Теплофизические свойства и фазовый состав влаги мерзлых вулканических шлаков и пеплов Камчатки

Глава 6. Закономерности изменения теплофизических свойств вулканических шлаков и пеплов.

Рассмотрим результаты исследования теплофизических свойств вулканических шлаков и пеплов разного гранулометрического, минерального состава и возраста, отобранных в районе Ключевской группы вулканов на Камчатке, и выявим закономерности их изменения от влажности, плотности и температуры.

Результаты экспериментальных исследований теплопроводных характеристик талых и мерзлых вулканических шлаков и пеплов представлены на рисунках 6.1-6.6. Из рис. 6.1 видно, что при увеличении влажности и плотности скелета грунтов коэффициент теплопроводности увеличивается. Сопоставить данные по теплопроводности возможно только для образцов, имеющих близкую плотность скелета грунта ρd, поэтому были проведены осредняющие кривые, объединяющие данные для образцов с одинаковыми значениями плотности. С ростом влажности W (от 0 до 80 %) и плотности скелета ρd (от 0,7 до 1,7 г/см³) λ закономерно увеличивается от 0,13 до 1,0 Вт/(м^.К) в талом и от 0,14 до 1,27 Вт/(м^.К) в мерзлом состояниях. Для сухих образцов величины коэффициента теплопроводности находятся в пределах 0,13-0,17 Вт/(м^.К).

Рис. 6.1. Зависимости коэффициента теплопроводности (?) от влажности (W) для исследуемых вулканических шлаков (N1'-4') и пеплов (N 1-21) в талом (А) и мерзлом (Б) состоянии. Линии - значения при одной плотности ρd: 1 - 0,8-0,9 г/см3, 2 - 1 г/см3, 3 - 1,1-1,2 г/см3, 4 - 1,3 г/см3, 5 - 1,5 г/см3, 6 - 1,6 г/см3, 7 - 1,7 г/см3. Номера под графиками соответствуют номерам образцов. Пунктиром обозначен предполагаемый характер зависимостей

Значения коэффициентов теплопроводности для шлаков и пеплов при фиксированных значениях влажности и плотности близки, что объясняется низкими значениями теплопроводности шлаков, связанные с конкурирующим воздействием двух факторов: размера зерен и пористости частиц. Наличие в шлаках закрытой пористости понижает их теплопроводность, что компенсирует тот факт, что частицы шлака крупнее, чем частицы пепла.

Выявлена хорошая сходимость значений теплопроводности вулканических пеплов, полученных в полевых и лабораторных условиях ( 10%).

Рис. 6.2. Зависимости коэффициентов теплопроводности (?) и температуропроводности (а) от степени влажности (Sr) и минерального состава для камчатских вулканических пеплов в талом (А) и мерзлом (Б) состоянии

Степень влажности S_r (ГОСТ 25100-95) может служить обобщающим параметром при интерпретации результатов по теплопроводным свойствам горных пород (этот параметр включает в себя и плотность, и пористость, и влажность). На рис.6.2 представлены результаты обобщения данных по коэффициентам тепло- и температуропроводности талых и мерзлых вулканических шлаков и пеплов. Выше легли значения для пеплов, в которых кислое стекло, и состав которых был определен как опал, ниже - для пеплов, в которых основное стекло, и состав был определен как аллофан.

Для практического использования коэффициенты теплопроводности можно рассчитать по формулам:

- для пеплов со стеклом кислого состава (содержат опал):

- для пеплов со стеклом основного состава (содержат аллофан):

Влияние пористости представлено на рисунке 6.3. При увеличении коэффициента пористости теплопроводность понижается как в талом, так и в мерзлом состоянии. При этом четко прослеживается зависимость коэффициента теплопроводности от степени заполнения пор влагой. При S_r >0,8 значения коэффициента теплопроводности выше, а при S_r = 0,4-0,6 - ниже. Самые низкие значения получены для шлаков при S_r = 0,2-0,4.

Влияние пористости представлено на рисунке 6.3. При увеличении коэффициента пористости теплопроводность понижается как в талом, так и в мерзлом состоянии. При этом четко прослеживается зависимость коэффициента теплопроводности от степени заполнения пор влагой. При S_r >0,8 значения коэффициента теплопроводности выше, а при S_r = 0,4-0,6 - ниже. Самые низкие значения получены для шлаков при S_r = 0,2-0,4.

