3.3.6.2. Мельтинг льда и режеляция воды

Процесс льдообразования в порах грунта сопровождается возникновением и смерзанием кристалликов льда между собой в поровом пространстве, в т.ч. с участием влаги, находящейся в жидком состоянии. Смерзание льдинок в агрегаты происходит самопроизвольно, поскольку, как было упомянуто выше, в составе льда на холоде водород не замерзает, сохраняет подвижность, что и оборачивается возникновением водородных связей.

Известно, что высокое давление уменьшает температуру плавления льда. При давлении 100 МПа температура плавления снижается на 0,0073 ^○С, что может иметь место в толщах, например, многолетнемёрзлых грунтов. Процесс таяния льда под нагрузкой называется мельтингом (англ. melting – таяние), что означает принудительное превращение при отрицательной температуре льда в воду путём его сжатия. Обратный процесс смерзания мельтинговой воды с окружающим льдом происходит благодаря реализации всё тех же водородных связей при взаимном соприкасании молекул воды и кристалликов льда и называется режеляцией (англ. regelate – смерзаться).

Я

Т<0

вление мельтинга воды и режеляции льда в лабораторных условиях наблюдал Д.Т.Боттомли ещё в 70-х гг. 19 в. На рис. 3.9 показана принципиальная схема установки, в которой через ледяной брусок перекинута стальная струна, натянутая грузилами (гирями) с обоих концов (по Мерзлякову В.П.). Под струной (рис. 3.9, б) на лёд действует гипердавление, что приводит к его таянию (мельтингу) при t₁. Вода, образовавшаяся в зоне 3,

Рис. 3.9 – Схема установки (а) и поперечное сечение стальной струны,

«перерезывающей» ледяной брусок в конвективном режиме (б): 1 – лёд

(брусок на опорах); 2 − струна, охватывающая брусок (лёд) с подвешенными грузилами

Q; 3 – плавление льда (мельтинг); 4 – смерзание воды с окружающим льдом (режеляция);

5 – тепловой поток; Q – грузило; → − направление потока мельтинговой (талой) воды из

зоны плавления 3 в зону смерзания 4; t₁ и t₂ – температуры плавления и смерзания в

непрерывном режиме; Т<0 – окружающая температура

более подвижная, по сравнению со связанной грунтовой водой. Она мгновенно перемещается в зону 4 и смерзается в ней при температуре t₂ с окружающим струну льдом в конвективном режиме. При этом струна опускается вниз со скоростью, зависящей от давления струны на лёд. Проволока «перерезывает» ледяной брусок по круговой траектории без признаков каких-либо его деформаций. Процесс мельтинга – режеляции происходит в непрерывном («живом») режиме за время (от минут до десятков суток), которое зависит от массы гирек.

Таким образом, мельтинговая вода, возникающая при механическом взаимодействии стального тела с льдом, существует только в движении. Повторно замёрзшая эта же вода превращается в режеляционный лёд.

Теоретическая сущность явления «мельтинга – режеляции» заключается в принципе Ле-Шателье, согласно которому давление понижает температуру плавления льда и приводит к образованию той фазы, которая при той же температуре занимает меньший объём. Этой фазой в данном случае является вода, обладающая меньшим объёмом, чем эквивалентная масса льда. Мельтинговая вода и режеляционный лёд существуют только в движении.