УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ СВЯЗАННОЙ ВОДЫ В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ В ПРЕДЕЛАХ СОРБЦИОННОЙ ВЛАЖНОСТИ

Старостин Е.Г.¹, Тимофеев А.М.², Кравцова О.Н.³, Таппырова Н.И.⁴

¹Доктор технических наук, ²Доктор технических наук, ³Кандидат технических наук, ⁴Ведущий инженер, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН в г. Якутске

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта Российского фонда фундаментальных исследований (Грант № 14-05-00328)

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ СВЯЗАННОЙ ВОДЫ В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ В ПРЕДЕЛАХ СОРБЦИОННОЙ ВЛАЖНОСТИ

Аннотация

Связанная вода в глинистых грунтах значительно влияет не только на многие свойства этих грунтов, но и на процессы тепломассопереноса, происходящие в них. В литературе имеются значения удельной теплоемкости связанной воды, но они значительно отличаются друг от друга даже для одного вида грунта. Поэтому уточнение значений удельной теплоемкости связанной воды является важной задачей.

В статье представлены экспериментальные данные по сорбции и удельной теплоемкости глинистого грунта Амгинского месторождения Республики Саха (Якутия), а также сделан расчет удельной теплоемкости связанной воды в диапазоне сорбционных влажностей.

Установлено, что для очищенного глинистого грунта при увеличении сорбционной влажности значения удельной теплоемкости связанной воды увеличиваются, приближаясь к значению удельной теплоемкости свободной воды.

Ключевые слова: глинистый грунт, связанная вода, сорбционная влажность, удельная теплоемкость, дифференциальный сканирующий калориметр.

Starostin E.G.¹, Timofeev A.M.², Kravtsova O.N.³, Tappyrova N.I.⁴

¹ PhD in Engineering, ² PhD in Engineering, ³PhD in Engineering, ⁴Lead engineer, Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North, SB RUS in Yakutsk

THE SPECIFIC HEAT CAPACITY OF BOUND WATER IN CLAY SOILS

Abstract

Bound water in clay soil has a significant influence on many properties and processes of heat and mass transfer. The values of specific heat of bound water are presented by various authors, but they significantly differ from each other even for one kind of soil. Therefore, correction of the values of the specific heat of bound water is an important task.

The article presents experimental data on the sorption and specific heat capacity of Amginsky clay soil deposits which are situated in the Republic of Sakha (Yakutia). Also the calculation of the specific heat capacity of bound water in the clay soil in the range of sorption moistures is presented. It is shown, that the specific heat capacity of bound water of the purified clay soil increases with increasing of moisture sorption values, getting closer to the value of the specific heat capacity of the free water.

Keywords: clay soils, bound water, moisture sorption, specific heat capacity, differential scanning calorimeter.

Свойствам связанной воды посвящены работы академика Б.В. Дерягина, которые положили начало становлению теории о том, что связанная вода обладает иными физическими свойствами (аномальными), чем свободная [1], которая в дальнейшем была развита Н.В. Чураевым [2], П.А. Ребиндером, Е.М. Сергеевым [3], Р.И. Злочевской [4] и т.д. За рубежом исследование свойств связанной воды получило свое развитие в работах В. Дрост-Хансена, Ч. Брауна, Ф. Этцлера, Дж. Коннерса [5] и V. Gutmann [6].

Под влиянием аномальных свойств связанной воды изменяются такие физические свойства, как теплоемкость, вязкость, температуропроводность, диэлектрическая проницаемость, плотность и др. Однако, остается существенная неопределенность в отношении теплоемкости [7]. По данным многих исследователей теплоемкость связанной воды в среднем равна 2,93 кДж/(кг×К) [4]. По данным других авторов, полученные экспериментальные значения теплоемкости воды около поверхности ряда материалов больше теплоемкости объемной воды и приблизительно равна 5,2 кДж/(кг×К) [5].

В работе [8] проведены исследования по определению теплоемкости воды в кликерных минералах C₃S и C₃A дифференциальным сканирующим калориметром DSC-111. Значение теплоемкости в трехкальциевом силикате равно 0,9 кДж/(кг×К), а трехкальциевом алюминате равно 1,76 кДж/(кг×К). Анализ модели показывает, что теплоемкость для таких систем является весьма чувствительной характеристикой.

