Удельная теплоемкость связанной воды в глинистых грунтах в пределах сорбционной влажности

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ СВЯЗАННОЙ ВОДЫ В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ В ПРЕДЕЛАХ СОРБЦИОННОЙ ВЛАЖНОСТИ

Старостин Е.Г.1, Тимофеев А.М.2, Кравцова О.Н.3, Таппырова Н.И.4

1Доктор технических наук, 2Доктор технических наук, 3Кандидат технических наук, 4Ведущий инженер, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН в г. Якутске

Связанная вода в глинистых грунтах значительно влияет не только на многие свойства этих грунтов, но и на процессы тепломассопереноса, происходящие в них. В литературе имеются значения удельной теплоемкости связанной воды, но они значительно отличаются друг от друга даже для одного вида грунта. Поэтому уточнение значений удельной теплоемкости связанной воды является важной задачей.

В статье представлены экспериментальные данные по сорбции и удельной теплоемкости глинистого грунта Амгинского месторождения Республики Саха (Якутия), а также сделан расчет удельной теплоемкости связанной воды в диапазоне сорбционных влажностей.

Установлено, что для очищенного глинистого грунта при увеличении сорбционной влажности значения удельной теплоемкости связанной воды увеличиваются, приближаясь к значению удельной теплоемкости свободной воды.

Ключевые слова: глинистый грунт, связанная вода, сорбционная влажность, удельная теплоемкость, дифференциальный сканирующий калориметр.

Bound water in clay soil has a significant influence on many properties and processes of heat and mass transfer. The values of specific heat of bound water are presented by various authors, but they significantly differ from each other even for one kind of soil. Therefore, correction of the values of the specific heat of bound water is an important task.

The article presents experimental data on the sorption and specific heat capacity of Amginsky clay soil deposits which are situated in the Republic of Sakha (Yakutia). Also the calculation of the specific heat capacity of bound water in the clay soil in the range of sorption moistures is presented. It is shown, that the specific heat capacity of bound water of the purified clay soil increases with increasing of moisture sorption values, getting closer to the value of the specific heat capacity of the free water.

Keywords: clay soils, bound water, moisture sorption, specific heat capacity, differential scanning calorimeter.

Свойствам связанной воды посвящены работы академика Б.В. Дерягина, которые положили начало становлению теории о том, что связанная вода обладает иными физическими свойствами (аномальными), чем свободная [1], которая в дальнейшем была развита Н.В. Чураевым [2], П.А. Ребиндером, Е.М. Сергеевым [3], Р.И. Злочевской [4] и т.д. За рубежом исследование свойств связанной воды получило свое развитие в работах В. Дрост-Хансена, Ч. Брауна, Ф. Этцлера, Дж. Коннерса [5] и V. Gutmann [6].

Под влиянием аномальных свойств связанной воды изменяются такие физические свойства, как теплоемкость, вязкость, температуропроводность, диэлектрическая проницаемость, плотность и др. Однако, остается существенная неопределенность в отношении теплоемкости [7]. По данным многих исследователей теплоемкость связанной воды в среднем равна 2,93 кДж/(кгЧК) [4]. По данным других авторов, полученные экспериментальные значения теплоемкости воды около поверхности ряда материалов больше теплоемкости объемной воды и приблизительно равна 5,2 кДж/(кгЧК) [5].

В работе [8] проведены исследования по определению теплоемкости воды в кликерных минералах C3S и C3A дифференциальным сканирующим калориметром DSC-111. Значение теплоемкости в трехкальциевом силикате равно 0,9 кДж/(кгЧК), а трехкальциевом алюминате равно 1,76 кДж/(кгЧК). Анализ модели показывает, что теплоемкость для таких систем является весьма чувствительной характеристикой.

В настоящее время из-за трудностей экспериментальных исследований (небольшое содержание в исследуемых материалах, присутствие примесей и т.д.) банк данных по теплоемкости связанной воды в дисперсных средах неполный. Это определяет необходимость экспериментального изучения свойств связанной воды в каждом конкретном случае.

В настоящей работе сделан расчет теплоемкости связанной воды в глинистых грунтах в пределах сорбционной влажности. Для расчета использованы экспериментальные данные удельной теплоемкости глинистых грунтов при различных положительных температурах.

Для исследований использовался глинистый грунт из Амгинского месторождения Республики Саха (Якутия). Удельная теплоемкость глинистого грунта, взятого непосредственно из месторождения и образцов этого же грунта, но предварительно очищенного от примесей, определялась на дифференциальном сканирующем калориметре SENSYS Evo DSC.

Значения удельной теплоемкости исследуемых глинистых грунтов получены при температурах 20, 30, 40 °С и сорбционных влажностях, соответствующих относительным влажностям воздуха 30, 40, 70, 80, 90, 98 % (табл. 1).

