автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.05, диссертация на тему:Исследование тепломасоопереноса и структурообразования при сублимации льда из торфа

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образован иго

Тверской ордена Трудового Красного Знамени политехнический

институт

Исследование тегогомасиоперекоса и структурообраэования при сублимации льда из торфа

Специальность 05,15.05 - технология и комплексная

механизация торфяного производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук

На правах рукописи

УДК1536.24:662.641

ШЕХАВ ХАССАН ЮСЕФ

Тверь 1993

Работа выполнена на кафедрах теплофизики Тверокого политехнического института и геокриологии Московского Государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научные руководители:

- заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук« профессор Н.И.Гамаюнов

- член-корреспондент РАЕН, доктор технических наук, профессор В.А.Миронов

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

В.И.Носов

- кандидат технических неук, доцент А.В.Йураглев

Ведущая организация - Научный центр "Радченкоторф"

Защита состоится декабря 1993 года в "

часов на заседании специализированного совета Д-063.22.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Тверском политехническом институте.

170026, г. Тверь, набережная Афанасия Никитина, 22, ТвеПИ

С диссертацией молмо ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " $ " нсябрк 1993 г<

Ученый секретарь специализированного совета В.Д.Копенкин

профессор

Общая характеристика работы

- Актуальность проблем. Эффективное освоснле и использование торфяных масторозденкй северных и восточных регионов Российской Эедерацаи осложнено тем, что больяжстзо территорий соетг.зяязт !.яоголег1Нэ- и сезо.-шокзрэлые породы. 3:го сизывает необходимость выработки ковьгх подходов ¡с строительству, разработке и эксплуатации торфяных изсторогдонкй и мелиорации ь этих регионах. Как ело,дует из работ Л.С.Аиаряна. Б.И.Александрова, Г.П.Бровки» С.С.Вялова, Э.Д.Ершова, П.И.Кшперэка, И.И.Лкштвана, В.А.Миронова» Л.Т.Роман и других авторов,значительная часть крио-лкуозоны России занята торфяными мерзли:.!:: породили, часто включа-шими как киоголетнекерзльге торфяные бугры пучения, так и сеэонно-промерзащие торфяные системы. Исследования последних лет, проводимых учеными МГУ, ПНИИИС, ИПИПРиЭ АНБ, а такхо ряда северных ' отделений Российской академии наук, Тверского политехнического института показали, что количество и состав льда и поровой вода в мерзлом торфе изменяются под влиянием термических, физико-химических и других процессов. Поэтов особую актуальность приобретает изучение не столько струкщфно-мзханичэсяих свойств торфа в мерзлом состоянии, сколько исследование' теплоыассооб-менных процессов. Весьма сложными в методическом отношении являются работы по изучению сублимации в торфе при его обезвоживании.

Следует различать два аспекта этой задачи. Во-первых, сублимация (морозное иссушение) определяет взаимодействие мерзлых торфяных залежей и складочных единиц пускового и фрезерного торфа с атмосферой. При этом возникают задачи количественного прогноза зоны иссушения я терыовлажяоетвого режима торфяных залежей. Во-вторых, процесс сублимации льда является не только объектом исследования, но и представляет собой метод изучения строения и свойств мерзлого торфа, включая фазовый состав. В связи с этим возникла необходимость комплексного исследования сублимационного обезвоживания мерзлого торфа и связанных с этим изменений структуры материала и явлений тепломассопереноса.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом ГОН' Научного совета по криологии РАН по проб-

леме 2.16 "Криология Земли" п. 3.7.1.1; 3.7.1.5 и республиканской научно-технической программой "Исследование, разработка, освоение и производство продуктов переработки торфа, сапропеля и других местных ресурсов на основе фундаментальных и прикладных исследований" (п.2.1.1).

Пелъ таботи. Комплексное изучение процессов тешюмассопе-реноса в мерзлом торфе при его обезвоживании в области отрицательных температур. Обоснование использования метода сублимации дая оцэнки фазового состава влаги, структурных преобразований и механических свойств мерзлого тор5а.

Научная новизна та бот». Впервые внявлен механизм и исследована динамика развития тепломассообменных процессов в процессе сублимации льда из мерзлого торфа в широком интервале внешних термодинамических условий и свойств материал. На основе количественной оценки пористой структуры мерзлого и сублимированного торфа изучены и обобщены закономерности структурных преобразований в мерзлом торйе в процессе сублимационного обезвоживания. Предложена математическая модель процесса сублимационного обезвоживания мерзлой торфяной залежи в естественных условиях. Получены аналитические соотношения дая прогноза глубины и интенсивности сублимации, распределений влагосодержаний в иссушенной и льдистой зонах материала и разработана методика пара-ме.тритвскои идентификации предлагаемой модели процесса. Предложена новая методика вакуум-сублимационного • определения содер-.'жания незамерзшей влаги в мералом торфе и подготовки обезволшн-ных образцов торфа с ненарушенной структурой.