Рис. 6.3. Зависимости коэффициента теплопроводности (?) от коэффициента пористости (е) для исследуемых вулканических пород: 1 - шлаков, 2 и 3 - пеплов (2 - при Sr >0,8, 3 - при Sr = 0,4-0,6) в талом (А) и мерзлом (Б) состоянии

Все свойства мёрзлых грунтов определяются содержанием жидкой и твердой фазы. На рис. 6.4 даны зависимости коэффициента теплопроводности λ_м от содержания жидкой и твёрдой фазы. Кривые I и II аппроксимируют данные для пеплов опалового, а кривые III, IV, V- для аллофанового состава.

Рис. 6.4. Зависимость коэффициента теплопроводности мёрзлых вулканических пеплов (λм) от соотношения воды (Ww) и льда (W - Ww) (I?V - см. текст)

У пеплов опалового состава, в которых практически нет незамерзшей воды или её очень мало, соотношение жидкой и твёрдой фазы изменяется от 0 до 0,08. Так, на кривой I находятся значения для образцов пепла N 2, 4, 19, в которых незамерзшей воды практически нет, а на кривой II (для образцов N 6, 9, 12, 17) - от 0,5 до 1,1 %. Для пеплов аллофанового состава соотношение W_w/(W - W_w) находится в пределах 0,08-0,58. Кривая III осредняет значения для образцов N 10, 14, 15, 20, 21, в которых значение Ww около 0,8-3 %, кривая IV (образцы N 1, 5, 7) - 2-4 %, а кривая V - значения для образцов N 3 и 18, в которых больше всего незамерзшей воды - 10-11 %.

Для пеплов опалового состава даже небольшое увеличение соотношения жидкой и твёрдой фазы приводит к уменьшению коэффициента теплопроводности почти в 2 раза. Изменение коэффициента теплопроводности у пеплов аллофанового состава это имеет место при гораздо большем изменении этого соотношения.

Теплопроводность и температуропроводность в мерзлом состоянии выше, чем в талом состоянии для всех исследуемых вулканических дисперсных пород; наибольшие значения λ_м/λ_т = 1,9 и а_м/а_т = 2,7 получены для пеплов и шлаков, где практически нет незамерзшей воды.

Зависимости соотношения λ_м/λ_т и а_м/а_т от влажности для вулканических пеплов представлены на рис. 6.5. Все значения осредняются тремя кривыми. Кривая I аппроксимирует данные для пеплов маркирующих горизонтов, которые имеют опаловый состав, кривые II и III - как для пеплов из маркирующих горизонтов, так и для пирокластики между маркирующими горизонтами, которые имеют аллофановый состав.

Рис. 6.5. Зависимость отношения λм/λт и ам/ат от влажности для вулканических пеплов разного состава (I? III- см. текст)

Для вулканических пеплов при увеличении влажности наблюдается увеличение соотношений λ_м/λ_т и а_м/а_т, при этом значения этих соотношений выше для пеплов, содержащих опал, выше, чем для пеплов, содержащих аллофан.

Теплопроводные характеристики для мерзлых вулканогенно-обломочных пород (шлаков и пеплов) значительно ниже, чем для песков осадочного генезиса (рис. 6.6), что объясняется появлением в них незамерзшей воды, формой частиц, а также меньшими значениями теплопроводности аморфных компонентов породы, значения ? которых уменьшаются с понижением температуры.

Рис. 6.6. Зависимость коэффициента теплопроводности грунтов различного состава от степени влажности в мерзлом состоянии: 1 - песок кварцевый, фракция 0,25-0,65 мм), 2 - песок пылеватый кварцевый, 3 - песок полиминеральный, фракция 0,1-0,5 мм, 4 - песок пылеватый полиминеральный, 5 и 6 - пепел вулканический

Изучение теплоемкости показало, что теплоемкость скелета исследуемых образцов увеличивается при повышении температуры, но в интервале от -20 до +20 ^oС изменяется незначительно. Для этого интервала теплоемкость скелета для вулканических пеплов имеет значение 750-1000±50 Дж/(кг^.К), для вулканических шлаков - 800±50 Дж/(кг^.К). Значения удельных теплоемкостей для вулканических пеплов с увеличением W от 13 до 80% увеличиваются от 1000 до 2200 Дж/(кг^.К) в талом и от 900 до 1500 Дж/(кг^.К) в мерзлом состояниях, для вулканических шлаков при увеличении W до 40% - 1100-1800 и 900-1200 Дж/(кг^.К) для талого и мерзлого состояния, соответственно.