие кристаллы льда питанием водой. Ввиду наличия в грунтах пор различных размеров, т. е. гетеропористости структуры, замерзание воды в наиболее крупных порах сопровождается миграцией влаги из менее крупных пор, в которых вода при данной температуре не кристаллизуется. Поскольку миграция развивается во времени и зависит от массообменных свойств грунта, процесс замерзания может продолжаться еще некоторое время, уже после достижения грунтом заданной температуры. В частности, этим объясняется наблюдаемая зависимость снижения степени неравновесности в системе лед — вода при понижении отрицательной температуры. Чем ниже температура среды, в которой осуществляется замораживание грунта, тем меньше эффект перераспределения влаги за счет ее локальной миграции. Поэтому количество незамерзшей воды быстро достигает практически постоянных значений при более низких температурах замораживания.

Здесь необходимо добавить следующее: мелкодисперсные грунты содержат большое количество незамерзшей воды при отрицательной температуре, которая связана поверхностью частиц, причем вязкость связанной воды выше свободной. По этим причинам, влага в таких грунтах обладает меньшей подвижностью, следовательно, питание водой растущего кристалла льда затруднено, и время, необходимое на установление равновесия, возрастает [8].

Таким образом, выделены три основных составляющих неравновесного процесса замерзания, а именно: необходимость перестройки структуры связанной воды в льдоподобную; релаксации возникающих во льду напряжений; процесс перераспределения влаги за счет ее локальной миграции.