ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ СОЛИ ПРИ ПРОМЕРЗАНИИ ЗАСОЛЕННЫХ ГРУНТОВ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

Тимофеев А.М.¹, Кравцова О.Н.², Протодьяконова Н.А.³

¹ORCID: 0000-0001-6021-5423, Доктор технических наук, ²ORCID: 0000-0001-9345-421X, Кандидат технических наук, ³ORCID: 0000-0002-5948-579Х, кандидат физико-математических наук, Институт физико-технических проблем Севера  СО РАН

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ СОЛИ ПРИ ПРОМЕРЗАНИИ ЗАСОЛЕННЫХ ГРУНТОВ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

Аннотация

Для выявления основных механизмов перераспределения соли при промерзании были проведены эксперименты по замораживанию растворов солей NaCl и CaCl₂ с различными концентрациями образцов засоленных песчаных и глинистых грунтов. Были рассчитаны коэффициенты захвата солей при промерзании водных растворов.

Замораживание засоленных песчаных и глинистых грунтов было проведено в условиях «закрытой» и «открытой» систем. Солеперенос происходит в основном с переносом грунтовой влаги, в условиях «закрытой» системы в глинистом грунте образуется зона иссушения. В этой зоне наблюдается повышение концентрации порового раствора, поскольку из нее происходит испарение влаги и подсос в зону испарения незамерзшей воды с высокой концентрацией соли. При промерзании песчаного образца в открытой системе происходит отжатие влаги из мерзлой зоны, о чем свидетельствует уменьшение влагосодержания в мерзлой зоне.

Ключевые слова: промерзание, песчаные грунты, глинистые грунты, солевые растворы.

 Timofeev A.M.¹, Kravtsova О.N.², Protodyakonova N.A.³ 

¹ORCID: 0000-0001-6021-5423, PhD in Engineering, ²ORCID: 0000-0001-9345-421X, PhD in Engineering, ³ORCID: 0000-0002-5948-579Х, PhD in Physics and Mathematics, Institute of Physicotechnical Problems of the North SB RAS

EXPERIMENTAL STUDY OF SALT REDISTRIBUTION DURING THE FREEZING OF SALTY SOILS AND WATER SOLUTIONS

Abstract

In order to identify the main mechanisms of salt redistribution on frost penetration, we conducted experiments aimed at the freezing of salt solutions NaCl and  CaCl₂ with different concentrations of salty sandy soils and clay soils samples. Salt capture coefficients were calculated during the freezing of water solutions.

Freezing of salty sandy soils and clay soils was carried out under the conditions of “closed” and “open” systems. Salt transfer occurs mainly with the transfer of telluric moisture, a drying out zone is formed under the conditions of a “closed” system in clay soil. In this zone, there is an increase in the concentration of pore solution, as the evaporation of the moisture takes place as well as the suction into the zone of the evaporation of unfrozen water with the high concentration of salt. When a sand sample freezes in an open system, there is moisture removal from the frozen zone, as evidenced by a moisture content decrease in the frozen zone.

Keywords: freezing, sandy soils, clay soils, saline solutions.

Для выявления основных механизмов перераспределения соли при промерзании грунтов были проведены эксперименты по замораживанию образцов засоленных песчаных и глинистых грунтов. Кроме того, была проведена серия экспериментов по замораживанию растворов солей NaCl и CaCl₂ с концентрациями 0,44; 0,88; 1,75; 3,5%. Исследуемыми растворами заполняли одинаковые полиэтиленовые стаканы диаметром 6 см и высотой 10 см. Стаканы ставили в теплоизоляционные кассеты из пенопласта и помещали в холодильную камеру. Промерзание образцов происходило сверху вниз, температуру в камере поддерживали минус (5-10)⁰С. Полностью промерзшие образцы вынимали из холодильной камеры. Незамерзший раствор сливали в бюксы для дальнейших исследований химического состава. Затем мерзлые образцы делили по высоте на несколько частей. После оттаивания по стандартным методикам определяли концентрацию растворов. Лед, образующийся при промерзании растворов, непрозрачный, белого матового цвета, что можно объяснить плохой спайностью пластин в кристаллах льда из-за наличия между ними незамерзшего раствора. В процессе промерзания образца следили за формой поверхности раздела льда и раствора. При слабых концентрациях раствора поверхность была более менее гладкая, хотя и не плоская. При высоких концентрациях (3,5%) на нижней поверхности намерзающего льда образовывалась ажурная система тонких ледяных пластин, пересекающихся друг с другом. Преимущественное направление роста этих пластин было вниз с углом отклонения от вертикали не более 45⁰. Такая же ажурная ледяная структура выстраивалась при замерзании слабых растворов, в нижней части промерзающего образца, когда концентрация оставшегося незамерзшего раствора повышалась.