В настоящее время из-за трудностей экспериментальных исследований (небольшое содержание в исследуемых материалах, присутствие примесей и т.д.) банк данных по теплоемкости связанной воды в дисперсных средах неполный. Это определяет необходимость экспериментального изучения свойств связанной воды в каждом конкретном случае.

В настоящей работе сделан расчет теплоемкости связанной воды в глинистых грунтах в пределах сорбционной влажности. Для расчета использованы экспериментальные данные удельной теплоемкости глинистых грунтов при различных положительных температурах.

Для исследований использовался глинистый грунт из Амгинского месторождения Республики Саха (Якутия). Удельная теплоемкость глинистого грунта, взятого непосредственно из месторождения и образцов этого же грунта, но предварительно очищенного от примесей, определялась на дифференциальном сканирующем калориметре SENSYS Evo DSC.

Значения удельной теплоемкости исследуемых глинистых грунтов получены при температурах 20, 30, 40 °С и сорбционных влажностях, соответствующих относительным влажностям воздуха 30, 40, 70, 80, 90, 98 % (табл. 1).

Таблица 1 - Сорбционная влажность глинистых грунтов

Относительная влажность воздуха, [%]	30	40	70	80	90	98
Сорбционная влажность неочищенного глинистого грунта, [%]	3	3,5	5,7	7	8	10,5
Сорбционная влажность очищенного глинистого грунта, [%]	3,4	4	6,3	7,8	9	12,2

 

Полученные значения удельной теплоемкости исследуемого глинистого грунта представлены на рис. 1 -2.

  Рис.1 - Удельная теплоемкость очищенного                          Рис.2 - Удельная теплоемкость глинистого грунта в зависимости от                                     неочищенного глинистого грунта в сорбционной влажности.                                                       зависимости от сорбционной влажности. Температура: ∆ - 40°С, ■ – 30°С, ◊ - 20°С                          Температура: ∆ - 40°С, ■ – 30°С, ◊ - 20°С

Видно, что с увеличением сорбционной влажности и с повышением температуры значения удельной теплоемкости для двух видов глинистого грунта повышаются.

Используя полученные значения удельной теплоемкости глинистых грунтов и условие аддитивности теплоемкости, рассчитывалась удельная теплоемкость связанной воды по формуле [9]

,

где C_CK - теплоемкость скелета исследуемого образца, кДж/(кг×К).

На рис. 3 и 4 приведены результаты расчета удельной теплоемкости связанной воды в исследуемых глинистых грунтах в пределах сорбционной влажности.

 

Рис.3 - Удельная теплоемкость связанной связанной воды в очищенном глинистом грунте в зависимости от влажности. Температура: ∆ - 40°С, ■ – 30°С, ◊ - 20°С

Рис.4 - Удельная теплоемкость связанной воды в неочищенном глинистом грунте в зависимости от влажности. Температура: ∆ - 40°С, ■ – 30°С, ◊ - 20°С

 

Как показывают результаты расчета для очищенного глинистого грунта (рис. 3), удельная теплоемкость связанной воды при малых значениях сорбционной влажности имеет маленькие значения порядка 0,7 – 0,9 кДж/(кг×К) затем, с повышением сорбционной влажности, увеличивается и стремится к значению удельной теплоемкости свободной воды.

Разброс данных при расчете удельной теплоемкости связанной воды в глинистых грунтах обусловлен испарением влаги из образца при нагревании его от 20 °С до 40 °С, причем, чем больше влажность образца, тем больше изменяется влажность (от 0,19% до 0,7%).

Для неочищенного глинистого грунта (многокомпонентная система), из-за содержания в нем примесей, нарушается условие аддитивности и определить какую-либо зависимость и получить определенные значения удельной теплоемкости связанной воды на данном этапе не представляется возможным (рис. 4). Эти исследования требуют дальнейшего продолжения.

Выводы

1. Удельная теплоемкость исследованных глинистых грунтов в пределе сорбционных влажностей с повышением температуры увеличивается, причем, чем больше значения влажности, тем больше значения удельной теплоемкости.
2. Значения удельной теплоемкости очищенного глинистого грунта больше значений удельной теплоемкости неочищенного глинистого грунта. Это объясняется тем, что в неочищенном глинистом грунте присутствуют примеси (органика, песчаные частицы и т.д.), которые влияют на значения удельной теплоемкости.
3. Для очищенного глинистого грунта при увеличении сорбционных влажностей и температуры значения удельной теплоемкости связанной воды увеличиваются, приближаясь к значению удельной теплоемкости свободной воды.

Результаты получены на оборудовании ЦКП «Станция низкотемпературных натурных испытаний».

Список литературы / References

1. Дерягин Б.В. Вода в дисперсных системах. / Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, Ф.Д. Овчаренко и др. М., Химия, 1989, 288 с.
2. Чураев Н.В. Физикохимия процессов массопереноса в пористых телах /Н.В. Чураев. М., Химия, 1990, 272 с.
3. Сергеев Е. М. Связанная вода в грунтах и её влияние на их дисперсность и микроструктуру// Учен. зап./ МГУ, Геология,. 1956, вып. 176, с. 221—231.
4. Злочевская Р.И. Связанная вода в глинистых грунтах. / Р.И. Злочевская. М., Изд-во Моск. ун-та, 1969, 176 с.
5. Etzler F.M., Conners J.J. Temperature dependence of the heat capacity of water in small pores // IPST tecHn.pap.ser. No. 348, Atlanta, 1990, 28p.
6. Gutmann V. Fundamental considerations about liquid water // Pure and Appl. Chem., 1991, vol. 63, No. 12, p. 1715-1724.
7. Старостин Е.Г., Лебедев М.П. Свойства связанной воды в дисперсных породах. Часть 1. Вязкость, диэлектрическая проницаемость, плотность, теплоемкость, поверхностное натяжение // Криосфера Земли, 2014, т. XVIII, № 3. с. 46–54.
8. Коваленко Ю.А. Исследование теплоемкости водных суспензий кликерных минералов C₃S и C₃A // Сиб. физ.-техн. журн., 1992, № 3, с. 11–13.
9. Гаврильев Р.И. Теплофизические свойства горных пород и напочвенных покровов криолитозоны / Р.И. Гаврильев. Новосибирск, Изд-во СО РАН, 1998, 280с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Derjagin B.V. Voda v dispersnyh sistemah [Water in disperse systems]/ B.V. Derjagin, N.V. Churaev, F.D. Ovcharenko and others. M., Himija, 1989, 288 p. [in Russian]
2. Churaev N.V. Fizikohimija processov massoperenosa v poristyh telah [Physical chemistry of mass transfer processes in porous bodies]/N.V. Churaev. M., Himija, 1990, 272 p. [in Russian]
3. Sergeev E. M. Svjazannaja voda v gruntah i ejo vlijanie na ih dispersnost' i mikrostrukturu [Bound water in the soil and its effect on their dispersion and microstructure]// Uchen. zap./ MGU, Geologija,. 1956, 176 edition, p. 221—231. [in Russian]
4. Zlochevskaja R.I. Svjazannaja voda v glinistyh gruntah [Bound water in clay soils]/ R.I. Zlochevskaja. M., Izd-vo Mosk. un-ta, 1969, 176 p. [in Russian]
5. Etzler F.M., Conners J.J. Temperature dependence of the heat capacity of water in small pores // IPST tecHn.pap.ser. No. 348, Atlanta, 1990, 28p.
6. Gutmann V. Fundamental considerations about liquid water // Pure and Appl. Chem., 1991, vol. 63, No. 12, p. 1715-1724.
7. Starostin E.G., Lebedev M.P. Svojstva svjazannoj vody v dispersnyh porodah. Chast' 1. Vjazkost', dijelektricheskaja pronicaemost', plotnost', teploemkost', poverhnostnoe natjazhenie [The properties of bound water in dispersed rocks. Part 1. The viscosity, dielectric constant, density, specific heat, surface tension]// Kriosfera Zemli [Earth's Cryosphere], 2014, V. XVIII, № 3. p. 46–54. [in Russian]
8. Kovalenko Ju.A. Issledovanie teploemkosti vodnyh suspenzij klikernyh mineralov C₃S i C₃A [Investigation of the heat capacity of aqueous suspensions of clinker minerals C₃S and C₃A]// Sib. fiz.-tehn. zhurn., 1992, № 3, p. 11–13. [in Russian]
9. Gavril'ev R.I. Teplofizicheskie svojstva gornyh porod i napochvennyh pokrovov kriolitozony [Thermal properties of rocks and soil Cryolithozone]/ R.I. Gavril'ev. Novosibirsk, Izd-vo SO RAN, 1998, 280p. [in Russian]