Ученые из Сколтеха и Научно-исследовательского центра «Строительство» продемонстрировали практическую ценность ранее запатентованного ими метода определения температуры замерзания грунта и содержания незамерзшей воды в нем. Мониторинг этих двух параметров необходим при строительстве и эксплуатации дорог, мостов, жилых домов и промышленных объектов в районах распространения вечной мерзлоты, причем он особенно актуален в условиях глобального потепления, из-за которого грунт может оттаивать и становиться нестабильным. Достоинства развиваемого российским коллективом водно-потенциометрического метода — точность, быстродействие, сравнительная бюджетность, применимость к разным типам грунтов.
Новая технология оценки замерзания воды в грунтах повысит безопасность строительства в холодных регионах / ©Getty images
Результаты испытаний опубликованы в журнале Cold Regions Science and Technology. «Когда речь заходит о строительстве на вечной мерзлоте в арктическом регионе, нужно понимать, при какой температуре замерзает — или оттаивает — тот или иной грунт и каково остаточное содержание жидкой воды в нем.
Эти параметры влияют на механические свойства грунта и нужны для рассчетов, которыми в конечном итоге обеспечена стабильность строений жилищного фонда, транспортной инфраструктуры и промышленных объектов: газопроводов, нефтяных скважин и прочего, — комментирует исследование его первый автор, ведущий научный сотрудник Сколтеха Евгений Чувилин. — Их мониторинг особенно актуален в случае с излучающими тепло объектами, такими как ТЭЦ, и в контексте глобального потепления, поскольку из-за него мерзлый грунт оттаивает».
Необходимые измерения можно провести при помощи спектроскопии ядерного магнитного резонанса или контактным методом, но первая процедура стоит так дорого, что доступна лишь крупным организациям, а вторая требует много времени и опять же немалых затрат — в связи с тем, что нужно много образцов грунта, которые должны охлаждаться дорогостоящим оборудованием.
Чувилин и его коллеги из Сколтеха — главный научный сотрудник Владимир Истомин и научный сотрудник Борис Буханов — предложили альтернативный подход. Запатентованный ими в 2018 году водно-потенциометрический метод использует сравнительно недорогое оборудование, работает быстро и не требует заморозки грунта. Для анализа образцы ступенчато высушиваются, при этом регистрируется, как меняются энергия связи воды в порах с частицами грунта и давление пара над влажным образцом — по этим величинам можно вычислить температуру замерзания и содержание незамерзшей воды. Научный коллектив продемонстрировал эффективность метода путем его валидации в сравнении с другими методами.
«Мы показали, что наш метод применим к грунтам с разным размером частиц, минеральным составом, содержанием органического материала и солей, — рассказывает Чувилин. — Результаты хорошо согласуются с прямыми измерениями, в том числе спектроскопией ядерного магнитного резонанса, поэтому мы можем говорить о достижении необходимой точности и рекомендовать свой метод для определения точки замерзания и содержания незамерзшей воды в грунтах разных типов».
Освещенное в этой статье исследование — последняя в серии работ, представляющих и совершенствующих водно-потенциометрический метод. Проведя его валидацию в сравнении с привычными методами и подтвердив расширенный перечень доступных для анализа грунтов, ученые посылают сигнал инженерам из строительной отрасли, которые теперь могут воспользоваться преимуществами нового подхода.
«Метод могут уже сейчас брать на вооружение специалисты, которым интересна не столько тонкая физика процесса, сколько решение конкретных задач. Наша работа даёт ответы на вопросы, которые могли у них возникнуть. Будет ли метод работать на грунте определенного типа? Какова его точность? В каком температурном диапазоне он апробирован? — говорит Чувилин. — Мы обозначили преимущества и показали конечному пользователю, что наш метод — это проверенное и конкурентоспособное решение его проблемы».
