Новый метод мониторинга промерзания грунта сделает строительство на вечной мерзлоте безопаснее
Исследователи из Сколтеха и их коллеги из АО «НИЦ «Строительство» продемонстрировали практическую полезность своего ранее запатентованного метода определения температуры замерзания грунта и содержания в нем незамерзшей воды. Мониторинг этих двух параметров крайне важен для строительства и эксплуатации дорог, мостов, домов, заводов и других объектов в регионе вечной мерзлоты — особенно в эпоху глобального потепления, вызывающего оттаивание и нестабильность грунтов. Техника точна, быстра, относительно недорога и применима к разным типам грунтов. Статья с описанием испытаний этого так называемого метода водного потенциала вышла в журнале Cold Regions Science and Technology.
«Всякий раз, когда вы строите что-либо на вечной мерзлоте в Арктике, вам необходимо знать, при какой температуре замерзает именно этот грунт и каково остаточное содержание в нем жидкой воды. Эти параметры влияют на механические свойства грунта и необходимы для расчетов, обеспечивающих устойчивость жилья, транспортной инфраструктуры и промышленных объектов, таких как фабрики, трубопроводы и нефтяные скважины», — пояснил первый автор исследования, ведущий научный сотрудник Сколтеха Евгений Чувилин. «Это особенно актуально для сооружений, выделяющих тепло, таких как тепловые электростанции, и в контексте глобального потепления, поскольку среды, населенные мерзлыми грунтами, нагреваются».
Необходимые измерения можно проводить с помощью ядерного магнитного резонанса или контактного метода, но первый настолько дорог, что его могут позволить себе только крупные исследовательские центры, а второй трудоемок и тоже недешев, поскольку требует больших образцов грунта, которые необходимо замораживать с помощью дорогостоящего охлаждающего оборудования.
Вместе с соавторами — главным научным сотрудником Владимиром Истоминым и научным сотрудником Борисом Бухановым, также из Сколтеха, — Чувилин разработал альтернативную технику — метод водного потенциала, основанный на сравнительно недорогом оборудовании. Запатентованный в 2018 году, он предполагает ступенчатое высушивание образца и регистрацию связанного с этим изменения энергии связи воды в порах с частицами грунта и давления пара над влажным образцом. Эти значения затем можно использовать для расчета точки замерзания и содержания незамерзшей воды. Метод водного потенциала быстр и не требует охлаждения образца, что удешевляет измерения. Команда также продемонстрировала его эффективность, проверив по сравнению с традиционными методами.
«Мы показали, что метод работает на природных грунтах различного гранулометрического состава, минерального состава, засоленности и содержания общего органического углерода», — сказал Чувилин. «Результаты хорошо согласуются с прямыми измерениями, включая ядерный магнитный резонанс, что означает, что наш метод обеспечивает необходимую степень точности. Таким образом, мы можем рекомендовать его для определения температуры замерзания и содержания незамерзшей воды для различных типов грунтов».
Исследование, о котором идет речь, является последней частью серии работ, представляющих и развивающих метод водного потенциала. Проверив эту новую технику по сравнению с традиционными методами и расширив спектр грунтов, для которых она показала свою применимость, команда обращается к строительным инженерам, которые могли бы напрямую извлечь выгоду, внедрив новый подход.
«Теперь те люди, которых не обязательно интересует сложная физика процесса, но у которых есть конкретная проблема, которую нужно решить, могут приступить к использованию метода. Наше исследование дает ответы на вопросы, которые у них, вероятно, возникнут: Сработает ли он на грунте данного типа? Насколько он точен? Для какого температурного диапазона он подходит?» — отметил Чувилин. «Мы подчеркиваем преимущества и показываем конечному пользователю, что наш метод является действенной и высококонкурентной техникой для решения их задачи».