Изменение порового пространства в гумусовых агрегатах дерново-подзолистой почвы при многократном замораживании и оттаивании

Рассмотрены основные этапы трансформации твердой фазы и порового пространства почвенных агрегатов при цикличном замораживании-оттаивании в лабораторных условиях. С помощью рентгеновской компьютерной микротомографии исследована динамика морфологического строения пор в агрегате d = 3 мм из гумусового горизонта дерново-подзолистой почвы при капиллярном увлажнении и последующем 1, 5, 10 и 20-кратном замораживании (-10°С) и оттаивании (+20°С). Показано, что при капиллярном увлажнении общая пористость агрегата, измеренная на томографических реконструкциях, возрастает более чем в 2 раза (от 6.5 до 15.4%). В ходе 1, 5, 10 циклов замораживания-оттаивания происходит постоянное сокращение численности пор и их средних габаритов, а также уменьшение общей томографической пористости агрегата до 13.7, 10.6 и 5.6% соответственно. После 10 циклов наступает относительная стабилизация внутреннего строения агрегата, объем пор с ледяными включениями снижается до воздушно-сухого уровня. Микроморфометрический анализ показал, что однократное замораживание не приводит к существенному изменению формы агрегата и пор. После пяти циклов замораживания-оттаивания начинается деформация агрегата и изменение формы внутриагрегатных пор. 10-кратное замораживание и оттаивание приводит к оплыванию агрегата, снижению общей пористости, исчезновению пор трещиновидной формы и появлению множества пузырьковых пор. После 20 циклов замораживания-оттаивания все крупные внутриагрегатные поры приобретают округлую слабоизрезанную и пузырьковую форму. Низкая устойчивость гумусовых агрегатов к цикличному замораживанию и оттаиванию согласуется с их низкой механической прочностью.

циклы замораживания-оттаивания, микротомография, микроморфометрия, набухание агрегатов, форма пор, vertisol, vertic soil, montmorillonite, hydrothermic regime, shrinking-swelling

1. Вайсберг Л.А., Каменева Е.Е. Изменение структуры горных пород при цикличном замораживании и оттаивании // Обогащение руд. 2015. № 2. С. 28-31. doi: 10.17580/or.2015.02.06

2. Курилко А.С. Влияние циклов замораживания-оттаивания на массообменные свойства дисперсных горных пород. Дис. … к.т.н. Якутск. 2000. 137 с.

3. Курилко А.С. Экспериментальные исследования влияния циклов замораживания-оттаивания на физико-механические свойства горных пород. Якутск: Изд-во СО РАН, 2004. 153 с.

4. Курилко А.С., Иудин М.М. Каноническое представление влияния циклов замораживания-оттаивания на прочность горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2010. № 10. С. 310-313.

5. Микростроение мерзлых пород / Под ред. Ершова Э.Д. М.: Изд-во Мщск. ун-та, 1988. 183 с.

6. Ратькова Е.И., Катаров В.К., Ковалева Н.В. Уплотнение оснований лесных дорог на глинистых грунтах в межсезонные периоды // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Биологические науки. 2015. № 4. С. 95-97.

7. Ратькова Е.И., Сюнев В.С., Катаров В.К. Влияние цикла замораживание-оттаиваниена модуль деформации и коэффициент сжимаемости суглинков // Ученые записки Петрозаводского гос. ун-та. Сер. Естественные и технические науки. 2013. № 4 (133). С. 75-78.

8. Романенко К.А., Рогов В.В., Юдина А.В., Абросимов К.Н., Скворцова Е.Б., Курчатова А.Н. Исследование микростроения мерзлых почв и дисперсных пород с помощью рентгеновской компьютерной томографии: методы, подходы, перспективы // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2016. № 83. С. 103-117.

9. Скворцова Е.Б., Калинина Н.В. Микроморфометрические типы строения порового пространства целинных и пахотных суглинистых почв // Почвоведение. 2004. № 9. С. 1114-1125.

10. Скворцова Е.Б., Сапожников П.М. Трансформация порового пространства уплотненных почв в ходе сезонного промерзания и оттаивания // Почвоведение. 1998. № 11. С. 1371-1381.

11. Ghazavi M., Roustaie M. The in fluence of freeze-thaw cycles on the unconfined compressive strength of fiber-reinforced clay // Cold Regions Science and Technology. 2010 V. 61. P. 125-131.

12. Hazirbaba K., Zhang Y., Leroy Hulsey J. Evaluation of temperature and freeze-thaw effects on excess pore pressure generation of fine-grained soils // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2011. Т. 31. № 3. С. 372-384.

13. Hugh A.L. Henry Soil freeze-thaw cycle experiments: Trends, methodological weaknesses and suggested improvements // Soil Biology and Biochemistry 2007. V. 39. Is. 5. P. 977-986.

14. Laplante C.M.C. The application of destructive and non-destructive testing techniques to qualitatively analyze the cracking structure produced by freeze-thaw cycles in compacted fine-grained soils Degree: Ph.D., 1998.

15. Oztas T., Fayetorbay F. Effect of freezing and thawing processes on soil aggregate stability // Catena. 2003. Т. 52. № 1. С. 1-8.

16. Pardini G., Guidi G.V., Pini R., Regues D., Gallart F. Structure and porosity of smectitic mudrocks as affected by experimental wetting-drying cycles and freezing-thawing cycles // Catena. 1996. V. 27. № 3-4. P.149-165.

17. Six J., Bossuyt H., Degryse S., Denef K. A history of research on the link between (micro)aggregates, soil biota, and soil organic matter dynamics // Soil Tillage Research. 2004. V. 79. P. 7-31.

18. Taina I.A., Heck R.J., Deen W., Ma E.Y.T. Quantification of freeze-thaw related structure in cultivated topsoils using X-ray computed tomography // Can. J. Soil Sci. 2013. V. 93. P. 533-553.

19. Torrance J.K., Elliot T., Martin R., Heck R.J. X-ray computed tomography of frozen soil // Cold regions science and technology. 2008. V. 53. P. 75-82.

20. Wang T.-L., Bu J.-Q., Xu L., Wang Y., Yan H. Thaw subsidence properties of soils under repeated freeze-thaw cycles // Yantu Gongcheng Xuebao/Chinese J. Geotechnical Engineering. 2014. V. 36. № 4. P. 625-632.