Способ определения температуры завершения фазового перехода для воды,содержащейся в дисперсных материалах

 

Союз Советских

Социалистических

Республик (11) 624151

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 22. 12.76 (21) 2432025/18-25 с присоединением заявки №(23) Приоритет (43) Опубликовано 15.09.78с>юллетень № 34 (45) Дата опубликования описания С r,С9. I>.

Q (51) М. Кл

Ц 01 И 25/04

Государственный комитет

Совета Министров CCCP оо делам изобретений и открытий (5.3) УДК 536.42 (088. 8) (72) Авторы изобретения

A. Д. Фролов и Б, В. Гусев

Московский геолого-разведочный институт им. С. Орджоникидзе (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗАВЕРШЕНИЯ

ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА ДЛЯ ВОДЫ, СОДЕРЖАЩЕЙСЯ

В ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛАХ

Изобрс)е11ие относится к област)1 технической физики (физика горных пород) и геологии (мерзлотоведение) и может быть использовано при изучении замерзания воды в мерзлых горных породах, фазовый переход воды в лед в которых растянут на широкий интервал температхэр (до нескольких десятков градусов) .

Известно, что для определения температуры завершения фазового перехода воды в лед в мерзлых породах применяют калориметрический способ, который основан на измерении удельной теплоемкости исследуемых образцов мерзлых пород при различных температурах 11). При этом образец исследуемой породы замора>кивают до температуры измерений (измерения проводят на фиксированных температурах, например, через 1 С), переносят в калориметр с эталонной (положительной) температурой, определяют количество тепла, поглощаемого образцом при нагревании от исследуемой тем- 2в пературы до эталонной и, проведя серию измерений с различными отрицательными температурами, определяют эффективные удельные теплоемкостп образца мерзлой пороl! l при исследуемых температурах. Самую высоку)о тсмп1ратуру, при которой iжс 1)ст изменений эффективной удельной To;Iлосмкости, с IIITBIoT температурой 3HBppllloния фазового перехода.

OCHOBIII IiIlI НЕДОСтатнаМИ КапоРИМЕтРНческого способа явля1отся следуюцн1е, В каждом 1п)клс замораживание — — отта))в 11111е крпогс иная структура образца 11зменяется, так что нельзя считать, IT)) в каждом цикле измерения выполня)отея и;1 одном и том же образце.

Разрешающая способность способа невелика н при содержаниях незамерзшей воды менее 1%, с помощью калориметрпческого способа трудно ус)ановить изменения фазового состава воды в образце.

Наиболее близким по технической су1цности к предлагаемому изобретению является способ определения температуры завершения фазового перехоjа воды в лед в дl!сперсных и пористых мерзлых по, :. дах. основанный на примене!!Illl ядерно — - магнитного резонанса (ЯМР). Этот способ за).лючает ся в том, что образец мерзлой породы помещают в измерительную ячейку .амораживают до температуры, гарантирующей гпвершение фазового перехода воды в лед

624151

1О. Формула изобретЕния

ro

55 в исследуемой породе, например для кварцевого песка до температуры ниже —. ЗО С, повышают температуру и регистрируют изменение спектра ЯМР. По температурному изменению спектра, в частности по появлению узкого компонента, соответствующего подвижным молекулам Н О, определяют температуру начала плавления льда, которая в цикле понижения температуры соответствует температуре завершения фазового перехода воды в лед (2J

Этот метод обладает рядом иедостатков.

При изучении образцов песчано-глинистых пород спектры.ЯМР искажаются за счет взаимодействия ядер с конами парамагнитных примесей, которые всегда содержатся в реальных вгорных породах, Для выяснения природы ° изменения спектра ЯМР в этих случаях приходится проводить специальные дополнительные исследования.

Аппаратура для изучения спектров ЯМР весьма сложна и серийно нашей промышленностью пока не выпускается, Целью изобретения является повышение надежности определения температуры завершения фазового перехода воды в лед, в том числе, и при наличии парамагиитных примесей в мерзлой породе.

Цель до@тягается тем, что по предлагаемому способу измеряют температурную зависимость эффективного времени электрической релаксации в диапазоне низких частот, сравнива|от ее с такой же зависимостью для поликристаллического льда, при этом температура, при которой эффективные,времена электрической релаксации материала и льда совпадают, является искомой температурой, а измерения проводят в диапазоНе 0,01 — 100 кГц.

Образец исследуемой породы помещают в . измерительную ячейку, например в плоскоп".-раллельный измерительный конденсатор, и заморажнвают в холодильной камере, до температуры, гарантирующей завершение фазовых переходов воды в лед в этой породе (например, для песка около (— ЗО) — (— 35) С, для каолина около (— 80) — (— 100) Ñ. Затем постепенно повышают температуру образца, например, через 1 С, одновременно регистрируя ее, на- пример, с помощью термопары или термосопротивления. C помощью стандартных измерительных приборов, например куметра или моста переменного тока, в образце создают пер".менное электромагнитное поле. В диапазоне низких частот, например 0,01 — 100 кГц, определяют коэффициент диэлектрических потерь исследуемой породы и находят круговую частоту, соответствующую максимальному значению коэффициента потерь. (т. е. ь „) . Гlо соотношению Я „(t) -, где 9з4, (t) — эффекz 1г тивиое время нйзкочастотной электрической релаксации, al — круговая частота, соответствующая максимальному значению коэффициента диэлектрических потерь, определяют эффективное, время релаксации для каждой температуры измерений. После всех перечисленных операций находят, например, графическим путем, самую высокую температуру, прн которой еще выполяется равенст. во удельных (т. е. íà I C) приращений логарифмов эффективных времен релаксации мерзлой горной породы и поликристаллического льда, т. е.:

Это значение считают температурой ирак тически полного завершения фазовых переходов воды в лед в исследуемой породе

Измерения в цикле повышения, а не поу@ . нижения температуры позволяет свести до минимума влияние перераспределения влаги в образа в процессе изменения его температуры.

Предлагаемый способ можно применять при любом составе исследуемой породы, в том числе и при наличии в породе парамагнитных примесей, которые в реальных породах присутствуют практически всегда. Тем самым повышается надежность определения температуры завершения фазовых переходов воды в лед в мерзлых породах, оказывающих определяющее влияние на формирование основных физических и механических свойств этих пород,т. е. параметров, которые необходимо знать при.расчетах, про- изводимых в строительном проектировании.!. Способ определения температуры завершения фазового перехода для воды, содержащейся в дисперсных материалах, включающий нагревание и"- дварительно замороженного образца, помещенного в переменное электрическое поле, измерение спектра поглощения и температуры, отличающийся тем, что, с целью расширения класса исследуемых материалов и повышения точности, измеряют температурную зависимость эффективного времени электрической релаксации в диапазоне низких частот, сравнивают ее с такой же зависимостью для поликристаллического льда, при этом по температуре, при которой эффективные времена электрической релаксации материала и льда совпадают, судят об искомой температур .

2. Способ по п. 1, отличающийсн тем, что измерения проводят в диапазоне 0,01—

100 кГц.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

624l5l

Составитель Е. Устюжаннн

Техред О. Луговая Корректор E. Папп

Тираж I I I2 Подписное

Рс дактор И. Шубина

Заказ 5I75/35

ILHHHIlH Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

l l3035, Москва, Ж 35, Раушская наб. д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная. 4

I. Нерсесова 3. A., Цытович Н. А. «Доклады иа Международной конференции по мерзлотоведению», М., АН СССР, l963.

2. Квливидзе В. И. и др. Сб. «Связанная вода в дисперсных системах», вып. 2, M., МГУ, 972.