Введение к работе
Актуальность. В развитии нашей страны с каждым годом возрастает вклад северо-восточных районов. Хозяйственное освоение этих районов характеризуется добычей полезных ископаемых (золото, алмазы, нефть, газ, сурьма, чароит и др.), строительством автомобильных и железнодорожных магистралей, гидростанций, промышленных и гражданских объектов. Для успешного решения возникающих при этом задач необходимо проведение большого объема теплотехнических расчетов. Их основой является информация о влиянии климатических, природных и техногенных факторов на тепломассообменные свойства различных грунтов и строительных материалов, что особенно важно в экстремальных условиях Севера. Среди этих факторов наиболее существенными являются количество циклов замораживания - оттаивания, влажность, температура, концентрация растворенных солей, состав различных добавок в строительных материалах. При этом свойства дисперсных материалов приобретают специфический характер в связи с фазовыми переходами, наличием в порах неза-мерзшей воды и льда, особенностями криогенного строения грунтов различного минералогического состава. Анализ результатов исследований те-пломассообменных свойств и фазового состава поровой воды в дисперсных средах, полученных многими российскими и зарубежными учеными, показывает, что, во-первых, существующие методы экспериментальных исследований не удовлетворяют современным требованиям к точности и воспроизводимости результатов и не позволяют автоматизировать их обработку. Во-вторых, существующие математические модели исследуемых процессов переноса тепла и массы, фазовых переходов в засоленных грунтах и бетонах с противоморозными добавками являются излишне упрощенными, хотя накопленный теоретический и экспериментальный материал, возможности современных методов численного решения соответствующих начально-краевых задач позволяют разрабатывать и использовать более сложные модели с более широким учетом воздействия на эти процессы различных факторов.
Таким образом, актуальной является как разработка или усовершенствование существующих методов теоретического исследования тепломас-сопереноса в промерзающих дисперсных материалах и экспериментального исследования их теплофизических свойств и фазового состава поровой воды, так и сами полученные результаты и их использование в расчетах
температурно-влажностных полей с учетом засоленности, циклов замораживания-оттаивания, температуры и влажности.
Цель и задачи исследования
Целью данной работы является изучение закономерностей изменения тепломассообменных свойств, фазового состава поровой воды грунтов и строительных материалов с фазовыми переходами под воздействием природных и техногенных факторов, а также влияния этих изменений на температурно-влажностный режим природных и инженерных объектов.
Для достижения этой цели необходимо:
разработать методы и реализующие их автоматизированные установки измерения теплофизических свойств и фазового состава поровой воды в дисперсных материалах в диапазоне температур, включающем всю возможную область фазового перехода поровой воды;
с помощью разработанных методов изучить влияние засоленности, концентрации противоморозных добавок, количества циклов замораживания-оттаивания, температуры и влажности на тепломассообменные свойства и фазовый состав поровой воды в грунтах и бетонах;
на основе полученных экспериментальных данных разработать методики расчета зависимости количества незамерзшей воды от температуры, влажности и концентрации соли для песчаных и глинистых грунтов; температурной зависимости теплопроводности сухих и влажных засоленных дисперсных систем при фазовых переходах поровой воды; в вычислительном эксперименте оценить влияние природного и техногенного воздействия (числа циклов замораживания-оттаивания, степени засоленности) на температурно-влажностный режим грунтов.
Научная новизна полученных в работе результатов
1. Разработан новый метод исследования теплофизических свойств и
фазового состава поровой воды в многокомпонентных материалах в диапа
зоне температур, включающем фазовые переходы поровой воды.
2. Выявленные закономерности изменения тепломассообменных
свойств и фазового состава поровой воды в грунтах и бетонах в диапазоне
изменения естественных температур в зависимости от таких природных и
техногенных факторов, как количество циклов замораживания-оттаивания,
степень засоленности и концентрация противоморозных добавок.
Предложена новая методика расчета зависимости количества незамерзшей воды в песчаных и глинистых грунтах от температуры, влажности и концентрации соли.
Разработаны новые модели сложных многокомпонентных и многофазных структур и впервые предложена методика расчета теплопровод-
ности сухих и влажных грунтов и бетонов в талом, мерзлом и переходном состояниях.
5. Впервые проведен анализ влияния природных и техногенных воздействий (циклы замораживания-оттаивания, засоленность) на темпера-турно-влажностный режим грунтов с использованием полученных экспериментальных и расчетных данных по их тепломассообменным характеристикам и фазовому составу поровой воды.
Практическое значение проведенных исследований
Предложены новые методы экспериментального определения и прогноза теплофизических свойств и фазового состава поровой воды в дисперсных средах, получены новые экспериментальные данные по количеству незамерзшей воды и коэффициентам теплопроводности грунтов и бетонов в зависимости от температуры, влажности, концентрации соли и противоморозной добавки. Методы и реализующая их установка внедрены в Институте строительства (ЯПНИИС) и в Якутском государственном университете. Результаты исследования смерзаемости глинисто-песчаных пород Куранахского золотоносного месторождения применены Институтом горного дела СО РАН при разработке метода криогенной подготовки золотосодержащих песков. Результаты изучения тепломассообменных характеристик бетонов использованы для разработки способов зимнего бетонирования (ЯПНИИС) и для составления нормативного документа (ТСН) по теплозащите, который составлен при участии автора. Разработанный алгоритм и реализующая его программа расчета температурного и влажно-стного режимов с учетом природных и техногенных воздействий использованы при изыскательских работах НПО "Геотехнология". Отдельные результаты работы вошли в учебное пособие и в монографии, которые используются в учебном процессе в Якутском государственном университете.
Публикации и апробация работы
По теме диссертации опубликовано 67 работ, в том числе 2 монографии, 1 учебное пособие и 1 нормативный документ.
Основные результаты диссертации доложены на: Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам горной теплофизики (Ленинград, 1973); VII и VIII Всесоюзных конференциях по теплофизическим свойствам веществ (Новосибирск, 1982, 1988); III и V Всесоюзных совещаниях по теплофизическим измерениям и их метрологическому обеспечению (Москва, 1982, Хабаровск, 1988); II Республиканской научно-практической конференции по качеству инженерных изысканий по Якутской АССР (Якутск, 1987); Всесоюзной конференции по методам и средст-
вам теплофизических измерений (Москва, 1987); II Балтийской международной конференции по механике грунтов и фундаментостроению (Таллин, 1988); Международном симпозиуме по геотехническим сооружениям в мерзлоте (Финляндия, 1989); Всесоюзной конференции по научно-техническому прогрессу в технологии строительных материалов (Алма-Ата, 1990); I Международной конференции по криопедологии (Пущино, 1992); Международной конференции по строительству в северных регионах (Швеция, 1994); Международной конференции по моделированию те-пломассопереноса (Кипр, 1998); IV Минском международном форуме по тепломассообмену (Минск, 2000); Международной конференции по физико-техническим проблемам Севера (Якутск, 2000); I и II Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2002, 2004).
Личный вклад автора диссертационной работы
Диссертация написана по материалам исследований, выполненных лично автором, при его непосредственном участии или под его руководством. Автором выполнены исследования, определившие защищаемые положения и разработанные методы. Соавторство относится к исследованиям, в результате которых были получены первичные экспериментальные данные. Их обработка, интерпретация и анализ проводились автором.
Структура и объем работы