Практическая ценность таботн. Результаты исследований могут найти применение в тохиянок промышленности при проектировании торфопредприятий и штекерных сооружений в северных районах ндаей страны, агрофизике и других сменных областях, где требуются учет и оценка интенсивности процессов тепло- и влаго-обмена сезонномерзлых и многолеткемерзлых торфяных залежей при их взаймодействш! с атмосферой, а такке при решении вопросов' по охране опекающей среды, при борьбе с ветровой п водной эр-розней потерявшего связность морозноиссушенного торТ,а. Предло-кена методика прогноза процесса обазвоястання мерзлой залепи при уносе различных но толщине слоев иссушенного торфа. Получены сублимационным методом продукты из торуа с практически

игогопешаз! водопоглотятелыпвш ороРстрр'к. Тйпетс^е зорульта-т:: псслсдовани:' роког.^ндог.м::: л..,: г. у&Спо;,ч г:ро-

цессо ка>др- гвояг«олок;й и ^раис "О&цая кзокрпологня", я такав в курсе "Оспоэц тупхх. послодспг.нп-;'" :: д^тдсоппол прсок-тарсдашззг ьрп подготовке) шизгсроЕ-техпологсв тот^тяю прс^з-водсжва кафедры Т и Км РВЛ й>еПИ, а тчклй гтрт: авзгедюва кесло-догшшй пористой структур.: тор~)а в ПЗ!Л ТгоГГЛ.

Апгобзггл габето. Осиоиюп» результаты а нолоаения диссертации докладывались на расширенном заседании Научного еоретгг по ярлологиг Сага РАЛ (м'ооква, 199Я г.), 1:а пауадо-адхнячес-кой ко^сровд": "Организация производства товаров народного потребления на торфяной основе и выпуск прочей продукции. Перспектив;™ разработки ТвеПИ и НПО "Ргщченкоторф" (Тверь, 1991 г.)', на П научно-техничзской конференции ¡.шоякх ученых и специалистов ТЕеПИ (Тверь, 1991 г.), Всесоюзной научно-практической конференции "Торф в народном хозяйстве" (Томск, 1991 г.), на ХУШ научно-технической конференции ППС, аопирантов и сотрудников ТвеПИ (Тверь, 1992 г.), на'научном семинар» ка,7,сдри геонрколо-гии ИГУ (Москва, 1990-1992 г.г.).

По теме исследований опубликовано II нггучнкх работ и подана заявка на патент.

С'туктута и объем работа. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов п списка литературы из 184 наименований. 1'злояена на252 страницах машинописного текста, вклшаот 60 рисунков и фотографий, 10 таблиц и приложение.

Автор приносит глубокую благодарность научным руководителям профессорам Н.И.Глаашову и В.А.Ыиронову за помощь, консультации и поддержку в работе. Автор такле признателен кандидату технических наук Д.М.Стотланду за научные консультации в процессе выполнения и обобщения результатов работы, а также сотрудникам кафедры геокриологии МГУ за помощь в проведении экспериментов,

... Содержание работы ч

'Во ггеяетя', показаны актуальность проводимых исследований, сформулирована'цель работы и задачи исследований.

В первой главе проведен обзор современных представлений о водно-физических свойстгах торфа и особенностях фазовых пре-

вращений поровой влаги; процессов тепломассопереноса при обезвоживании дисперсных и пористых систем в процессе сублимации льда; проанализирован механизм структурообразовательных процессов в торфа при положительных и отрицательных температурах и ые'юды их изучения, проведен обзор исследований по влиянию процесса сублимаций льда на физико-механическиз свойства мерзлых дисперсных грунтов и сделан анализ особенностей формирования прочностных и деформационных свойств мерзлого торфа.

Во второй главе приводятся результаты изучения процессов тепломассопереноса при сублимации льда из торфа. Экспериментальные исследования выполнены на двух установках,разработанных автором для изучения закономерностей процесса при атмосферных условиях и при пониженном давлении (вакууме) среда. Основными узлами установок являлись: холодильная камера для создания теплового и влажкостного режимов среды; сублиматор, в качестве которого при атмосферных условиях служила часть испытательной зоны установки, а при вакууме - специально разработанный герметичный резервуар. Объектами исследований служили образцы низинного древесно-тростникового торфа степени разложения 35% и зольности 10^ в форме прямоугольных параллелепипедов 25 х 25 х 15 мм и цилиндров диаметром 30 мм и высотой 80 мм.

