ОГЛАВЛЕНИЕ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ....................................................6
Введение в проблему . ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД В ГЕОКРИОЛОГИИ 10
Глава I. ЕДИНАЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПИСАНИЯ ФАЗОВОГО И АДСОРБЦИОННОГО РАВНОВЕСИЯ НОРОВОЙ ВЛАГИ В ПРЕСНЫХ И ЗАСОЛЕННЫХ МЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ.............................................................21
1.1 Обобщение существующих |ермоднпамическнх моделей описания фазового равновесии норовой влаги и мерзлых горных породах......................................21
1.1.1 Общие аспекты термодинамического описания равновесия поровой влаги в мерзлых горных породах..............................................................21
1.1.2 Фазовое равновесие при плоской конфигурации поверхности раздела фаз влага -лед-пар и учете механических взаимодействий со скелетом пород...................25
1.1.3. Фазовое равновесие при учете кривизны конфигурации поверхности раздела фаз влага-лсд и механических взаимодействий со скелетом пород.......................35
1.1.4 Фазовое равновесие при учете кривизны конфигурации поверхности раздела фаз влага-водяной пар...............................................................37
1.1.5 Отличие гигроскопического равновесия от равновесия лсд- незамерзшая вода... .38
1.1.6 Фазовое равновесие при наличии в поровой влаге ионов легкорастворимых солей.............................................................................40
1.2 Обоснование с.днной термодинамической модели описания фазоного и адсорбционного равновесия поповой влаги в пресных и засоленных .мерзлых породах................42
1.2.1 Исходные предпосылки и допущения....................................44
1.2.2.Количественная оценка влажности для двух условно выделенных термодинамических компонентов незамерзшей воды.........................................48
.1ЛВывр^с|10ВНЫХ.дасчетиых соотношений еднной.тедмодинами ческой модели и алгоритм нахождения параметров фазового равновесия по адсорбционным харакзернещкам и характеристикам растворимости солей.............................................50
1.3.1 Исходные соотношения единой термодинамической модели..................50
1.3.2 Учет произвольности температуры замерзания и температурной зависимости энтальпии норового льда и влаги (раствора)............................................52
1.3.3. Пересчет активности и дифференциальных тепло г адсорбции, смачивания и растворения на произвольную величину положительной или отрицательной температуры......54
1.3.4 Алгоритм программы для оценки параметров фазового равновесия пород разного состава и свойств по данным характеризующим различные вилы равновесия...........55
1.4 Расчетная оценка темперн п ры замерзания мерзлых пород с различной кончен грацией и ионным составом солей в норовом растворе и результаты сопоставления с жеперц-ментальиымн данными.............................................................56
1.4.1 Расчетная оценка температуры замерзания мерзлых порол с хлоридным и сульфатным засолением..................................................................56
1.4.2. Анализ результатов сопоставления расчетных и экспериментальных данных 57
1.5 Расчетная оценка параметров Фазового равновесия влаги в пресных мерзлых породах но адсорбционным характеристикам н результаты сопоставления с экспериментальными данными.........................................................................58
1.5.1 Оценка параметров фазового равновесия влаги в пресных мерзлых породах по изотермам сорбции из жидкой фазы...................................................58
1.5.2 Оценка температуры замерзания и фазового состава влаги в породах но изотермам сорбции водяных паров при положительных температурах............................61
1.5.3 Оценка температуры замерзания и фазового состава влаги в породах по изотермам
сорбции водяных паров с учетом наличия в порах льда.............................65
Выводы к первой главе...........................................................68
Глава 2. ТЕРМОДИНАМИКА, МЕХАНИЗМ И ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПЕРЕНОСА ТЕПЛА И МАССЫ В МЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ, КАК НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ..............................70
2.1. Разработка ^зсмснго^с^щиилснлопсрснос^. мерзлых породах, как неоднородных
сР.сЛ?*л и •-••••■.................................. г;..;:•••:..гт.....,—г.........^9
2.1.1 Термодинамика процессов переноса тепла и массы в горных
пордах..............................................................................70
2.1.2 Уравпение теплопроводности в массиве пород, как частный случай первого закона термодинамики для однородной среды..................................................71
2.1.3 Учет пространственной неоднородности массива мерзлых пород.............73
2.1.4. Учет энергетической неоднородности за счет процессов массопереноса, фазовых и химических превращений............................................................74
2.1.5 Теплоперенос в упруго деформируемом массиве............................77
2.2 Разработка члементов теории миграции влагн н ноной солен и ноле структурных и пространственных микронсодноролностсй мерзлых пород.................................79
2.2.1 Термодинамика и механизмы массопереноса в горных породах...............79
2.2.2 Количественное описание массопереноса в породах имеющих структурную и энергетическую неоднородность...................................................... 82
2.2.3 Учет влияния неоднородности структуры незамерзшей (связанной) воды 87
2.2.4 Многокомпонентная диффузия и миграция ионов в поровом растворе засоленных-дисперсных пород....................................................................89
