Способ определения теплоты фазового перехода связанной воды в мерзлых грунтах

СОК:)Э СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК9) (1) 25/О ОРСКОМУ СВ ЕЛЬСТ 1) 4819045/252) 16.02,906) 30,08,93. Бюл, В 321) Государственный научно-ильский и проектный институт незавой промышленности им. В ледоватяной и.Мурав 2) Ю.С.Даниэлян и В.А.Таскаев6) Лабораторные методы исследованияерзлых пород/Под ред. Э.Д,Ершова. М.,зд-во МГУ, 1985, с.73 - 74,Курзаев А.В. и др. Связанная вода висперсных системах, МИзд-во МГУ, 1977,156-166,4) СПОСАЗОВОГЫВ МЕР ОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОТЫО ПЕРЕХОДА СВЯЗАННОЙ ВОЗЛ ЫХ ГРУНТАХ Изобретение относится к теплофизичеим измерениям и может быть использовадля решения широкого класса задач омерзания и оттаивания при проектиронии и строительстве зданий и сооружений мерзлых грунтах,Цель изобретения - повышение точнолагосоТо, ниже ески не тов То не т нагрев Сущность изобретения и жом, где на фиг,1 привед ойства, " реал изующе пределения теплоты фазо язанной воды в мерзлых гр изображен график измен отока, как функция темпер ычерчивается на графопост ивании мерзлого грунта; н о изменение температур еряют кори этом менение пределякоторойперехо- прекраполучаютго на отСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТДОМСТВО СССР ОСПАТЕНТ СССР) оясняется черена схема устго способ ваго перехода унтах; на фиг.2 ения теплового атуры, который роителе при ота фиг,3 показа- оттаивания и(57) Изобретение относится к области тепло- физических измерений и может быть использовано в строительстве при проектировании сооружений, работающих в условиях замерзания и оттаивание грунтов. Цель изобретения - повышение точности. Исследуемый образец грунта эамораживают до фиксированной температуры, нагревают образец до температуры оттаивания, измеряют суммарное влагосодержание и теплоту оттаивания при различной начальной влажности, обеспечивающей нахождение температур оттаивания в зоне интенсивных фазовых превращений, определяют зависимости суммарного влагссодержания и теплоты оттаивания от температуры оттаивания с последующи вычислением искомой характеристики. 3 табл., 3 ил. льдистости грунта при изменении суммарной влажности грунта,Способ осуществляют следующим образом,Образец грунта с известнымДЕРжаНИЕМ Ууо 1 ДО тЕМПЕРатУРЫкоторой фазовый переход практипроисходит (для большинства грунпревышаетС), Далее производяэтого образца и одновременно замличество поступающего тепла. Ппроисходит плавление льда и иэльдистости ОЯ образца. Далее оют температуру оттаивания Т 1, привесь лед, находящийся в образцедит в воду и при этой температурещают замер теплового потока иколичество тепла 0(Т 1), эатраченнотаивание образца от температуры То и Т 1, Затем изменяют влажность образца высушиванием или насыщением влагой так, чтобы новое значение суммарного влэгосодержания Яо 2 соответствовало зоне 5 интенсивных фазовых превращений для данного типа грунта, Повторяют охлаждение до температуры То, производят нагрев образца, при этом изменение льдистости равгго Ы 2(Т), затем определяют температуру "0 оттаивания Т 2, определягот количества тепла О(Т 2), затраченного на оттаивание образца ат температуры То и Т 2 и вновь меняют влажность сбразца, а именно, доводят до следующего значения, расположенного в зоне интенсивных фазовых превращений, Сопоставив изменение количества тепла, затраченного на оттаивание образца, и изменение льдистости, определяют теплоту Фазового перехода связанной воды. Понто рив эти операции несколько раз и учитывая, что зависимость суммарного влагосодержания от температуры оттаивания аналогична зависимости количества незамерзшей воды ат температуры по полученным данным оп ределяют зависимости Яо(Т) и г.,г(Т), Затем искомуга характеристику рассчитывагот по формуле:30Сц - 2 С,ко СлТ --- -с - г Ъо (Т) г - зд - с ( - -ф + Сгр Тв.-го)у цэ С) р;Я -гдесо - теплота Фазового перехода свободной воды;С,С 3,Сгг - соответственно удельная35 теплоемкость льда, воды и каркаса образца грунта;Т - температура;Р/(Т) - зависимость суммарного влагосодержания от температуры оттаивания;гЛ,(Т) - суммарное влагосодержание грунта, температура оттаивания которого р" вна 0 СЦ(Т) - зависимость теплоты оттаивания; гпгр - масса каркаса образца грунта.Способ поясняется фиг,1-3.Устройство, реализующее способ определения теплоты фазового перехода связанной воды в мерзлых грунтах, содержит теплометрическую ячейку 1, которая пред ставляет собой пассивный сканирующий калориметр, позволяющий определять температуру и количество теплоты, выделившейся на разных стадиях процесса оттаивания мерзлого грунта 2, помещенного в рабочий объем ячейки, В ячейке установлены датчики теплового потока 3- тепломеры, представляющий собой батареи последовательно соединенных термопар, Для теплоизоляции боковой поверхности ячегка помещена в каркас из печопласта 4, Такая конструкция ячейки позволяет контролировать весь тепловой гготок, пронизывающий исследуемый грунт. В центро рабочей камеры размещена дифференциальная термопара 5, которая измеряют температуру грунта, Один спай термопары ггомещен в нуль термастат. Кроме того, устройство содержит усилитель сигнала термапары б, двухкаординатный графопостроитель 7 и самопишущий потенциаметр 8,Термопара 5 подключена к входу усилителя б, выход которого соединен с "Х" входом графопостроителя 8, Датчлки тепловога потока 3 подключены к саг апигугггему потенциометру 7 и к "У входу г рафггпастроителя 8.Способ определения гаслаты фазового перехода связанной воды в мерзлых груггтах осуществляют следующим образом,Грунт в талом состоянии, с определенным суммарным влагасодержанием И,1, предварительно подготовленный согласно существующим методикам, помещают в камеру 2 ячейки. Пссле этога в центр ячейки помеьцают термопару 5, Ягейку эакрывагат крышкой и эамаграживагог груггт, охладив до температуры Тс, ниже :,аторогФазовый переход практически не происходит, Далее ячейку с грунтам памецаот в сггеду с паложительнои температуоои, г "рогской:гт оттаивание грунта, при этом изменение льдистасти соответствует Функции1(Т), В процессе нагрева с памагцью электроизмерительных приборов производят запись показании датчиков т егло ваго Ггатока и температуоы. На графопостроителе производится запись теплавога патока как функ. ции температуры а(Т)=.гта зависимость имеет экстремум, по положенггю которого определяюттемпературуаттаивания Т 1, при которой в грунте завершается фазовый переход лед-вода, На самопишущем потенциометре регистрируется изменение теплового потока от времени ц(1), При достижении температуры Т 1 запись показаний теплового потока прег(ращают, По полученным данным рассчитывают количество тепла Ц(Т 1), затраченного на оттаивание образца от температуры Т, и Тг. Далее изменяют влажность образца высушиванием или насыщением влагой (в данном примере - высушиванием), так, чтобы новое значение гИо 2 соответствовало зоне интенсивных фазовых превращений для данного типа грунта. Затем повторяют все операции - охлаждают грунт до температуры То, производят нагрев ячейки с грунтом (при этой влажности изменение льдистости соответ1837215 ствует ЦЩ, по кривой цЩ на графопостроителе определяют температуру оттаивания Т 2, и по термограмме на самопишущем потенциометре определяют количество тепла ОТ 2), затраченного на оттаивание образца от температуры То до Т 2, Далее вновь меняют влажность образца, а именно, доводят до следующего значения, расположенного в зоне интенсивных фазовых превращений и повторяют все операции сначала. Проведя испытания несколько раз при различной влажности грунта, по полученным данным определяют зависимости ЮОЩ и ОЩ, Далее по вышеприведенной формуле рассчитывают теплоту фазового перехода связанной воды,П р и м е р. Данным способом определяли теплоту фазового перехода связанной воды в мерзлом каолине. Определение проводилось в следующей последовательности,1, В лабораторных условиях в талом состоянии был подготовлен грунт с влажностью ЮО 1 = 50;ь. Уплотненный грунт поместили в ячейку, затем в него установили термопару.2, Взвешиванием