Природа и механизм миграции влаги в дисперсных породах

Перемещение влаги в неводонасыщенных дисперсных породах характеризуется сложным механизмом переноса массы и многообразием движущих сил влагообмена. Применительно к геокриологическим задачам наибольший интерес представляют вопросы миграции связанной и капиллярной воды и пара. С самой общей термодинамической точки зрения причиной миграции воды и пара в дисперсных породах является неравновесное состояние системы «грунт — влага», вызываемое изменением во времени и в пространстве термодинамических параметров (температуры, давления, концентрации ионов, влажности, электрического, магнитного и гравитационного потенциалов и др.). Измерить непосредственно движущие силы каждого из механизмов в отдельности возможно далеко не всегда. Этим, в частности, объясняется стремление найти единую (обобщенную) силу, более или менее полно учитывающую совокупное действие отдельных составляющих миграционного потока. В результате стал развиваться энергетический (термодинамический) подход к массопереносу в коллоидных капиллярно- пористых телах, к которым относится и грунтовая система.

Вся вода в грунтах, исключая свободную (гравитационную), удерживается за счет свободной поверхностной энергии минерального скелета породы Е_п. При взаимодействии минералов с водой, а точнее, с водным раствором, часть этой энергии Е_в затрачивается на связывание ионов двойного электрического слоя и молекул воды. Разность Е_п — Е_в = Е_н представляет собой часть неизрасходованной на взаимодействие с водным раствором свободной поверхностной энергии грунтовой системы. Очевидно, что основной движущей силой влагопереноса пожидкой фазе (т. е. миграции влаги в грунтах) является grad Е_н, т. е. градиент этой энергии. Под Е_н понимается величина удельной свободной энергии Гиббса, которую нередко называют абсолютным химическим или изобарно-изотермическим потенциалом для связанной воды μ_w. Учитывая, что абсолютные значения величин многих термодинамических функций, в том числе, и μ_w, неопределимы, отыскивается не абсолютный, а относительный термодинамический: потенциал связанной воды: μ_w = μ_w - μ_o. При этом μ₀ является абсолютным химическим потенциалом для свободной воды. Так как μ_w < μ_o,μ_w имеет отрицательный знак.

Относительный термодинамический потенциал грунтовой влаги наиболее полно отражает величину понижения энергии свободной воды при ее взаимодействии с твердым телом. Он представляет собой работу, которую нужно совершить, чтобы обратимо и изотермически перевести 1 г свободной воды в связанную влагу. Потенциал влаги, характеризующий энергию связи воды в грунтовой системе с помощью взятой с обратным знаком работы, измеряется в единицах работы, отнесенной к единице массы воды (например, в Дж/кг, Дж/моль и др.).

Термодинамический потенциал грунтовой влаги является суммой ряда частных потенциалов:

Μ_w = ψ_w + ψ_o + ψ_z + ψ_p + ψ_э + ψ_м +..., (5.1)

где ψ_w — каркасный или капиллярно-адсорбционный потенциал, т. е. работа, которая затрачивается на перевод единицы массы воды из раствора, тождественного грунтовому, в связанную влагу (этот потенциал включает сорбционные и менисковые явления); ψ_o — осмотический потенциал, т. е. работа, которую нужно затратить, чтобы перевести единицу массы влаги из объема чистой воды в объем, содержащий раствор, тождественный по составу и строению с грунтовым раствором; ψ_z —гравитационный потенциал, т. е. работа по переносу раствора, аналогичного грунтовому, из одной точки по высоте на другую; ψ_p — гидростатический (или внешнего газового давления) потенциал, выражающий работу, произведенную над грунтовой влагой под воздействием внешнего давления; ψ_э, ψ_м — соответственно электрический и магнитный потенциалы влаги.