Фазовые превращения порового раствора в торфе при замораживании и оттаивании охарактеризованы временной зависимостью температуры материала (термогроиыой). Получены зависимости температуры начала кристаллизации и переохлаждения от влагосодор-жания торфа. Для свободной воды переохлаждение необходимо для организации первых зародышей льда. В значительном интервале влагосодержаний (от исходного до V/ « 0,6-0,7 кг/кг) температура пареохлаздения практически не изм<з:иется и составляет в сродном -4°С. Эт вдагосодержанио близко к верхнему пределу количества физико-хииичоски связанной вода в торфа. Калориметрическим и криоскопичаским методами определена зависимость содержании незекерзшой воды от отрицательной температуры для исследуемого торфа.

. После предварительного эпмораяивания до -20 ♦ -60°С образцы мерзлого окускованного торфа помещались в сублиматор, где происходило их морозное иссушение с пяти граней. Опыты в

- ? -

сублиматоре проводят:«» в всотзрккчесюк условиях ир; отрицательных тошерятурпх -I ■:• -Ю°С, при аглоо'српол и когстеваом ( р = 0,33 Яа) дешсзгед, а тана» птл раслхгллх скоростях воздушного потека в ^г.юре ( 2/*"= 0+2 м/с).

Прл керозно;.' кссушспг.' тор*>с сроисходкт переход вода из твердого е парообразное сссгсопе (госгопка), а испарение незамерзиой волн. Рнутрл с;5га~~я •.»локул.' сслэдою?. (кеза-мерзащо?,) годи к на повержостя металлов ейходктоя шкжу собой в ториодаш&ическом равновесии. Динамическое рквно-веске мезду ниш осуществляется через паровуга фг.су. "дл-т^хся, в первую очередт., молекулы, низющав меньшую стерта) сслзг с цектраьш. сорбции л на поверхности кристаллов льда. При равенстве этих энергий происходит испарение (возгонка) голекул одновременно с поверхности льда и центров сорбции до равновесного состояния. Этому состоянию соответствует равновесный химический потенциал воды в паровой фазе евд образца.

Б процессе морозного иссушения имеет место значительное уменьшение интенсивности испарения (рио.1, кривые 4-6), что свидетельствует о том, что возгонка молекул воды с поверхности кристаллов л прослоев льда, а также связанних молекул воды, на-ходяцрхся в ассоцкатах торфа в термодинамическом равновесии с кристаллаш: льда, происходит во всей зоне испарения.

Механизм влагопереноса при различных отрицательных температурах от -1°С до -6°С зависит не только от интенсивности возгонки пара с поверхности кристаллов льда, но также и от количества и категорий связанной водн. С повшением температуры возрастает количэство нозамерзшей влаги за счет менее энергетичео-ки связанных категорий влаги (осмотической, капиллярной) и интенсивность сублимации.

Установлена предельная скорость потока воздуха ( гч» 2 м/с), обдувающего образцы торфа, при которой (и выше нее) не интенсифицируется внешний массообмен. По мере перемещения фронта испарения в глубь образца интенсивность пароперенооа уменьшается и при определенной глубзгп процесс внешнего влагообмена определяется и лимитируется только процессом внутреннего влагопереноса в торфе.

Анализ полученных экспериментальных данных (рис.1) сви-

детольстзует, что процесс сублимация льда из мерзлого торфа при атмосферном давлении происходит достаточно долго (~ 3 мес). Одним из методов 1штенсификации процесса является вакуумная суша мерзлого торфа. Интенсивность процесса при р = . = 0,33 Па значительно увеличивается, а его продолжительность почти на порядок уменьшается. При отом но происходит усадки нсслодуекого образца торфа. Распределение влагосодоряания в иссушаемой зове практичзски линейное. Четко фиксируется фронт Фазового перехода, глубина которого растет с течением времени. В части образца, в которой не происходит сублимация, влагосо-дорхсание остается неисглетшм е процэосе обезвоживания. По мере углубления зоны интенсивность сублимации уменьшается и, начиная. с некоторой величины, шло зависит от внешних условий и свойств материала, ухдагается подвод тепла аз газовой среды из-за плохой теплопроводности высушенной (пористой) части тор$а. С уменьшением начального влагосодерашшя (льдистости) образцов мерзлого торфа штонашюсть сублимации снижается.

Скорость нродапяонкя фродта сублимащи с течением времени уменьшается. Зависимость тавдшш форшрувщейся зоны иосуше-шя от времени найдена в ввде (Лебедев Д.П.1, Перельман Т.Л.) £ = Л ■ . гдз J3 - вгяшричоскпй коэффициент, величина

которого зависят от состава, строения и свойств мерзлого торфа и термодинамически: условий округшздэй среды; tb - показатель мепэна. Определены величины параметров J& и /£. при различных условиях (таблица).

