鮑旭明，鄧岳保，李語默，童森杰

（寧波大學(xué)巖土工程研究所，浙江 寧波 315211）

寧波軟土及其水泥改良土的導(dǎo)熱系數(shù)測試分析

鮑旭明，鄧岳保，李語默，童森杰

（寧波大學(xué)巖土工程研究所，浙江 寧波 315211）

土體導(dǎo)熱系數(shù)是土熱物性參數(shù)指標(biāo)之一，也是能源結(jié)構(gòu)換熱效率計(jì)算的重要參數(shù)?；谒矐B(tài)熱線法，利用TC3000型導(dǎo)熱系數(shù)儀，依次改變含水量和水泥的含量，測定完全擾動(dòng)的寧波淤泥質(zhì)黏土及其水泥改良土的導(dǎo)熱系數(shù)。通過對(duì)有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)對(duì)于淤泥質(zhì)黏土，其導(dǎo)熱系數(shù)隨含水量的增大而逐漸減?。慌c寧波淤泥質(zhì)軟黏土相比，水泥土的導(dǎo)熱系數(shù)有所增加。其導(dǎo)熱系數(shù)隨著水泥含量的增大而增大，隨含水量的增大而略有減少。說明可以通過控制土的含水量以及水泥含量來提高土的導(dǎo)熱系數(shù)，改善土的工程特性。

重塑土；水泥土；導(dǎo)熱系數(shù)；瞬態(tài)法

隨著地下工程的大力開發(fā)，更多的熱量被帶入地下。土是一種多孔介質(zhì)，具有隨機(jī)性、不均勻性和幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性［1］，較易受到外界因素的干擾。土體導(dǎo)熱系數(shù)能夠表征其導(dǎo)熱能力，是土體熱物性的一個(gè)重要參數(shù)，是研究地下結(jié)構(gòu)熱傳遞的重要依據(jù)。羅浩威等［2］在穩(wěn)態(tài)平板法原理的基礎(chǔ)上研究了黃土以及兩種改良黃土的導(dǎo)熱性能；許模等［3］提出影響巖土體導(dǎo)熱系數(shù)的各項(xiàng)因素和對(duì)應(yīng)關(guān)系；朱清宇等［4］制定出了一套相對(duì)較為完備的現(xiàn)場測試巖土熱物性參數(shù)的方法；劉為民等［5］給出土體導(dǎo)熱系數(shù)較為方便的計(jì)算方法。

為研究不同因素對(duì)土體導(dǎo)熱系數(shù)的影響，通過控制單一變量的原則，依次改變含水量和水泥的含量，利用TC3000型導(dǎo)熱系數(shù)儀，基于瞬態(tài)熱線法，我們開展了土體導(dǎo)熱系數(shù)的測試。

1 試驗(yàn)原理

導(dǎo)熱系數(shù)的測試方法從原理上可以分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。相比穩(wěn)態(tài)法，瞬態(tài)法測試時(shí)間較短，試樣的制備要求較低，過程方便快速。因此本實(shí)驗(yàn)采用瞬態(tài)熱線法作為試驗(yàn)方法。

瞬態(tài)熱線法是一種利用測量熱絲的電阻來測量物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的測試方法。測量時(shí)，需要在樣本里插入一根熱線，通過施加一個(gè)恒定的加熱功率，使其溫度升高，根據(jù)其中的固定關(guān)系，導(dǎo)熱系數(shù)可以采用下式計(jì)算［6］

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W·（m·K）-1；

I 為熱線加熱電流，A；

U 為熱線A、B間的端電壓，V；

L 為電壓引出端A、B間熱線的長度，m；

R 為測定溫度下熱線A、B間的電阻，Ω；

t1、t2為從加熱時(shí)起至測量時(shí)刻的時(shí)間，s；

θ1、θ2為 t1和 t2時(shí)刻熱線的溫升，℃。

利用瞬態(tài)熱線法測量導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，正是基于式（1）進(jìn)行的。從式（1）可知，已知熱絲上的單位長度的加熱功率，以及熱絲受熱后引起的溫升與時(shí)間的對(duì)數(shù)關(guān)系，就可以求得導(dǎo)熱系數(shù)。

