Установление взаимосвязей (функциональных и корреляционных) различных свойств материалов имеет большое научное и практическое значение. Такие связи, с одной стороны, позволяют лучше понять природу тех или иных свойств и являются средством комплексного изучения строения и состава сложных материалов. С другой стороны, они представляют собой основу для создания менее трудоемких косвенных методов определения свойств. Особенно перспективным является совместное изучение электрических и упругих свойств и соответствующих процессов релаксации, так как это может дать дополнительную информацию об отдельных компонентах гетерогенного материала. Для криогенных пород некоторые из таких связей удалось установить лишь недавно на основе выполненного нами анализа и обобщения экспериментальных данных.

Электрическая и механическая релаксация в криогенных породах. Релаксация есть реакция среды на изменение внешних силовых полей. Несмотря на сложность изучения релаксационных процессов в гетерогенных средах, получаемые при таких исследованиях данные позволяют судить об их составе и строении, механизмах движения и энергетическом спектре частиц отдельных компонентов и т. д. Основными видами изменения силовых полей являются импульсный и периодический. При импульсном изменении, называемом статическим, внешнее силовое поле в начальный момент резко изменяется, а затем остается неизменным в течение длительного интервала времени. В случае периодического изменения, которое называют динамическим, силовое поле изменяется периодически, часто по гармоническому или близкому к нему закону с определенной частотой.

При импульсном изменении поля в несовершенных материалах наблюдается последействие — изменение во времени деформации, электрического смещения, т. е. механическая, электрическая, магнитная, термическая вязкость, и релаксация силовых характеристик полей. При периодическом изменении силового поля имеет место дисперсия физических параметров материала и поглощение в нем энергии приложенного поля.

В криогенных породах к настоящему времени в значительной степени исследованы механическое и термическое последействие (реология и термореология). Электрическое последействие, например/ вызванное поляризацией находится лишь на начальной стадии изучения, а магнитная вязкость совсем не исследована.

Рассмотрим динамическое изменение поля. При воздействии на твердое тело (среду) переменного поля с определенной частотой (о его макроскопические физические характеристики — модули упругости, восприимчивости, проницаемости и другие становятся комплексными величинами. Появляется дисперсионный переход действительной части комплексного параметра среды от максимума к минимуму в зависимости от частоты поля или температуры и максимум его мнимой части, характеризующей поглощение энергии соответствующего силового поля. Для гетерогенных сред, какими являются мерзлые породы, ширина максимума мнимой части физического параметра обычно несколько больше ширины максимума идеального линейного тела. Это означает, что практически всегда есть распределение времени релаксации, а соответствующая максимуму частота определяет лишь некоторое эффективное или среднее время релаксации. Экспериментальное изучение процессов динамической, механической и электрической релаксации в гетерогенных твердых телах показывает, что обычно наблюдается приблизительное равенство их эффективного времени релаксации [45]. Такое одинаковое проявление разнородных по своей природе процессов можно объяснить общими свойствами твердого тела и особенностями его строения, обусловливающими взаимность сходного перемещения (смещение) групп частиц отдельных его компонентов под действием различных силовых полей.

Если предположить, что у криогенных пород также имеет место равенство эффективного времени электрической и упругой (механической) динамической релаксации, то можно воспользоваться результатами его определения в одном поле (например, электрическом) для соответствующих, хотя бы оценочных расчетов механических величин. Обоснованность такого допущения подтверждается сопоставлением экспериментальных данных о времени электрической (пунктирные линии) и механической (сплошные линии) релаксации пресного льда (рис. 76).

Это сопоставление свидетельствует о вполне удовлетворительном совпадении, если учесть, что пресный лед, изучавшийся разными авторами, мог иметь различия, обусловленные строением (структурой, текстурой), состоянием (концентрацией напряжений, дислокаций) и составом (наличием примесей).