. .ТАБЛИЦА

Свойства торфа Режим сублимации Значения параметров

Wo, Кг/кг Ув.К r/rtJ т, К У, % _ Р.п* ЯпмМ и

2,94+7,0 126,5+253,0 272+267 78,5*83,0 втм. 0,285 0,5

6,24+6,92 127,6+140;0 272 - 0,33 3,5 0,5

7,32*7,93 112,-3+122,4 270 - 0.33 2.0 0,5

7,21+7,9 117,3+121.5 267 о.зз 1,3 0,5

ггг>кво.ця7ся результат:! охахср^мяи-альво-го дсслодовякпя структур: тор?,- _> ;:рсцоссэ с;,гйт.:.п.зп льда. Исходное таобраяекта криогенного :.'~7"г;го гядгояа&ь

гршого тор1;а исогздовалось хотодо" рзапп, а иь^втдгхгда вкслю:: и виугрсииШ зон о&>эо,»бяКЫХ в кродессе сублимации о^г-'^тг." - ""г.:.1': г.г .Оорабо'тил ' от 1".;::-: гсгз л

репжк пр:: 25-1хг":ко:л ^ах!1:--::'^: про::о;;::,':.:ст> линейным методом, осноэаннш на принципе Кагальерп-Акзра. По-

ргС&мт ПО гц&мМчки* М Г:у»лмцт>— П"? "р:~":з распрздслз^я пор, рассчитан.* пористость, средней диаметр, геометрическая удельная поверхность к ко&'допцпенты неоднородности пор.

Влияние отрицательной температуры на структурные преобразования, происходящие в мерзлом торфе при сублимации льда, связано с содержание:.! в нем льда и нвзакерзшей вода. В процессе морс-зного иссушения проявляется механизм дегидратации и уплотнения ассоциатоэ - за счэт переноса молекул воды из ассоЕлглов тогоа к крясзалдак льда, Прц = -1°С хфоссхода:? агрет^тг-оря!;"-! ;г:пгояасэдвнныя ассодиатоз вследствие капиллярной контракт: и образования структур "яогошютопия" за счет водородис; 7. г.слшкх связей как когхду ассоциатш.:::, так и внутри некду отдельным макромолекулами. При болоо ш:зкол температуре -6°С и -Ю°С пмэет место "прорастание" кристаллов льда во всем пространстве ¡/.езду ассогдатамя торфа из-за их дегидратации и уплотнения вследствие молекулярной угадки. Образуется тонкопористая структура, которая сохраняется и посла удаления льда. Все это приводит к увеличению межассоциатной пористости. Экспериментально установлено наличие двух зон при сублимации льда из оку скованного тор$а при атмосферном давлешш. Внешняя зона более разрыхленная, а внутренняя зона образца обезвоживается за счет миграции влаги к внешней части образца. Это приводит к ее уплотнению, уменьшению пористости, формированию более крупных и плотных зон модельного образца.

- 10 -

« -ИЛ

' Ш

oco'o ra

ffi fh r-sCl

OO -OS Рч^-оо , О g I os

14 i 1 ce s ë нЭм «I?

EH H й C3 О - - p,Q, О ОС- |н О о

g h a.g«

ОЧ ,. Тч о о tí ь E¡ Pi ^

о ф<«10р< да« о & a i •

О*—» Си О 3 о « йш 1ч t: к fît о о >а ш Ф .кя оичхоЯ к и о аз«

SCO I R®

So оа m а Й^З1 Pira

Ci

fi

OjW/w^üv^c

«о

Й

■И 1 «-> ¡J Ю to > 1 ! И о о

Iо . u» 0 a e V Я

A U ff 1 u> I s» 1 d- 1 OI

« y lo

Ю

-s <v» \ > i o—

&

тГ гч'

cao i i

Pi

P«? - -

g

S s ija чэ о

: CD О

0 EH £H ehio œ

со S'-j

cooö J,

1 m^ m 11

K® Bï

H P'4 a cd

ogs Ь й H о о .-о ятоочв O^SSSrt

§ § a о S §>&

о «s hgEfft g. я о йз о ЙН CÎKOOEH «опйЧО S К оомп a PiK PiO EH О О О О И P-S^S и m !>>ою га m m о oco S R H Pi S -ни Ио ш Ено Ь О О a cj ОЕчй.о ц 11 W о да J>

@ ns S"^ и a . O>b«£i

as

■o

Экспериментальные дяяртлэ что ?е-:пс;?агур:: cyi'r;. irr; до к ~-ICnC И'гсг.очя-

т пслрвкь rop*.icry;o cipyirciv' з-^рпю.; средний размер пор которой праятечвсйЕ го огтготоя ;;'v;o;;r.o:o зко%у.гй1. По глзро лошполля температур-: i.ccr..'..' i/vxvo:; сэдтаурой

вксдаой п гкугргпизй. зон укеакзгзтся.

