Методика приготовления образцов криогенных горных пород и особенности условии эксперимента

Как уже отмечалось, мерзлая порода даже одного и того же состава скелета и влажности при каждом значении отрицательной температуры представляет собой новое твердое тело с иной (изменившейся) пространственной криогенной кристаллизационной структурой, . а следовательно, и с другими соответствующими ей физико-механическими свойствами. Поэтому полное изучение особенностей формирования и изменения физических свойств мерзлых пород в натурных условиях практически неосуществимо, так как сопряжено с выполнением большого объема трудоемких полевых исследований во многих районах распространения мерзлых пород с различными геологическими, климатическими и геокриологическими условиями. В связи с этим особое значение приобретают лабораторные измерения на образцах моделей мерзлых пород.

Только при исследовании образцов, приготовляемых из по-род определенного минерального и гранулометрического состава с фиксированным типом и значением общей влажности, оказывается возможным осуществить измерения в большом диапазоне температур, влажности, степени заполнения пор, режима замораживания и т. д. для одного и того же состава скелета породы._ч И лишь после установления основных закономерностей на моделях мономинеральных пород (кварцевый песок, каолин, монтмориллонит) и их фиксированных по составу смесей следует переходить к измерениям на образцах пород данного региона или крупного сооружения и контрольным з_амерам в натурных . условиях. Такая схема изучения свойств мерзлых пород представляется наиболее рациональной.

При изготовлении образцов моделей мерзлых пород необходимо учитывать ряд обстоятельств и пользоваться специальными приемами для обеспечения достаточного приближения изучаемой модели к соответствующей криогенной породе в натурных условиях: задание неебходимого равномерного увлажнения, формирование определенного типа криогенной текстуры, обеспечение квазиравновесного состояния изучаемой криогенной породы и др.

Создание равномерного увлажнения и определенной криогенной текстуры образцов. При задании влажности образцов мерзлых песчано-глинистых пород для более однородного ее распределения в пределах образца •"наилучшим способом является смешивание сухого порошка породы со снегом, а не с водой. Заранее рассчитанные для определенного значения влажности навески измельченной высушенной породы и снега, просеянного через сито с отверстиями не более 0,5—1 мм, перемешивают в холодильной камере при температуру — (3-^-5)° С Исходя из необходимости задания конкретной влажности В? в образце заданного объема V для каждого образца, рассчитывают массу воздушно-сухой породы [107, 112]:

ЦР_Г — гигроскопическая влажность; 47 — влажность породы в граммах воды к массе сухой породы; у — объемная масса породы; V — объем образца.

Определенные по этим формулам навески измельченного и просеянного через сито грунта и снега после тщательного перемешивания укладывают в формы и оттаивают. Затем при помощи пресса (или трамбовки) объем смеси доводят до расчетного, при котором обеспечивается заданная пористость. При изготовлении образцов мерзлых пород со степенью заполнения пор водой и льдом, близкой к единице, при трамбовке талого грунта доводят его объем до величины, при которой степень заполнения пор водой составляла бы примерно 0,9. Если необходимо приготовить образцы одинаковой пористости п, то необходимый объем образца рассчитывают по формуле

В этом случае степень заполнения пор водой у образцов разной влажности будет различна, но постоянной останется удельная поверхность исследуемых образцов пород и в первом приближении содержание в них незамерзшей воды.

Образцы после уплотнения подвергают быстрому замораживанию в холодильной камере при / =—(40-^60)°С. Замораживание при такой температуре позволяет предотвратить сильную миграцию влаги к охлаждающим поверхностям и ее перераспределение внутри образца. В то же время температура замораживания не слишком низка, чтобы обусловить растрескивание породы в результате концентрации «температурных» напряжений. При таком замораживании получается достаточно изотропная массивная криогенная текстура, т. е. равномерное по объему льдообразование в порах образца. Для получения других текстур требуются иные режимы замораживания образцов, например, с фиксированным градиентом температуры. Замораживание необходимо производить в течение не менее 8—12 ч (верхний предел для глин) для стабилизации процессов криогенных преобразований в породах и достижения условия равновесия. Затем образцы для акустических измерений выдавливают из форм и помещают в холодильную камеру с заданной температурой измерений. Образцы для измерения электрических свойств обычно замораживают сразу в измерительных формах (см. § 3 настоящей главы), поэтому выдерживание при температурах измерений производят в них же.

Изготовление образцов льда. При изготовлении для исследований искусственных образцов льда различного состава важное значение имеет получение однородных по строению образцов. Это может быть обеспечено последовательным намораживанием льда, осуществляемым путем наливания на поверхность тонких слоев воды (раствора), либо набрызгиванием капельно-жидкой фазы.

Оба способа обеспечивают при соблюдении необходимых условий формирование однородного мелкокристаллического льда. Кристаллооптические исследования (В. Н. Голубев) полученных этими способами образцов льда показали, что структура льда каждого последующего слоя повторяет структуру предыдущего при толщине наливаемых слоев воды около 2 мм.

При необходимости приготовляют образцы структурированных льдов нужной текстуры. Для этого сначала при определенных термодинамических условиях замораживают блоки льда, а затем вырезают из них образцы. При изучении физических свойств на образцах снега и фирна их отбирают с помощью специального пробоотборника из шурфов в естественных условиях.