Потенциал грунтовой влаги μ_w зависит от влагосодержания породы (W_об г*см-³). По аналогии с объемной теплоемкостью для температурного поля, А. В. Лыковым было введено понятие объемной изотермической массоемкости или дифференциальной влагоемкости грунта C_w, которая показывает, какое количество воды необходимо добавить в грунт, чтобы изменить значение потенциала воды на единицу. Она является переменной величиной, зависящей от потенциала грунтовой влаги, состава и структурно-механических особенностей дисперсной породы, и определяется по соотношению С_w (Т) = δW_об / δ μ_w (5.2)

где Т - температура по Кельвину. Потенциал грунтовой влаги и дифференциальная влагоемкость в породах могут изменяться на один- два порядка.

С потенциалом влаги связано, введенное Б. В. Дерягиным, понятие о расклинивающем давлении тонких пленок связанной поды Р_р, которое представляет собой перепад давления при переходе через плоскую межфазную поверхность от жидкости, находящейся в тонком слое, к воде, граничащей с ним. В том случае, если Р_р по абсолютному значению окажется больше, чем силы взаимодействия между двумя минеральными частицами Р_сц и внешняя нагрузка на них g, то они будут отдаляться друг от друга за счет расклинивающего действия пленочной воды, мигрирующей сюда под действием поверхностных сил минеральных частиц.

Миграция воды в дисперсных породах может осуществляться в капиллярном (для собственно капиллярной воды) и пленочном (для слабосвязанной воды) видах. Причем перемещение капиллярной влаги в основном осуществляется молярным (объемным) путем за счет менисковых (лапласовых) сил. В мерзлых дисперсных породах большую роль играет миграция связанной воды, осуществляемая обычно в пленочном виде. В том случае, когда доля пленочного переноса оказывается сопоставимой с долей капиллярного влагопереноса по микропорам породы, нередко говорят о смешанном капиллярно-пленочном механизме переноса. Роль же пленочного механизма миграций влаги в общем переносе воды особенно резко возрастает при уменьшении влагосодержания породы. В этом процессе существенно то, что влага в пленочном состоянии передвигается в грунте не сплошной массой (объемное перемещение), а от частицы, к частице (молекулярное диффузионное перемещение).

С молекулярно - кинетических позиций перемещение связанной воды в дисперсных породах при наличии неоднородного силового поля определяется разностью скачков молекул воды в прямом и обратном направлениях по линии действия градиентов сил. Скачкообразные перемещения представляют гобой самодиффузию частиц и называются трансляционными. Для совершения трансляционного скачка из одних узлов решетки в другие необходимо, чтобы кинетическая (колебательно-вращательная) энергия частицы Е_к оказалась больше энергии связи (взаимодействия) ее с другими частицами Е_св, т. е. Е_к > Е_св. При этом следует учитывать, что при нагревании вещества кинетическая энергия частиц растет, а энергия связи между ними уменьшается.

Расчетные данные показывают, что, например, каждая молекула воды при температуре 25°С совершает в секунду ~6*10⁸ скачков. Скачки отделены друг от друга промежутками времени пребывания молекулы около центра равновесия, равными 1,7-10^-9с. Молекула воды за период пребывания в положении равновесия (между скачками) совершает около 1000 колебаний.

Трансляционные движения молекул и ассоциатов Н₂О касались химически чистой свободной воды. Они не учитывали ни явления гидратации ионов, т. е. взаимодействия ионов электролита в водном растворе с молекулами воды, ни эффекта связывания молекул воды активными центрами минеральной поверхности грунтовых частиц. При их учете энергия связи каждой молекулы воды возрастает на величину энергии связывания ионом молекулы Н₂О (ΔE_и), с одной стороны, и на величину энергии связи, молекулы минеральной поверхностью (ΔЕ_м) - с другой.

Таким образом, перемещение (миграция) связанной воды в дисперсных породах может рассматриваться как разность трансляционных скачков молекул Н₂О в прямом и обратном направлениях. Интенсивность же трансляционных скачков молекул возрастает при повышении температуры и уменьшении энергии связи молекул воды минеральной поверхностью частиц или ионами диффузного слоя, т. е. при увеличении подвижности пленочной воды. В дисперсных породах применяют обобщенные термодинамические (феноменологические) законы. По аналогии с такими явлениями, как перенос тепла и электричества (законы Фурье и Ома), диффузия пара, фильтрация воды (законы Фика и Дарси) и другие.

Поиск по сайту: