Способ определения температуры завершения фазового перехода для воды, содержащейся в дисперсных материалах

О П "-А. НБ",И Союз Советских Социалистических Республик(51 2 ено 22,12,76 (21) 2432025/18 И 25/ ением заявкиприс Государственный комитет Совета Министров ССР по делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения Фроло В. Гусев Московский геолого-разведочный ин им. С. Орджоникидзе(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗАВЕРШЕН ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА ДЛЯ ВОДЫ, СОДЕРЖАЩЕЙСЯ В ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛАХ Изобретение относится к области технической физики (физика горных пород) и геологии (мерзлотоведение) и может быть использовано при изучении замерзания воды в мерзлых горных породах, фазовый переход воды в лед в которых растянут на широкий интервал температур (до нескольких десятков градусов).Известно, что для определения температуры завершения фазового перехода воды в лед в мерзлых породах применяют калориметрический способ, который основан на измерении удельной теплоемкости исследуемых образцов мерзлых пород при различных температурах 111. При этом образец исследуемой породы замораживают до температуры измерений (измерения проводят на фиксированных температурах, например, через 1 С), переносят в калориметр с эталонной (положительной) температурой, определяют количество тепла, поглощаемого образцом при нагревании от исследуемой температуры до эталонной и, проведя серию измерений с различными отрицательными температурами, определяют эффективные удельные теплоемкостп образца мерзлой породы при исследуемых температурах. Самую высокуо темп ратуру, при которойжс нет изменений эффективной удельной тсплосмкости, считают температурой завернц ния фазового перехода.Основнымп недостатками калориметрического способа являются следующие,В каждом цкл замораживание -- оттаивание криогснная структура образца изменяется, так что нельзя считать, что в каждом цикле измерения выполняются па одном и том же образце.Разрешающая способность способа невелика и при содержаниях незамерзшей воды менее 1%, с помощью калориметрпческого способа трудно установить изменения фазового состава воды в образце.Наиболее близким по технической сугцности к предлагаемому изобретению является способ определения температуры завершения фазового перехода воды в лед в дисперсных и пористых мерзлых породах, основанный на применении ядерно - . магнитного резонанса 1 ЯМР). Этот способ заключает ся в том, что образец мерзлой породы помещают в измерительную ячейку, .1 амораживают до температуры, гарантирующей .ивершение фазового перехода воды в лед. Формула изобретения 5 О 55 в исследуемой породе, например лля кварцевого песка до температуры ниже - . ЗОС, повышают температуру и регистрируют изменение спектра ЯМР, По температурному изменению спектра, в частности по появле. нию узкого компонента, соответствующего подвижным молекулам Н О, определяют температуру начала плавления льда, которая в цикле понижения температуры соответствует температуре завершения фазового переходаводы в лед 12,Этот метод обладает рядом иедостатков.При изучении образцов песчано-глинистых пород спектры.ЯМР искажаются за счет взаимодействия ядер с конами парамагнитных примесей, которые всегда содержатся в реальных горных породах, Для выяснения природы изменения спектра ЯМР в этих случаях приходится проводить специальные дополнительные исследования.Аппаратура для изучения спектров ЯМР весьма сложна и серийно нашей промышленностью пока не выпускается,Целью изобретения является повышение надежности определения температуры завершения фазового перехода воды в лед, в том числе, и при наличии парамагиитных примесей в мерзлой породе,Цель достигается тем, что по предлагаемому способу измеряют температурную зависимость эффективного времени электрической релаксации в диапазоне низких частот, сравнива 1 от ее с такой же зависимостью для поликристаллического льда, при этом температура, при которой эффективные,времена электрической релаксации материала и льда совпадают, является искомой температурой, а измерения проводят в диапазоне 0,01 - 100 кГц. Образец исследуемой породы помещают в, измерительную ячейку, например в плоскопараллельный измерительный конденса. тор, и заморажнвают в холодильной камере, до температуры, гарантирующей завершение фазовых переходов воды в лед в этой породе (например, для песка около ( - ЗО) - ( - 35)С, для каолина около ( - 80) - ( - 100)С. Затем постепенно повышают температуру образца, например, че. рез 1 С, одновременно регистрируя ее, на- пример, с помощью термопарыили термосопротивления. С помощью стандартных измерительных приборов, например куметра или моста переменного тока, в образце создают переменное электромагнитное поле. В диапазоне низких частот, например 0,01 - 100 кГц, определяют коэффициент диэлектрических потерь исследуемой породы и находят круговую частоту, соответствующую максимальному значению коэффициентаа потерь, (т. е, ь ). Го соотношению 9 ) -, где Оз 4, (1) - эффекг. 1 гтивиое время нйзкочастотной электрической релаксации, м , - круговая частота, соответствующая максимальному значению коэффициента диэлектрических потерь, определяют эффективное, время релаксации для каждой температуры измерений. После всех перечисленных операций находят, например, графическим путем, самую высокую температуру, прн которой еще выполяется равенст во удельных (т.е. на 1 С) приращений логарифмов эффективных времен релаксации мерзлой горной породы и поликристаллического л ьда, т. е.:(А Еэф ) (3 пародьр = 11 Кцю ) (Ьаде Это значение считают температурой ирактически полного завершения фазовых переходов воды в лед в исследуемой породе.Измерение в цикле повышения, а не поЗ 1. нижения температуры позволяет свести доминимума влияние перераспределения влаги в образа в процессе изменения его температуры,Предлагаемый способ можно применятьпри любом составе исследуемой породы, в 5 том числе и при наличии в породе парамаг.нитных примесей, которые в реальных породах присутствуют практически всегда. Тем самым повышается надежность определения температуры завершения фазовых переходов воды в лед в мерзлых породах, оказывающих определяющее влияние на формирование основных физических и механических свойств этих пород,т, е. параметров, которые необходимо знать при расчетах, про- изводимых в строительном проектировании,. Способ определения температуры завершения фазового перехода для воды, со. держащейся в дисперсных материалах, включающий нагревание иедварительно замороженного образца, помещенного в переменное электрическое поле, измерение спектра поглощения и температуры, отличающийся тем, что, с целью расширения класса исследуемых материалов и повышения точнос. ти, измеряют температурную зависимость эффективного времени электрической релаксации в диапазоне низких частот, сравнивают ее с такой же зависимостью для поли. кристаллического льда, при этом по температуре, при которой эффективные времена электрической релаксации материала и льда совпадают, судят об искомой температур.. 2. Способ по п. 1, отличающийсн тем, что измерения проволят в диапазоне 0,0 в 00 кГц.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:6245 Составитель Е. УстюжанннТехред О. Луговая Корректор Е. Папп Тираж 11 2 Подписное Рсдактор И. ШубинаЗаказ 5175/35 ОНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж 35, Раушская наб. д. 4/5 филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул, Проектная, 4. Нерсесова 3. А., Цытович Н. А. Док.лады на Международной конференции померзлотоведению, М., АН СССР, 1963. 2. Квливидзе В. И, и др. Сб. Связаннаявода в дисперсных системах, вып. 2, М.,МГУ, 972,