При промерзании водных растворов за счет отжатия соли из мерзлой зоны перед фронтом промерзания образуется зона концентрационного уплотнения. Поскольку плотность водных растворов и солей зависит от концентрации в талой зоне, подо льдом, под действием градиента плотности возникает конвективное перемешивание раствора [1, С. ]. Это приводит к выравниванию концентрации раствора. Только в узкой зоне перед фронтом промерзания в ламинарном подслое существует градиент концентраций. За пределами ламинарного слоя коэффициент диффузии соли значительно превосходит значения, характерные для молекулярной диффузии [1, С. 462].

Хорошее перемешивание раствора в талой зоне позволяет применить для оценки коэффициентов захвата соли фронтом промерзания формулу [2, С. 156]:

где K₃ - постоянный коэффициент захвата соли мерзлой зоной; C₀ – начальная концентрация раствора; q – координата.

Для раствора CaCl₂: K₃ = 0,2  при  С= 0,44% K₃  = 0,25 при С= 0,88% и  K₃ = 0,3  при  С = 1,75%.

Для раствора NaCl: K₃ = 0,3   при  С = 0,75% K₃ = 0,35 при С = 1,5% и K₃  = 0,4  при  С = 3%.

Эксперимент показал, что коэффициент захвата зависит от вида соли и увеличивается при возрастании концентрации раствора. Соль захватывалась в виде прослоек концентрированного раствора между пластинами ледяных кристаллов.

Далее исследования проводились на образцах мелкозернистого песка и суглинка, которыми заполнялись наборные цилиндры, состоящие из соединяющихся друг с другом колец из плексигласа. Высота наборных цилиндров 10,5 см, высота кольца 1,5 см, внутренний диаметр 5 см. Полиэтиленовые цилиндры заполняли просушенным грунтом послойно, утрамбовывали и увлажняли его подачей раствора снизу. Затем цилиндры с грунтом, устанавливали в теплоизоляционную пенопластовую кассету и помещали в холодильную камеру. Образцы промораживались с верхнего открытого торца в течение суток при температуре минус (5-10⁰⁾С.

Снизу цилиндр закрывался специальной крышкой, снабженной штуцером, через который подавался раствор на нижнюю часть образца. Опыты проводились как с открытой системой (т.е. возможен подсос влаги в промерзающий образец через штуцер), так и с закрытой системой, когда подачи раствора в образец извне не было. При замораживании образцов грунта с открытой системой к штуцеру нижней крышки цилиндра прикрепляли резиновый шланг диаметром 6 мм и выводили его наружу. Другой конец шланга соединяли со стеклянной трубкой, чтобы наблюдать за уровнем раствора в системе. До начала промерзания в системе устанавливалось гидравлическое равновесие.

При промерзании образцов влагонасыщенного песка в открытой системе уровень раствора в трубке практически не менялся, что свидетельствует  о том, что гидравлическое давление в системе осталось первоначальным. Глубина промерзания в описываемом эксперименте равнялась 6 см, результаты экспериментов приведены в таблице 1. При промерзании песчаного образца в открытой системе происходит отжатие влаги из мерзлой зоны, о чем свидетельствует уменьшение влагосодержания в мерзлой зоне. Отжимается концентрированный незамерзший раствор. Непосредственно перед фронтом промерзания концентрация соли также более высокая.

 

Таблица 1 – Распределение влажности, концентрации порового раствора и засоленности песчаного грунта по длине образца

Система открытая, С0=3 %				Система закрытая, С0=0,75%
l, см	W, %	Cp, %	Z, %	l, см	W, %	Cp, %	Z, %
10,0	28,99	3,35	0,97	8	19,33	0,76	0,146
9,0	22,65	3,10	0,702	6	20,26	0,676	0,137
7,5	22,17	3,41	0,756	4	19,14	0,96	0,183
6,0	22,98	3,14	0,722	2	22,32	0,740	0,166
4,5	22,54	4,66	1,051
3,0	23,11	7,00	1,617

 

В полностью промерзших образцах в закрытой системе на поверхности образцов почти всегда можно было наблюдать жидкий незамерзший раствор и кристаллы льда. Концентрация этого раствора в несколько раз более высокая по сравнению с начальной, ее можно рассчитать из формулы [2, С. 189]:

для соли CaCl₂  μ = 1,7×10^-3;  для соли NaCl μ = 2,2×10^-3.

В нижней части образца концентрация соли была также более высокая по сравнению с начальной. В средней части образца концентрация соли ниже начальной.