2 土樣制備及測試過程

2.1 試驗(yàn)材料選擇

試驗(yàn)用土為寧波地區(qū)受擾動(dòng)后的重塑軟黏土。其基本參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)土體試樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 試樣制備

根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程［7］，采用壓樣法進(jìn)行擾動(dòng)土試樣制備，在環(huán)刀中直接壓制土樣。環(huán)刀內(nèi)徑為61.80 mm，高度為 200.016 mm，體積3 000 mm2。每組制備12個(gè)環(huán)刀樣，共兩組，用于測定重塑淤泥質(zhì)黏土與水泥土的導(dǎo)熱系數(shù)。

試驗(yàn)土體的標(biāo)準(zhǔn)尺寸：1 500 mm2×20 mm。測試土樣見圖1。每個(gè)盒子里6塊試樣，依次對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，并用保鮮膜覆蓋（圖2）。

圖1 測試土樣制作

圖2 測試土樣保濕

第一組受擾動(dòng)后的重塑軟黏土試樣制備方法：

1）計(jì)算不同含水率土樣的用水量。

2）將過篩后的黏土稱取后，加一定量的水?dāng)嚢杈鶆颍瞥?組土試樣。

3）分別用環(huán)刀制取試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)土樣。

4）加保鮮膜覆蓋，進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)處理。

第二組水泥改良土試樣制備：

試驗(yàn)制備水泥改良土為普通硅酸鹽水泥、水和土按照一定比例摻和而成的多相混合體系，嚴(yán)格控制含水量和水泥含量，通過一系列反應(yīng)形成的具有一定強(qiáng)度的加固土。

1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，計(jì)算6組一定含水量和水泥含量下的水泥、水和土用量。

2）稱取水泥過篩后的黏土，加定量的水?dāng)嚢杈鶆?，制?組水泥土試樣。

3）分別用環(huán)刀制取試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)土樣。

4）加保鮮膜覆蓋，進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)處理。

2.3 操作步驟

測試操作步驟如下：

1）連接儀器，打開設(shè)備和電腦，測試溫度為（293±2）K。

2）樣品放置，將兩塊相同的樣品分別放置在傳感器上下兩側(cè)，并施加一定的壓力（500 g 砝碼），見圖3。

圖3 對(duì)試樣施加壓力

3）確認(rèn)軟件參數(shù)設(shè)置是否正確。

4）熱平衡監(jiān)測。傳感器與樣品所處的初始環(huán)境達(dá)到平衡后方可開始測量。

5）導(dǎo)熱系數(shù)測量。

6）測試結(jié)束，回收樣品，導(dǎo)出測量數(shù)據(jù)。

3 導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 普通土體導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果及分析

含水量表示的是土體組成成分變化，為探究含水量與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系，對(duì)含水量影響下的淤泥質(zhì)軟黏土進(jìn)行分析。

表2 不同含水量的導(dǎo)熱系數(shù)

圖4 導(dǎo)熱系數(shù)隨含水量變化曲線

如圖4所示，飽和土體的導(dǎo)熱系數(shù)隨著含水量的增加而降低，呈下降曲線，但下降呈現(xiàn)非線性規(guī)律。含水量增大導(dǎo)致土體導(dǎo)熱系數(shù)降低的原因是水的導(dǎo)熱系數(shù)（0.465～0.582）比固體礦物顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)（1.256～7.536）更低。隨著試驗(yàn)土體的含水量增大，土體中固體顆粒所占的比例相應(yīng)降低，土體的導(dǎo)熱系數(shù)降低。

3.2 水泥土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)選取水泥土進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)研究。配制不同配比的水泥土制成試塊，養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測試，所得的導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果見表3。

表3 30%水泥土導(dǎo)熱系數(shù)測試

表4 40%含水量水泥土導(dǎo)熱系數(shù)測試

1）導(dǎo)熱系數(shù)與水泥含量的關(guān)系

為探究導(dǎo)熱系數(shù)與水泥含量的關(guān)系，選取含水量30%和40%的土樣繪制水泥含量與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系曲線，見圖5～7。

