土冻结过程中温度特征分析

纯净的水在0℃时冻结,有人将蒸馏水置于清洁的容器中,冷却到零下许多度仍然处于液态,这种液态水称为过冷水。在室内试验发现最低过冷水的温度为-5℃,可是将这种负温下的水稍微施加震动,立刻出现冰晶。水的这种超过相变温度而未发生相变的现象称为水的过冷现象。

水在结晶时必须有结晶核存在方可结晶。冰晶、尘埃和其他杂质均可成为结晶核,而其中冰晶在冰结晶过程中的作用最为积极。

1924年法兰盖特首先发现水在冻结时有过冷现象。

水的过冷现象和冷却强度有关见表2.1,当水处于温度接近0℃的介质中,观测表明,水长期保持过冷状态而不结晶,当冷却强度较大时,则观测不到水的长期过冷。观测资料还表明,水在土体介质中过冷状态与水在容器中的过冷状态相比较,由于在土中存在较多的结晶核,水的过冷状态的稳定性较小。

表2.1　水过冷与冷却强度的关系

水过冷与水的体积有关。水体积愈小,结晶核形成的几率减小,过冷持续时间和程度增大。如薄膜水、小直径毛管水和岩石小裂隙中的水,过冷状态的稳定性提高。有人做过试验,把一滴水冷却到-72℃仍未结晶。

土中水的过冷温度取决于土的含水量。随着土的含水量减小,矿物颗粒表面对水分子的引力将阻碍水形成冰晶核,所以当土的含水量减少到接近最大分子吸水量时,土内水的过冷温度可降低约1～2℃。

在天然条件下,土中水的过冷只限于土的表层,因为表层冻结后,冰晶体已经深入土层下部,故下部不可能出现水的过冷现象。

现有关于土内水过冷与开始结晶的温度资料是用小体积扰动土样得出的。在此情况下,水的最低过冷温度为-5℃,而当土含水量较大且水中溶有大量溶质时,水的开始结晶温度接近0℃(-0.1～-0.2℃)。

根据前苏联А·П·Ъоженова的室内试验,各种土的冻结和融化过程,其温度特征都可以分成5个阶段,见图2.2、图2.3。

在图2.2、图2.3中:

Ⅰ为冷却过冷阶段。这个阶段土体在外界负温环境里逐渐冷却,并处于过冷状态。(www.xing528.com)

Ⅱ为温度突变阶段。此时冰晶形成,水发生相变,放出潜热,土温跳跃式上升到土中水冻结温度。

Ⅲ为水结晶阶段。此阶段稳定并等于土中水的冻结温度。

Ⅳ为进一步冷却阶段。自由水已经冻结,薄膜水的结晶需要更低的温度,随着薄膜水厚度不断减薄,土颗粒表面能对其吸附力增大,所以冻结温度必须愈低。冻结过程由Ⅲ过渡到Ⅳ。

图2.2　分散性膨润黏土的冷却—冻结曲线

(含水率ω=80.5%,冷却液温度为-10℃)

图2.3　砂的冷却—冻结曲线

(含水率ω=19.6%,冷却液温度为-10℃)

Ⅴ为融化阶段。外界温度升高,土中冰融化成水,这时需要吸收相变时潜热,所以土温保持相对稳定,当土中冰全部融化时,土温才明显上升。

试验表明,土中水在过冷以后,只要一开始结晶,由于释放潜热,土温开始上升,达到某一温度时就稳定下来,这时发生土孔隙中水的冻结过程,这一稳定温度称为起始冻结温度。

土的起始冻结温度与含水量、颗粒大小、矿物成分以及水溶液浓度有关。含水量越小,特别是当土的含水量接近于最大分子含水量时,由于土颗粒表面能作用,起始冻结温度愈低。土颗粒分散度愈大,起始冻结温度愈低。土中水含盐量增加时,起始冻结温度降低。