2.2.5 Пароиеренос в грубо -и тонкодисперсных породах.........................93
2-З.Разрабягка,мс^ентйв теории миграции влаги, в полс^ и мик-
Р 011 еод 11 ороднос Т_е_Й_М£Р.ЗД Ы X пород.. г.;.: -:: - у - - му г •«• ид •**?•
2.3.1 Перенос жилкой н парообразной влаги в нсодноролном температурном поле по-род...........................................................................97
2.3.2 Учет фазовых превращений поровой влагн.................................107
2.3.3 Влагосолеперенос при реакциях растворения солей........................109
2.3.4. Миграция влаги в условиях простых нагружений (сжатие, сдвиг) и в пластически
деформируемом массиве..............................................................112
Выводы к второй главе..............................................................116
Глава 3. Характеристика объекта исследований и методики экспериментальною определения термодинамических параметров, теплофнзнческих и массообменных свойств пород...........................................................119
3.1 Методики экспериментального исследования тсн.тог фазового перехода и крнотндра-тообразовапня. энтальпии и теплоемкости мерзлых порол и их компонентов...........119
3.1.1.Методология оценки термодинамических параметров мерзлых породе помощью
низкотемпературной калориметрии....................................................119
3.1. 2 Разработка методики определения энтальпии и теплоемкости пород в широком диапазоне температур методом монотонного разогрева на установке ИТ-С-400...........120
3.1.3 Модифицированная методика количественного дифференциально- термического анализа для измерения тсплот фазового перехода и криогидратообразования, энтальпии и теплоемкости дисперсных пород.........................................................121
3.2.Мет оды определения температуры замерзания - оттаивании ч фазового состава влаги в мерзлых дисперсных породах.......................................................123
3.2.1 Термодинамические методы определения температуры замерзания - опаивания и
фазового состава влаги в мерзлых породах...........................................123
3.2.3. Модификация криоскопического метода определения температуры замерзания-оттаивания и фазового состава штаги для засоленных пород...........................126
3.2.4 Модификация контактного метода для определения фазового состава влаги в засоленных породах.....................................................................128
3.3 Методы определения теплопроводных характеристик горных пород...................129
Рас.. 1 9 Влияние jQbjieHH/î нa coqержлш/е rfê3AK?rjiy(iÛ booH. QiC .
e/c ••
Vù'
і" 11 ÿp'jjrt '^111
9 л*т\
П fifllTlrflJllfjjiM/tlJffl«/ hop
V ' ' I
lll|lê\ Ulllllll,! %|\| •% І ,ІЧ|
Pue.У Ie PoSnoUcnafl ГеопгтРиЯ поверхности Рльдели jibga. e нгзлчеиш?
&oj<w « W/>0M (Via Г Mu/ßeftfäjJ
Рис. /.і/ Зависимость понижения температура плеадошш лада з овликагедяі КСЛ-І, КСХ-2 и напористом кремнеземе БС-î от
радауез каал^глра [/с?
зі
м внешних механических сил. В частности, количественная взаимосвязь вида и интенсивности гружених с потенциалом взаимодействия и (энергии активации по соответствующей терминоло-и) и температурой рассматривается в рачках кинетической теории прочности (С.С.Вялов[^6 Тем не менсс^уровень достижений кинетической теории пока не позволяет получить надежные личесгвснные оценки. Иа наш взгляд одной из причин является то. что диссипация энергии при здсйствии внешнего нагружения приводит нс только к локальному изменению температуры, но к изменению фазового состава влаги (частично переходит в тепло фазовых переходов). Вслед-вне этого внешняя нарузка Г, давление норовой влаги Р, температура Т и потенциал взаимолсйс-ия и для мерзлых пород, в отличии от талых, уже не могут рассматриваться в уравнении (1.1.4 ) к сугубо независимые переменные. Кроме тог^сам потенциал взаимодействия достаточно слож-■ физически интерпретировать, поскольку он зависит от многих факторов. В частности, его иянне на изменение давления ка норовую влагу <1Р можно оценить из параметров, характсри-ющих величину потенциала взаимодействия (энергии активации) при воздействии внешних на-
Псрвос слагаемое правіж части уравнения (1.1.24) характеризует поверхностное натяжение чергия) на г ранице раздела вода-лсд; второе - конфигурацию поверхности сіір (изменение геомет-!И порового пространства); третье - изменение энергии поверхности пород за счет образования олов, дислокаций, микротрещин. В частности, о влиянии последнего слагаемого свидегельсгоу-г данные приведенные в работе С.С. Вялова и др. (£?-], где на основании микросгрухтурных ис-едоваиий показано, что под действием нагрузок происходит перераспределение влаги с нарушс-ісм структурных и льдоцементационных связей и развитие дефектов структуры в виде микро-ещнн.
В отечественной ли тературе получил широкий резонанс и другой способ учета энергии связи возникающего дополнительного давления на поровою влагу с помощью введенного Б.В. Дсря-ным и Н. В. Чурасвым понятия расклинивающего давления водных пленок, т.с. такого избыточно давления на пленку АР», которое приводит ее в равновесие с объемной фазой . Однако кисгическое использование изотерм расклинивающего давления для реальных пород весьма ожно, поскольку этот межфазный перепад давлений определяется исключительно для плоской ометрии тенки.позволяя оценить природу поверхностных сил минерального скелета, не учиты-ющей сложную геометрию капиллярно-пористого пространства и влияния кривизны поверх нолей раздела. По-видимому, этот подход будет удовлетворительно работать для глинистых пород преобладающим содержанием минералов монтмориллонита. В общем случае, более целесообрач-
- Київ+380960830922