При благоприятных условиях, когда отжатие концентрированного раствора на поверхность образца было затруднено, (более слабая начальная концентрация раствора, а потому более низкие значения коэффициента фильтрации в мерзлой зоне и возможность оттока влаги в нижний конец образца), концентрация соли в мерзлом образце увеличивалась сверху вниз. В этом случае есть возможность оценить значение коэффициента захвата соли мерзлой зоной. Коэффициент захвата соли при этом равен 0,85.

Таблица 2 – Распределение влажности, концентрации порового раствора и засоленности глинистого грунта по длине образца

Система открытая, С0=1,5 %				Система закрытая, С0=1,5%
l, см	W, %	Cp, %	Z, %	l, см	W, %	Cp, %	Z, %
10,7	31,48	1,23	0,386	Иссушеный слой	12,38	4,83	0,598
9,2	29,39	1,17	0,343	10,3	26,23	1,2	0,316
7,5	26,38	1,04	0,274	9,0	26,87	1,23	0,329
6,0	24,91	1,24	0,31	7,5	27,56	1,12	0,308
4,5	26,94	1,55	0,417	6,0	26,7	1,21	0,322
3,0	27,71	1,13	0,312	4,5	26,35	1,17	0,311
1,5	27,71	1,2	0,333	3,0	24,42	1,06	0,260

 

При промерзании песчаных полностью влагонасыщенных грунтов происходит отжатие из мерзлой зоны части незамерзшего порового раствора. Уменьшается влагосодержание мерзлой зоны и вместе с влагой уменьшается содержание соли. При этом происходит опреснение почвенного раствора в мерзлой зоне.

Воздушно-сухой порошок просеянного суглинка увлажнялся раствором CaCl₂ с концентрацией 3,0 % и 1,5 %. Полученные результаты приведены в таблице 2. Видно, что влагосодержание в мерзлой зоне увеличивается по сравнению с начальным. Наиболее высокое значение в верхней части образца и затем уменьшается к низу.

Когда образцы не влагоизолировались сверху, то максимальное значение влагосодержания в полностью промерзших образцах было на несколько сантиметров ниже, понижение происходило за счет испарения влаги с верхнего торца.

В полностью промерзших образцах суглинка концентрация соли наибольшая в верхней части образца. В иссушенном слое она достигала 6%, что связано с подсосом незамерзшего концентрированного раствора в зону иссушения. Средняя концентрация порового раствора, (определенная как отношение концентрации соли в глинистом грунте к его влагосодержанию), исключая иссушенный слой, остается по длине образца одинаковой. При замерзании глинистых грунтов отжатия соли из мерзлой зоны в талую в экспериментах не наблюдалось.

Как видно из проведенных лабораторных экспериментов по замораживанию засоленных песчаных и глинистых грунтов солеперенос происходит в основном с переносом грунтовой влаги. В глинистых грунтах миграция влаги направлена к холодному концу образца, в мерзлую зону. В мерзлой зоне происходит повышение влагосодержания и увеличение содержания соли в единице веса или объема сухого грунта. При этом общая концентрация почвенного раствора (отношение содержания соли в единице веса грунта к содержанию суммарной влаги: лед+вода) изменяется незначительно. Исключение составляет поверхностная зона образца, в этой зоне наблюдается повышение концентрации порового раствора, поскольку из нее происходит испарение влаги и подсос в зону испарения незамерзшей воды с высокой концентрацией соли.

Список литературы / References

1. Асхабов А.М., Маркова Н.Н. Влияние гидродинамики на кинетические параметры роста кристаллов из раствора/ А.М. Асхабов, Н.Н. Маркова//- Москва: ДАН.- 1997. -Т.353.- №4.- С.462-464.
2. Киргинцев А.Н., Исаенко Л.И., Исаенко В.А., Распределение примесей при направленной кристаллизации/А.Н. Киргинцев, Л.И. Исаенко, В.А. Исаенко// – Новосибирск: Наука. – 1977.-256 с.

Список литературы на английском языке / References bi English

1. Ashabov A.M., Markova N.N. Vlijanie gidrodinamiki na kineticheskie parametry rosta kristallov iz rastvora [Effect of hydrodynamics on the kinetic parameters of crystal growth from solution] /A.M. Askhabov, N.N. Markova// – M.: DAN. – 1997.-T.353. -№4.-Р.462-464. [in Russian]
2. Kirgincev A.N., Isaenko L.I., Isaenko V.A., Raspredelenie primesej pri napravlennoj kristallizacii[Distribution of impurities in directional crystallization]/A.N. Kirgincev, L.I. Isaenko, V.A. Isaenko// – Novosibirsk: Nauka. – 1977.-p.256. [in Russian]