Гистерезис в изменении содержания незамерзшей воды

Известно утверждение о том, что при понижении отрицательной температуры образца кривая изменения содержания незамерзшей воды отличается от таковой в случае повышения отрицательной температуры. Таким образом, при постепенном замораживании грунта до некоторой величины температуры, скажем -13,5 °С, влажность грунта для любой точки ряда (t3—13,5 °С) отличается от влажности, полученной при повышении температуры от -13,5 °С до ноля. Таким образом, будет наблюдаться гистерезис, т. е. содержание незамерзшей воды будет зависеть от направления изменения температуры в грунте — рост или уменьшение.

Для изучения этого явления были проведены две серии экспериментов: первая — замораживание грунта, проведена стандартным, калориметрическим методом. Вторая серия экспериментов проводилась для изучения кривой оттаивания [8]. Каждый раз образец замораживался в криостате в течение 3,5−4 часов до температуры -13,5 °С. Из предварительного эксперимента была определена влажность образца при данной температуре. Особенностью калориметрического опыта в данном случае является то, что калориметрическая жидкость (этиловый спирт) имеет отрицательную температуру.

По окончании замораживания, образец помещается в калориметр, температура в котором выше температуры образца, в результате чего происходит частичное оттаивание образца до температуры калориметрической жидкости с учетом ее снижения в процессе эксперимента. В ходе расчета вычисляется масса льда, которая перешла в жидкую фазу от температуры -13,5 °С до температуры калориметрической жидкости. Далее, используя найденное значение и известную величину остаточной влажности грунта при -13,5 °С, находится искомое содержание незамерзшей воды в образце при температуре калориметрической жидкости. Для получения ряда экспериментальных точек варьировалась температура калориметрической жидкости, с предварительным учетом понижения температуры в главном периоде калориметрического эксперимента.

Результатом проведенных исследований служит график, изображенный на рис. 4.18.

В каждой экспериментальной точке как кривой «замораживание», так и «нагрев», система лед — вода в грунте находится в состоянии устойчивого термодинамического равновесия, т. к. интенсивность отвода и подвода тепла не превышала значений, характерных для условия приведения системы в равновесное состояние. Рис. 4.18 подтверждает наличие гистерезиса в содержании воды между двумя разными направлениями изменения температуры грунта — замораживании и оттаивании. Тем самым подтверждается факт частичного таяния льда в мерзлом грунте при повышении температуры узкой области отрицательной температуры (-1 °С—0,2 °С).

При этом содержание незамерзшей воды при одной и той же отрицательной температуре для кривой 2 заметно меньше, чем для кривой 1.

На данный момент нет единого мнения, объясняющего причину, по которой наблюдается превышение количества незамерзшей воды в цикле замерзания по сравнению с циклом оттаивания. Большинство авторов [11, 13] связывают данное явление с влиянием менисковых сил на процесс промерзания. Поверхностное натяжение менисков воды в ультракапиллярах уменьшает ее промерзание, что приводит к некоторому увеличению содержания жидкой фазы до определенной температуры, при которой большая часть воды в грунте замерзает, тем самым силы межмолекулярного взаимодействия на границе фаз — твердого тела, жидкости аннулируются. Поэтому при обратном направлении изменения температуры, т. е. при ее повышении, происходит лишь частичное таяние льда, при этом влияние менисковых сил исключается [13]. Помимо этого, важную роль играет перераспределение влаги при замерзании грунта. Замерзание воды в грунте происходит сначала в более крупных порах. Вследствие миграции из мелких пор, вода, поступая к кристаллам льда, образующимся в крупных порах при данной отрицательной температуре, кристаллизуется с увеличением размеров кристаллов. В результате происходят накопление и концентрация льда в крупных порах, где влияние минеральной поверхности мало, поэтому образованные таким путем кристаллы льда оттаивать будут при более высокой отрицательной температуре [3].