 

Изучение характеристик динамической релаксации мерзлых пород было начато недавно и сейчас имеются лишь данные, полученные при исследовании диэлектрических свойств (см. § 6 главы II). Характеристики механической релаксации мерзлых пород пока еще не определены из-за трудностей изучения поглощения в них упругих волн. Будем исходить из предположения о равенстве эффективного времени механической и электрической релаксации. В соответствии с температурными зависимостями эффективного времени электрической релаксации и

Рис. 76. Температурная зависимость времени механической и электрической релаксации в пресном льде:

/, 2, 3, 4, 7 — образцы моно
кристаллов льда; 5, 6, 8 — об
разцы поликристаллического
льда

Рис. 77. Температурная зависимость динамической эффективной вязкости мерзлых пород:

/ — песок (<7=0,5ч- 1,0); 2 — каолин (№_р =254-125%); 3 - суглинок (</-

= 0,35^-0,92): 4 — лед

модулей упругости, сводные данные о которых приведены в табл. 7, оценим температурную зависимость эффективной динамической вязкости криогенных пород, воспользовавшись в качестве первого приближения формулой

ЛвФ(0=Я(')вэ_Ф(0- (У.1)

Полученные зависимости (рис. 77) позволяют впервые охарактеризовать изменение динамической вязкости криогенных пород различного состава в процессе их промерзания. Характер кривых свидетельствует, что относительное изменение вязкости мерзлых пород по сравнению с пресным льдом при понижении температуры породы обусловлено изменением в них состояния и содержания незамерзшей воды. Полученные зависимости находятся в хордшем качественном соответствии с данными температурной зависимости комплексных модулей упругости, полученными вибрационным методом Г. Стивенсом [141] для нескольких образцов песчано-глинистых пород.

 

 

 

Рас. 78. Зависимость электрических характеристик е' и 9эф от модулей упругости (Е и С): I — песок; // — каолин

Из наших данных следует что в диапазоне температур — (2-М0)°С вязкость глинистых мерзлых пород возрастает примерно на четыре порядка, в то время как у кварцевого песка она меняется примерно в 40 раз, а у пресного льда всего в 3— 4 раза. При этом, если эффективная вязкость, начиная с температуры —5° и ниже, у мерзлого песка больше, чем у льда, то вязкость глинистых пород лишь при 1 = —40 °С приближается к значениям вязкости льда. Этим объясняется резкое охруп-чивание мерзлого песка при понижении температуры, а также то, что его прочность на разрыв аналогична прочности льда и значительно меньше по сравнению с мерзлыми глинистыми породами.

Таким образом, совместное изучение механической и электрической релаксации дает возможность лучше изучить физическую природу свойств криогенных образований.

Взаимосвязь электрических и механических характеристик. Сопоставление полученных данных позволяет впервые установить корреляционную связь между некоторыми электрическими характеристиками и модулями упругости мерзлых пород

(рис. 78). Для Е(е') и С(е') мерзлого песка коэффициенты корреляции оказались равны 0,99—0,98. Следовательно, имеет место функциональная зависимость. Это вполне понятно, так как с увеличением содержания (или подвижности) жидкой фазы в граничных межзерновых зонах жесткость пространственной криогенной кристаллической структуры будет уменьшаться, а эффективная диэлектрическая проницаемость е_Эф материала— возрастать. Увеличение подвижности (уменьшение вязкости) жидкой фазы должно привести к более быстрому протеканию процессов релаксации, в результате чего уменьшается эффективное время электрической релаксации с приближением температуры породы к 0°С.

Рис. 79. Взаимосвязь электрических и прочностных характеристик криогенных пород

На рис. 79 показана корреляционная зависимость между электрическими характеристиками и прочностью мерзлого песка. Она отражает особенности изменения степени дефектности пространственной криогенной кристаллической структуры, с которой связана прочность мерзлой породы.

Установленные зависимости являются основой для разработки методов оценки механических свойств по электрическим измерениям, например по измерению е' в переменном электромагнитном поле определенной частоты.