В лаборатории горной теплофизики ИГДС СО РАН проведены экспериментальные исследования по установлению влияния циклов замораживания-оттаивания на пористость горных пород в присутствии минерализованных вод. В работе исследовались доломитизированный известняк и доломит трубки «Мир» с различными начальными значениями пористости, а в качестве минерализованных вод использовались подземные воды (хлоридно-кальциевого состава) Далдыно-Алакитского района с концентрациями 100 и 200 г/л.
Из исследуемых пород были изготовлены образцы кубических форм с ребром 20 мм, в количестве не менее 60 штук каждый, и в соответствии с ГОСТ 8269.0–97 определены основные физические свойства каждого кубического образца. Затем образцы разделялись на группы (по пористости, концентрации рассола, температуре замораживания, количеству выполненных циклов замораживания-оттаивания), маркировались и в течении 2 суток выдерживались в минеральном рассоле для насыщения пор. По истечению времени насыщения, образцы в тех же рассолах помещали в морозильную камеру при температурах -5°С, -10°С и -20°С.
Выдержка исследуемых пород в морозильной камере при температуре -5°С, насыщенных в рассолах с концентрациями 100 и 200 г/л, не привело к их замерзанию. А при температуре -10°С не произошло замерзания образцов насыщенных рассолом с концентрацией 200 г/л. Это связано с высокой минерализацией природного рассола, согласно кривой приведенной на рис. 1 температура замерзания рассола с концентрацией 100 г/л составляет -7…-8°С, а при концентрации 200 г/л -17…-18°С.
Необходимо отметить, что насыщение исследуемых образцов в рассолах в течении 48 часов, не привело к их дезинтеграции. Однако, воздействие первого цикла замораживания-оттаивания при температуре -10°С способствовало появлению продольных трещин (по напластованию) у половины образцов доломитизированного известняка (см. рис. 2). Визуально степень разрушения исследуемых образцов при концентрации рассола 100 г/л и температуре -20°С оказалась больше, чем при температуре -10°С.
Рис. 1. Диаграмма температур замерзания природных подземных вод Далдыно-Алакитского района в зависимости от степени минерализации
Рис. 2. Воздействие первого цикла замораживания-оттаивания на образцы доломитизированного известняка (Срассола=100 г/л, t=-10°С)
Воздействие трех циклов замораживания-оттаивания на образцы доломитизированного известняка привело к появлению значительных повреждений в породе. При последующем увеличении количества циклов замораживания-оттаивания до 5 и 10 циклов, интенсивность накопления дефектов заметно снизилась.
Образцы доломита, в отличие от образцов известняка, при различных температурах и концентрациях рассола после воздействия заданного числа циклов замораживания-оттаивания не дезинтегрировались (рис. 3). На всех образцах доломита независимо от температуры замораживания наблюдалась пленка окислов железа и мелких кристалликов соли, выпавших из раствора.
Рис. 3. Воздействие 5 циклов замораживания-оттаивания на образцы доломита (Срассола=200 г/л, t=-20°С)
Образцы пород после воздействия заданного числа циклов замораживания-оттаивания вынимались из рассола и высушивались сначала при комнатной температуре, а затем в сушильном шкафу при температуре 105±5°С. Зная массу образца и определив методом парафинирования объемную плотность горных пород (по ГОСТ 8269.0–97), в том числе и дезинтегрировавшихся образцов, рассчитывали пористость каждого образца после воздействия на него циклов замораживания-оттаивания.
Анализируя полученные данные, были построены графики изменения начальной пористости доломитизированного известняка и доломита в зависимости от концентрации порового раствора, температуры замораживания образцов и количества циклов замораживания-оттаивания (рис. 4, 5). Для каждой породы рассчитан 95 % доверительный интервал, границы которого приведены на рисунках (рис. 4–7).
Рис. 4. Изменение пористости доломитизированного известняка под влиянием циклов замораживания-оттаивания
Рис. 5. Изменение пористости доломита от количества циклов замораживания-оттаивания
Исходная пористость образцов доломита — выше 10 %. В отличие от доломита, образцы доломитизированного известняка ввиду различной пористости были разделены на 3 класса (по начальным значениям пористости):
1 — образцы с начальной пористостью 4–7 %;
2 — образцы с начальной пористостью 7–10 %;
3 — образцы с начальной пористостью выше 10 %.
Проведенные испытания показали, что под влиянием трех циклов замораживания-оттаивания пористость исследованных образцов в среднем увеличивается на 10–50 % по сравнению с первоначальным значением.
В ходе проведенных экспериментов был определен диапазон пористости доломитизированного известняка (рис. 6, 7), который наиболее подвержен влиянию циклического замораживания-оттаивания. Максимальное изменение пористости показывают образцы, обладающие начальной пористостью (в исходном состоянии) до 10 %.
Рис. 6. Изменение пористости доломитизированного известняка в зависимости от количества циклов замораживания-оттаивания при концентрации порового раствора 100 г/л и температурах замораживания -10°С и -20°С
Рис. 7. Изменение пористости доломитизированного известняка в зависимости от количества циклов замораживания-оттаивания при концентрации порового раствора 200 г/л и температуре замораживания -20°С.
Заключение
Проведенные исследования показали, что знакопеременное температурное воздействие в присутствии минерализованных вод приводит к существенному изменению пористости исследуемых образцов. Установлено, что под влиянием трех-пяти циклов замораживания-оттаивания относительная пористость исследованных образцов увеличивается на 10–50 % по сравнению с первоначальным значением. Максимальное изменение пористости показали образцы доломитизированного известняка с начальной пористостью до 10 %.
Литература:
1. Дроздов, А.В. Природные и техноприродные резервуары промышленных стоков в криолитозоне (на примере Якутской части Сибирской платформы) / А.В. Дроздов. – Якутск: ИПК СВФУ, 2011. – 416 с.
2. ГОСТ 8269.0-97. Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний (с Изменениями N 1, 2). – Введ. 01.07.1998 - Государственный стандарт Российской Федерации (Изменение N 2 введено в действие на территории РФ с 01.09.2009). – 109 с.
3. Попов, Л.Н. Лабораторные испытания строительных материалов и изделий / Л.Н. Попов. - Москва: Высшая школа, 1984. - 168 с.
4. Кассандрова, О.Н. Обработка результатов наблюдений / О.Н. Кассандрова, В.В. Лебедев. – Москва: Наука, 1970. – 104 с.