определили массу ячейки с грунтом гл = 128,4 г.3, Ячейку с грунтом охладили в холоильнике до температуры То = -4 С. Замораживание длилось в течение 3,5 часов.4, Ячейку извлекали из холодильника и производили нагрев грунта, Одновременно вели регистрацию показаний датчиков температуры и теплового потока на графопостроителе и потенциометре, По достижении функцией цЩ, регистрируемой графопостроителем, максимума, испытания прекращали. По положению максимума определили температуру оттаивания грунта Т = -0,29 ОС.5, С термогрэммы, записанной потенциометром, снимали данные и заносили в табл,1.6. По полученным данным вычисляли количество теплоты 0(Т 1), затраченное на оттаивание грунта от температуры То =-4 С до Т 1 = -0,29 С, Расчет вели по формуле: И - 1ОЩ=г) Х (ц)+цн.1), ц;= а Е)где а= 0,00558 Дж/мВс - коэффициентдат 1 чиков теплового потока ячейки;Е) - показания датчиков теплового пото 1 ка, мВ;М - количество точек замера экспери 1 ментальных данных;Ь - временной шаг, сек. Полученное значение количества теплоты О(Т 1) = 61,9 кДж/кг.Из проведенного эксперимента значения М/о 1, Т 1, О(Т 1) заносили в таблицу 2,5 7, Изменили влажность грунта. Для этого открыли крышку ячейки и высушивалигрунт в течение 1 часа при температуре+20 С, Ячейку закрыли крышкой и взвесили:п 1 = 128,2 г, Определили полученную влэж 10 ность грунта Юо 2 = 49,2.8. Ячейку вновь поместили в холодиль. ник с температурой То = -4 С и заморозилигрунт.9. Ячейку извлекли из холодильника и15 подвергли нагреву, На графопостроителе ипотенциометре в ходе этого регистрировалисигналы датчиков температуоы и тепловогопотока. Испытания были прекращены по достижении максимума на кривой цТ), по ко 20 торому была определена температураоттаивания Т 2 = -0,34 С. По результатам,зарегистрированным потенциометром, заполнили таблицу, подобную 1-й,10. Рассчитали количество теплоты, за 25 траченное на оттаивание грунта от температуры То = -4 С до температуры Т 2 = -0,34 С:О)Т 2) = 60, 13 кДж/кг,Полученные значения занесли в таблицу 2,11, Далее вновь производили измене 30 ние влажности высушиванием и повторялиоперации, описанные выше. Изменениевлажности производили несколько раз стем, чтобы перекрыть весь диапазон эффективных фазовых превращений для данного35 типа грунта, Полученные данные вновь заносили в табл.2.12, Применяя статистическую обработку экспериментальных данных с последующей аппроксимацией, получили40 зависимости ЧЧоТ) и ОоТ)В/о) = 4,2 - 0,778 1/ТЗ) + 24,1 1/Т)ОоЩ = 85,9 - 57,7 1/ТПолученные функции подставили в приведенную формулу и определили температур 45 ную зависимость кТ): Результаты расчета приведены в табл.3.Формула изобретения Способ определения теплоты фазового перехода связанной воды в мерзлых грунтах, включающий определение суммарного влагосодеожания, нагрев предварительно замороженного до определенной температуры образца грунта и определение темпеТаблица 1 7ратуры оттаивания с последующим вычислением искомой характеристики, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, дополнительно измеряют количество тепла оттаивания, затраченного на на грев образца от начальной температуры до температуры оттаивания при различных где Х - теплота фазового перехода свободной воды;Сл, Св, Сгр - соответственно удельная теплоемкость льда, воды и каркаса образца грунта;Т - температура оттаивания;В/,Щ - зависимость суммарного влагосодержания от температуры оттаивания; значениях начальной влажности образца, обеспечивающих нахождение температур оттаивания в зоне интенсивных фазовых превращений, определяют зависимость суммарного влагосодержания и теплоты оттаивания оттемпературы оттаивания, а искомую характеристику рассчитывают по формуле Юо(0) - суммарное влагосодержаниегрунта, температура оттаивания которогоравна ОС; 0(Т) - зависимость теплоты оттаиванияот температуры оттаивания; ер - масса каркаса образца грунта,1837215Составитель В.Марченко Редактор С,Кулакова Техред М.Моргентал Корректор Н.Ревска аказ 2862 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101