Влкян.ю с::ороо?:г bos.iv,"¿гл>:;о r.'/'c/.c, c.^py.'^ypv.o -"л-:гонения каблядатось при = -G°G. С_".о.:л;с'}Г;о Lapoueipüa пористой структура проводилось для образцов, субл-г.кровашпсс при 1г -= 0,3а м/с и 2>~= 1,25 м/с. Khi-öhcwow стЗл^иаа» ирк эттос скорооуяк воздуха различна, ко преобразования шкроструктуры несущественны (изменения характеристик не более 20J3). Кристаллизация вода пренде всего в крупных порах тор^а обуславливает избирательное локальное обесзоязсвание ассоцтатоз н дегидратацию частиц, окрупавдх такие горн, а такпо ой~;атио ассондатов растущими кристаллами льда. Это пригоден к упрочнению внутренних связей и их укрупнению. Рост влагосодериания влечет увеличение относительной льдистости. Посяедущэо структурообразопяняо при субяятащии льда из мерзлого торра определяются длкжшюотаю и гогазшшяоегьи процесса внутреннего влагоперскоса и степенью обезвоалваяия торТ>а.

Агрегирование ассоциатор происходит зп счог кшшюрише сил нозаморзяой хшаги. Структура внешней зона про добавляет собой набор компактпкх агрегатов. Наблюдается уволяченио сродного размера пор. При болкзем влагосодоржэттяи интопскикость сублимации и степень обазво;ишания образца мерзлого тороа возрастает. Происходит обезвоживание не только крупных. ¡юр, но и частичная дегидратация ассоциатов, образуется тонкопористая структура, укспшаотся средний размер пор к возрастает удельная поверхность. Кристаллы льда затруд»-1®1 взашодойетяио олоконтое скелета и агрегирование при последующем обезвокивании ассоциатов.

В четвертой главе приводятся результаты дифференцированной оценки прочностных и деформационных свойств торфа, г мерзлом и.толом состояниях. Испытания при отрпдетолыпге температурах проводилась на специально сконструированной приставке к прибору Ш1-20. Прочность цяляпдричосгшх мерзлых образцов определялась на гидравлическом проосо при одноосном сжатии. Гост проч-

ности мерзлого торча с уменьшением температуры обусловлен увеличением прочности лада и еязкостк кезамерзшей воды, дальнейшей кристаллизацией воды и связанных о вей структурных преобразований (обезвоживание ассоциатов торфа, процессы коагуляции). Рост прочности мерзлого торфа, в основном, происходит за счет увеличения льдистости в процессе перехода основного объема води в лед л дополнительного упрочнения частиц торфа вследствие локального влагонереноеа осмотической влаги, находящейся в ассо-циатах, в макропоры к кристаллам и прослоям льда, где, замерзая, она образует фазовые контакты недду ниш.

Полученные результаты показали существенную роль структурных преобразований в упрочнении мерзлого торт>а, что подтверждено опытом с аналогичным торфом в сублимированном состоянии (рис.2а, кривая 6), при котором упрочнение за счет капиллярной контракции не происходит. Прочность су&шжроЕанных образцов торфа определяется соотношением продуктов распада и керазлснившейся части, а также характером внутри- и межагрегатного взаимодействий, основу которых составляют ыежмолекуляркне силы. Сорбированные молекулы воды посредством образования водородно-водя-ных мостиков удерживают (сцепляют) отдельные молекулы и макромолекулы твердых компонентов той а, определяя как прочность отдельных частиц, так и образца в целом. С ионижеш:ем# температуры до -5 + -8°С количество незамерзшей влаги уменьшается до 0,65г +0,55 кг/кг, что соответствует содержанию физико-химической • влаги (рис.26). Максимальное значение-прочности в этом диапазоне температур соответствует вовлечению во взаимодействие наибольшего количества активных груш торфа посредством водородных связей, в том числе через молекулы воды. Б зависимости от отрицательной температур.1!, определяющей количзство незамерзающей влаги внутри ассоциатов, наблюдается различная прочность сублимированного о бразда торфа.

3 процессе морозного иссушения практически не происходит изменение пористости торфа и структуры его скелета. В связи с этлм сопротивление, которое оказывает сублимированный образец внешней нагрузке (прочность) отражает, в сущности, величину структурного сцепления отдельных элементов частиц органо-шне-рального скглета (рис.3, кривая 7). Кривая 6 отражает изменение

прочности окусковшшого торфа в процессе его 0513101 при положительной температуре. Сопоставление крчвкх б и 7 дает представление о суммарном влиянии на прочность тор|а структурных преобразований каркаса, происходят в процессе дегидратации торфа при сушке за счет • капиллярной контракта! и других физико-химк-ческих процессов.