Таблица 1 - Сорбционная влажность глинистых грунтов

Полученные значения удельной теплоемкости исследуемого глинистого грунта представлены на рис. 1 -2.

Видно, что с увеличением сорбционной влажности и с повышением температуры значения удельной теплоемкости для двух видов глинистого грунта повышаются.

Используя полученные значения удельной теплоемкости глинистых грунтов и условие аддитивности теплоемкости, рассчитывалась удельная теплоемкость связанной воды по формуле [9]

,

где CCK - теплоемкость скелета исследуемого образца, кДж/(кгЧК).

Рис.1 - Удельная теплоемкость очищенного Рис.2 - Удельная теплоемкость глинистого грунта в зависимости от неочищенного глинистого грунта в сорбционной влажности. зависимости от сорбционной влажности.

Температура: ? - 40°С, ¦ - 30°С, ? - 20°С Температура: ? - 40°С, ¦ - 30°С, ? - 20°С

На рис. 3 и 4 приведены результаты расчета удельной теплоемкости связанной воды в исследуемых глинистых грунтах в пределах сорбционной влажности.

Рис.3 - Удельная теплоемкость связанной связанной воды в очищенном глинистом грунте в зависимости от влажности. Температура: ? - 40°С, ¦ - 30°С, ? - 20°С

Рис.4 - Удельная теплоемкость связанной воды в неочищенном глинистом грунте в зависимости от влажности. Температура: ? - 40°С, ¦ - 30°С, ? - 20°С

теплоемкость глинистый грунт сорбционный

Как показывают результаты расчета для очищенного глинистого грунта (рис. 3), удельная теплоемкость связанной воды при малых значениях сорбционной влажности имеет маленькие значения порядка 0,7 - 0,9 кДж/(кгЧК) затем, с повышением сорбционной влажности, увеличивается и стремится к значению удельной теплоемкости свободной воды.

Разброс данных при расчете удельной теплоемкости связанной воды в глинистых грунтах обусловлен испарением влаги из образца при нагревании его от 20 °С до 40 °С, причем, чем больше влажность образца, тем больше изменяется влажность (от 0,19% до 0,7%).

Для неочищенного глинистого грунта (многокомпонентная система), из-за содержания в нем примесей, нарушается условие аддитивности и определить какую-либо зависимость и получить определенные значения удельной теплоемкости связанной воды на данном этапе не представляется возможным (рис. 4). Эти исследования требуют дальнейшего продолжения.

Выводы

1. Удельная теплоемкость исследованных глинистых грунтов в пределе сорбционных влажностей с повышением температуры увеличивается, причем, чем больше значения влажности, тем больше значения удельной теплоемкости.

2. Значения удельной теплоемкости очищенного глинистого грунта больше значений удельной теплоемкости неочищенного глинистого грунта. Это объясняется тем, что в неочищенном глинистом грунте присутствуют примеси (органика, песчаные частицы и т.д.), которые влияют на значения удельной теплоемкости.

3. Для очищенного глинистого грунта при увеличении сорбционных влажностей и температуры значения удельной теплоемкости связанной воды увеличиваются, приближаясь к значению удельной теплоемкости свободной воды.

Результаты получены на оборудовании ЦКП «Станция низкотемпературных натурных испытаний».

Список литературы / References

1. Дерягин Б.В. Вода в дисперсных системах. / Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, Ф.Д. Овчаренко и др. М., Химия, 1989, 288 с.

2. Чураев Н.В. Физикохимия процессов массопереноса в пористых телах /Н.В. Чураев. М., Химия, 1990, 272 с.

3. Сергеев Е. М. Связанная вода в грунтах и её влияние на их дисперсность и микроструктуру// Учен. зап./ МГУ, Геология,. 1956, вып. 176, с. 221--231.

4. Злочевская Р.И. Связанная вода в глинистых грунтах. / Р.И. Злочевская. М., Изд-во Моск. ун-та, 1969, 176 с.

5. Etzler F.M., Conners J.J. Temperature dependence of the heat capacity of water in small pores // IPST tecHn.pap.ser. No. 348, Atlanta, 1990, 28p.

6. Gutmann V. Fundamental considerations about liquid water // Pure and Appl. Chem., 1991, vol. 63, No. 12, p. 1715-1724.

7. Старостин Е.Г., Лебедев М.П. Свойства связанной воды в дисперсных породах. Часть 1. Вязкость, диэлектрическая проницаемость, плотность, теплоемкость, поверхностное натяжение // Криосфера Земли, 2014, т. XVIII, № 3. с. 46-54.

8. Коваленко Ю.А. Исследование теплоемкости водных суспензий кликерных минералов C3S и C3A // Сиб. физ.-техн. журн., 1992, № 3, с. 11-13.

9. Гаврильев Р.И. Теплофизические свойства горных пород и напочвенных покровов криолитозоны / Р.И. Гаврильев. Новосибирск, Изд-во СО РАН, 1998, 280с.

Размещено на Allbest.ru