圖5 導(dǎo)熱系數(shù)與水泥含量關(guān)系曲線（w=30%）

圖6 導(dǎo)熱系數(shù)與水泥含量關(guān)系曲線（w=40%）

圖7 不同含水率情況下導(dǎo)熱系數(shù)隨水泥含量變化曲線

從圖5至圖7可看出，水泥改良土的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)于淤泥質(zhì)黏土有所增加。且導(dǎo)熱系數(shù)隨水泥含量的增加而增大。含水量為30%的水泥改良土導(dǎo)熱系數(shù)隨水泥含量的增加先減小后增大，含水量為40%的水泥改良土導(dǎo)熱系數(shù)隨水泥含量的增加而逐漸增加，曲線趨于平緩。

圖8 不同水泥含量下導(dǎo)熱系數(shù)隨水泥含量變化曲線

2）水泥改良土導(dǎo)熱系數(shù)與含水率的關(guān)系

為探究水泥土導(dǎo)熱系數(shù)與試驗(yàn)含水量的關(guān)系，選取水泥含量5%、10%、15%的土樣繪制含水量與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系曲線，見圖8。

由圖 8可知，水泥含量為 5%的水泥土導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的增加而減小，水泥含量為 10% 的水泥土導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的增加而增大，水泥含量為 15%的水泥土導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的增加而緩慢減小。

4 結(jié) 語

由于試驗(yàn)中對(duì)受擾動(dòng)淤泥質(zhì)黏土和水泥改良土的測試數(shù)據(jù)較少，只能確定導(dǎo)熱系數(shù)與密度、含水量、材料的大致關(guān)系，得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)于淤泥質(zhì)黏土，其導(dǎo)熱系數(shù)隨含水量的增大而逐漸減小。

（2）與寧波淤泥質(zhì)軟黏土相比，水泥改良土的導(dǎo)熱系數(shù)有所增加。其導(dǎo)熱系數(shù)隨著水泥含量的增大而增大，隨含水量的增大而略有減少。

（3）本次測試寧波淤泥質(zhì)軟黏土的導(dǎo)熱系數(shù)在 1.330～1.510 W（m·K）-1之間；水泥改良土的導(dǎo)熱系數(shù)在1.685～1.818 W（m·K）-1之間。

（4）不同地區(qū)的粉質(zhì)黏土很可能具有不同的熱物性，其他地區(qū)土體的熱學(xué)性質(zhì)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r具體分析。

［1］ 史玉鳳，劉紅，孫文策. 多孔介質(zhì)有效導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)與模擬［J］. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2011，43（3）∶198-203.

［2］ 羅浩威，張海超，郭鵬飛. 黃土及改良黃土導(dǎo)熱性能的試驗(yàn)研究［J］. 公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2015（5）∶109-112.

［3］ 許模，王迪，蔣良文，等. 巖土體導(dǎo)熱系數(shù)研究進(jìn)展［J］. 地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2011（4）∶ 421- 427.

［4］ 朱清宇，沈亮，呂曉辰，等. 巖土熱物性參數(shù)測試的研究及應(yīng)用. 中國建筑學(xué)會(huì)暖通空調(diào)分會(huì)、中國制冷學(xué)會(huì)空調(diào)熱泵專業(yè)委員會(huì).全國暖通空調(diào)制冷2008年學(xué)術(shù)文集.中國建筑學(xué)會(huì)暖通空調(diào)分會(huì)、中國制冷學(xué)會(huì)空調(diào)熱泵專業(yè)委員會(huì)∶2008∶4.

［5］ 劉為民，何平，張釗. 土體導(dǎo)熱系數(shù)的評(píng)價(jià)與計(jì)算［J］. 冰川凍土，2002（6）∶770-773.

［6］ 吳清良，賴燕玲，顧海靜，等. 導(dǎo)熱系數(shù)測試方法的綜述［J］. 佛山陶瓷，2011（12）∶20-22.

［7］ 中華人民共和國水利部.GB/T 50123—1999 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］. 北京∶中國計(jì)劃出版社，1999.

Testing and Analysis on the Thermal Conductivity for the Mollisol and Improved Soil by Concrete in Ningbo

BAO Xuming， DENG Yuebao， LI Yumo， TONG Senjie

TU43

A

1008-3707（2016）08-0009-04

2016-05-12

鮑旭明（1994—），男，浙江嵊泗人，本科在讀。