В работе определены величины первичного сцепления исходного талого торфа, структурного и сцепления упрочнения сублимированного торфа и максимального льдоцементационного сцепления мерзлого тотфа. Анализ показал, что при понкнокии температуры структурная прочность торфа возрастает за счет увеличения сцепления образца. ■ Максимальная доля льдоцементационного сцепления от суммарной прочности мерзлого тор$а изменяется для изучаемого торфа в диапазоне температур -I + -6°С от 86,до 89,9%.

Деформационные свойства торфа в сублимированном, талом и мерзлом состояниях существенно зависят от свойств материала и влагосодержания. Для сублимированного торфа (кривая I, рис.4), процесс деформирования при уплотнении зависит от наличия различных категорий влаги мевду и внутри ассоциатов. При 2 ^ 3, кг/кг в торфе имеется капиллярная влага, препятствующая сближению частиц при уплотнении и увеличению числа межмолекулярних связей и контактов. Сублккировашшй торф при этом имеет малую прочность, легкодеформируем, вследствие этого модуль изменяется незначительно. При уменьиегаш влагосодержания до 0,5 кг/кг наблвдаотся рост модуля и затем его стабилизация. Связано это с тем, что по мере уменьшения количества сорбированной влаги при уплотнении возрастает число контактов мазвду функциональными группами торфа. Предлагаемый механизм подтверждён анализом преобразования микростроения сублимированных образцов торфа в процессе его деформирования.

При уплотнении талого торфа при его обезвоживании дополнительно включается механизм капиллярной контракции, происходит сближение и уплотнение ассопиатов торфа л самого образца. Этот механизм проявляется в большей мере в интервале влнгосо-держанщ" I V/ ^ 4, кг/кг (рис.4, кривая 2). Модуль общей деформации мерзлого торфа ra.eeот нелинейную . . зависимость от влагосодершшя.(рис.4, кривая 3). Основнши причинами компрос-

сгонного ¿гглотношя мерзлого торТ.и при непвмеш'.ой отрицательной температуре являются тосуь'жш сдчисовш перемещения ого отру-таурннх элементов. Солостадлын-о ириыгг I и 3 (рис,4) позволяет оценить влияние Лндоцешл1 ,(.1ы,ш .о сцегишция и сопутствующих ему структурных изменений материала на изменение модули обцой деформации. Д/ш рассмотренного торфа при -1.5°С мак-сшкалыгая доля льдоцемаитасдонпого ешшюшш в величине модуля общей деформации составляет 9'7,1.

3 пятой главе приводится методика прогноза птоцасса оуб-дглуатст льда па „¡а рало го тот^п.

Нряддог.сно решение задачи Стефана для описания массопо-реноса при сублимации льда. В качество математической модели принята зависимость перемещения фронта сублимации а ввдо | = 3 № > параметр .^/3 в первом приближении

Р^аи г_ , ^

(I)

а интенсивность сублимации

3=СМ)У0и'Г1/г. (Я)

Сопоставление значений параметра ^/3 , рассчитанного по соот-иочютга (I) и налганного из решения ввтсмодалыюй задачи показало, что отллчио но превышает 1%. Раоиродолаиио влагооодерчшшй рассчитывается по фэртгуло

W(>íJг) = Wп+(W!>-Vv',1)|^. 0<р«|(ё), (3)

W(x^т)=Wo, (4)

где \л/о »Wп » \л/н ~ ооотвэтственно влагосолэртапп яаталь-нов, нч чоттр:п!ооГ5 и незамерзающая влага.

В работо проведено сравношю получетшз: соотношений о опнтнши данными» Сопоставление раочогпих я лаборатории отхт-ГОГС глу5яя я «НТ.1но50чюстэй оублпшиия, раСПр9Д0Л8ПЯ0 влагоеодэр-длпий з попу'онисй ¡» «ьдамой зонах показал;! чх удовлетворитель-

нон согласие (погрешность не более 2СЙ). В работа приводится методика расчота глубин сублимации и при переменной относительной влажности среда. Проведен прогнозный расчет глубины сублимации оголенных от снега торфяных полой и складочных единиц. Анализ показал, что в течение зимнего созона (^ = 170 суток) глубина иссушения монет составить 18 мм. В случае удаления мо-розноиссукзнного, потерявшего сзязность торфа, скорость сублимации значительно возрастает, и эта зона существенно увеличивается. Сублимация может приводить к неяелателъным последствит ■ - ветровой и водной эррозии торфяных полей и складочных едшшц торфа, что необходимо учитывать при выработке рациональных приемов технической мелиорации при охране окрукаэдей среда.

