Эффект переохлаждения и понижение температуры замерзания

Два важных явления, сопровождающих замерзание грунта, — это эффект переохлаждения и снижение температуры замерзания. В то время как чистая вода при атмосферном давлении замерзает при температуре О °С, вода, находящаяся в порах грунта, имеет более низкую температуру кристаллизации. Эти явления подробно исследовались G. J. Bouyoucos, М. М. McCool и П. И. Андриановым [15]. Было показано, что при равномерном охлаждении образца грунта, кристаллизации поровой воды не наблюдается до некоторого отрицательного значения температуры, ниже ноля. В этом случае поровая вода, будучи в жидкой фазе при отрицательной температуре, находится в переохлажденном состоянии. При дальнейшем замораживании грунта при некоторой температуре tn происходит резкое повышение температуры, соответствующее начальному моменту кристаллизации порой влаги с одновременным высвобождением скрытой теплоты фазового перехода. Рост температуры происходит до некоторого значения /?, соответствующего равновесной температуре замерзания грунта, которое, как правило, ниже 0 °C (рис. 4.2). При температуре ts происходит замерзание свободной воды в грунте, при этом время, в течение которого величина tj остается постоянной, зависит от начальной влажности, типа грунта и интенсивности отвода тепла. Как видно из рис. 4.2, при дальнейшем снижении температуры (t < t3), темп охлаждения грунта не возобновляется (каков он был на отрезке tH-tri), а график на данном участке имеет выпуклость. Это доказывает, что теплота фазового перехода продолжает выделяться и при более низких температурах.

Рис. 4.2. Кривая охлаждения и замерзания грунта.

Величина tn не является постоянной для конкретного типа грунта; она зависит в первую очередь от интенсивности охлаждения: чем она выше, тем выше tn, однако чем медленнее охлаждать грунт, тем дольше можно поддерживать его в переохлажденном состоянии и тем более низкой температуры tn

можно достичь. Немаловажным фактором является также механическое воздействие на переохлажденный грунт — встряхивание, вибрация и т. п. вызывают мгновенное кристаллообразование. Остальными факторами, в меньшей степени влияющими на температуру tn, являются: минералогический состав, дисперсность частиц, особенности поровой воды и т. д.

Значение температуры начала кристаллизации поровой воды в дисперсных породах определяется величиной энергии связи грунтовой влаги с минеральной поверхностью, т. е. чем больше суммарная площадь поверхности минеральных частиц, тем больше эта энергия и чем тоньше пленка связанной воды, тем ниже значение температуры начала кристаллизации. Так, в песках, содержащих большое количество свободной воды, температура t? практически одинакова с температурой кристаллизации объемной воды. Поэтому при /3 ~ О °С в песках замерзает вся свободная вода. При дальнейшем охлаждении температура грунта будет понижаться постепенно, примерно до -0,5—1 °С, что свидетельствует о за-мерзании связанной воды; при этом продолжается выделение небольших количеств теплоты кристаллизации. В глинистых породах, характеризующихся большей дисперсностью минеральных частиц, а, следовательно, большей активной удельной поверхностью, температура замерзания 13 связанной воды существенно ниже, чем в песках, и может достигать, к примеру в монтмориллонитовых глинах, значений порядка -2,5 — -3,5 °С, при влажности 41−45% [8].