Метод определения фазового состгза влаги в мерзлом тотоэ и других дисперсных материалах путей сублимации (обезвоживания) основан на том, что влагосодеряание на границе раздела иссушенной и льдистой зон (со стороны иссушенной зоны) \л/| соответствует количеству но замерзшей воды. Проведена оценка содержания нез&лерзшей воды. Применение вакуум-сублимационного обезвоживания мерзлого торфа позволяет значительно сократить процзсс определения количества не замерзшей воды. Разработана лабораторная установка для вакуум-сублимационного определения фазового состава влаг.1 в мерзлом торЬе, проведено научное и методическое обоснование способа. Сопоставление количества незамерзшей вода в мерзлом торфе, найденное вакуум-сублимационным методом при атмосферном давлении п. криоскопическим и калориметрическим методами, показало их удовлетворительное согласие (максимальное расхождение не более 1о%). Метод нагляден, прост, и его реализация не, требует сложного оборудования и наличия высококвалифицированного персонала.

Методика подготовки образцов ненарушенного строения и анализу их пористой структуры основывается на анализе преобразования микростроения торфа при различных реяпмах обезвоживания (радиационно-конвектазная сушка при = Ю5°С, вакуумная сушка (-¿г = 25+1°С), радиационно-конвективная досушка при

Ю5°С вакуушрованного-образца с V/ = 0,4 кг/кг до абсолютно-сухого состояния; сублимационное и вакуум-сублимационное обезвоживание при £ = -1°С и ~Ь = -6°С), Проводилось сравнение обезвоженного с исходной структурой влагонасыщенного торфа,

фиксация дотсроЛ ооуцзствляляеь йпзгрум промораживанием образцов при с -60°С. Анализ рз аультатэт по изучении провесов отрук-турообрапог-шгая лодааал, что метол« обспго.-ажакия окусковшшого торфа сугкой яря £•=■ ТЭ5°С идя» х<глг,"умсрсвшием приводя? к существенной перестрг.Ш'д» и ь*д»зиш:ийг трастов структур?; тгятгркп:»«, что делает .•• > ,г. л па изучил.

V. анализп пористо;: ■.■'•г-юрГ'п V опытах со сорб-.

12<и подтипе №$¿02. Йр« йакуум-сублгалациошюм обезвоживании лого торфа усадка торфа пря^т""""" ¿»'¿у^огрует, с большей »терт

. , А

"ГС , - -о -^«орагашо незамэрзшей во—

Х-1 2 той« близко к количеству физико-хшпчвекой влага. Из-за отсутствия капиллярной контракции стручтура обезволенного ва-кууьмублтщцконнш способом, морзлого торфа практически но отличается от исходной. Различия для внутренней зоны сублимированного и исходного мерзлого образца по пористости не превшаот 13$, сродного диаметра пор 2Т$ и-удельной поверхности 65!, что позволяет рекомендовать дагашй ракшл обеэасгявадая для т:олу;г,-шя образцов, структура коте-уме бчиа::п к исходной по ллагснасн-¡цйяесм терфе. Это яодтгортдеко данными экспериментов кинетики аодопоглеполкл сбраниов торфв, гощченних при сублимация к сук-::о. Сублзетреганкуй тор^ проктичэеия полностью (на 80$) восстановил своп перхсначаяшгд сосшс свсйсгза через 24 «зкса, п ш-сушнгай при = 20°С в рэдвацюнйо-аонвектавнем р-тез только на

ВЫВОДИ

1. Изучены особенности фазовых провро.тцяптй в торфе па основе исследования термогрст в процессе промерзания к оттаивания. Установлены ссобогаюсти пересхлйзденгя л кристаллизации связанной и свободной влаги в торфе и интервалы температур их переохлаждения и начата кристаллизации.

2. Установлены эшщргаз екпе времвигн» заягскшсти муейпш иссуавния »»рядого торфа :грп атмоофорно;« давлении а эакууко (0,33 Па) в завцскмостк о'? относительной влагцоотя среди, вла-госодортшал, температуря и плотносгл материала.

3. Выявлено, что иссупспие при огрлцзтзлькых температурах мерзлого тсрйа сопрогогдазтся развитием струкуурообразователь-

ных процессов, преобразугащх макроструктуру. Установлены закономерности преобразования структуры мерзлого тор^а в процессе сублимации при изменении температуры среды и материала, скорости воздушного штока и влагосодерзания торфа.

4. На основе экспериментальных данных приведена количественная оценка диапазона изменений прочности на сжатие и модуля общей деформации при компрессионном (одномернам)уплотнении торфа в талом, шриюм и сублимированном состояниях, дифференцированная оценка влияния капиллярного и льдоцементационного механизмов в формировании прочностных и деформационных свойств материала.

5. Проведено сравнение прочности на статно и модулей общей деформации при компрессионном :(одномер*см)уплотнетш суйяимиро-ванного торфа по отношению к мерзлому и талому торфу.

6. Предложены расчетная схема процесса сублимационного обезвоживания мерзлого торфа в естественных условиях и аналитические соотношения для прогноза глубин и интенсивности сублимации, распределения влагосодержанпй в иссушенной и льдистой зонах материала. На основе экспериментов и решения обратной задачи определены характеристики, необходимые для расчета, получена оценка толщины иссушенной зоны оголенных от снега мерзлых торфяных залежей и складочных единиц за зимний период.

7. Разработана установка и методика вакуум-сублимационного определения фазового состава влаги в мерзлом торфе, существенно ускоряющая процесс определения количества незамерзшей влаги и льдвстости в мерзлом торфе.

8. Прохедено сравнение влияния различных режимов обезвоживания (при положительных и отрицательных температурах в естественна* условиях и вакууме) на преобразование структуры в торфе. Установлено, что вакуум-сублимационное обезвоживание не влияет на изменение структуры и свойств органоминерального скелета и позволяет получить достоверную информацию о пористости исходного торфа, дифференцированную оценку воднофизических и физико-механических его свойств. Сохранение исходной структуры каркаса мерзлого торфа обусловлено кристаллизацией поровой влаги при промораживании, что исключает возможность проявления капиллярного механизма усадки при последующей сублимации льда.

Основные положения диссертации опубликованы в олв.тряурдс работах:

1. Методика исследования сублимации льда в мерзлом торфе: Тез. докл. П науч.-техн.конф. молодых ученых и специалистов 'ГеоПИ . - Те ерь, 1991. - С.СО-69.

2. Влияние корозпого исоуаекйя на механические свойства мерзлнх грунтов: Тез. докл. И нлуч.-тохн. конф. молодых уненых и специалистов ТвеПИ. - Тгорь, 1991. - С.54-55 (совместно о Н.И.Гамаюновнм, Д,М.Стотландом).

3. Изучение микроструктуры мерзлого торфа сублимационным методом. Торф в народном хозяйстве: Тез. докл. Всесоюзн. науч.-практ. конф. - Томск, 1991. - С.117-118 (совместно с Н.И.Гамашовым, Д.!.'.Стотландом, Ю.П.Лебеденко, Е.М.Чувютшым).

4. Изучение микроструктуры мерзлого торфа в процессе сублимационной сушки// Инженерная геология. - 1992. - К 2. - 0.3237 (совместно с Э.Д.Ершовым, Н.И.Гамашовым, Ю.П.Лебеденко, Д.М. Стотландом, Е.М.Чуишпшм).

5. Иееледозште обезвоживания мерзлого торфа при сублимации льда. - Тверь, ТвеПП, 1992. - 18 с. - Деп. в ВИНИТИ 30.11". 92, № 3383-В.92 (совместно с Н.И.Гамаюновнм, Д.М.Стотландом),

6. Расчет сублимации льда из мерзлого торфа. - Тверь. ТвеПИ, 1992. - 18 о. - Доп. в ГИНИТИ 30.11.92, ¿5 3304-:'..'.г (совместно с И.И.Гаказсиознм, Д.ЗЛ.Стотлаидом).

7. Тепломассопореное п торфяных почвах при сублшпщп льда// Почвот.едепио. - 1993. - К 5. - С.108-113 (совместно с П.И.Гг.каюноякм, Д.М.Стотландом).

8. Исследование влияния обозвоживпгая на структуре с бра зо~ вате природных юияллярио-пористых штериалов// Коллоидный яурнал. - 1993. - Т.БГО 5.- С.35-44 (совместно с Н.И.Гамашо-вш, Д.М.Стотландом).

9. Структурные преобразования при сублимации льда из мерзлого торфа. - Тверь, ТвеПИ, 1993. - 19 о. - Деп, в ВИНИТИ 12. 07.93, № 1943-Б.93 (совместно с Н.И.Гамашовым, Д.М.Стотландом}.

10. Температура фазового превращения годы в торфе: Межвузовский сборник научных тр. Физико-химия процессов торфяного производства. - Тверь, 1993. - С.135-143 (совместно с Н.И.Гема-

тесвым, Д .М.Стотландом).

11. Методика экспериментального определения фазового со-

става влаги в мерзлом торфа: Технология и комплексная механизация торфяного производства. Межвузовский сб. научных трудов. - Тверь, ТвеПИ, 1993. - С.55-61 (совместно с Н.И.Гаыашовым, Д.М.Стотландом).