穩態平板熱流計法巖土導熱系數的室內測定

秦應潔，周學軍，馮 梅，張 利

(武漢地質工程勘察院巖土測試所，湖北武漢 430051)

0 引言

導熱系數是指在穩定傳熱條件下，1 m厚的材料，兩側表面溫差為1度(K，℃)，在一秒內，通過一平方米面積傳遞的熱量。目前國內獲取導熱系數的方法有穩態法和瞬態法兩種。在穩態法中，先利用熱源對巖土物質加熱，其內部溫差使熱量從高溫向低溫處傳導;巖土內部各點的溫度將隨著加熱快慢和傳遞快慢的影響而變動，適當人為控制試驗條件和試驗參數使加熱和傳熱的過程達到平衡狀態，待測試件內部可能形成穩定的溫度分布，根據這個溫度分布，即可計算得到該試件的導熱系數。

1 樣品制備

選取直徑 ＞110 mm圓柱形原狀土試樣，以Φ104．7 mm、高30 mm的PVC環刀切取試樣，邊切邊修去環刀邊上的余土，以利于推進環刀，修平試樣兩端，取原狀余土填補環刀表面的不平之處，刮平試樣兩面［1］(用該同一試樣制備3～5組進行平行試驗)，稱取該試樣土+環重(準確至0．1 g)，分別計算其天然容重，且平行容重誤差≤5%;取試樣兩面余土測定其天然含水率，進行平行測定。巖石試件選取Φ180 mm圓柱形試樣，用巖石切割機切取該直徑、高30～40 mm樣品，以巖石打磨機磨平試樣兩端，稱取試件質量，用游標卡尺分別從不同部位分三次量測試樣的直徑和厚度，精確至0．1 mm，取算術平均值，計算其密度值。同理取余樣測定該試驗巖石的含水率。

2 試驗

2．1 試驗準備

接通平板導熱系數測試儀電源。連接數據采集線至電腦指定端口，開啟電腦程序，測試檢查數據通信是否正常。根據現場環境條件，在溫度設定欄輸入表1中Ⅰ組或Ⅱ組冷熱板溫度值。

表1 溫度設定表Table 1 Table oftemperature setting

2．2 試驗過程

將兩面涂抹好導熱脂的試樣放置于測試臺上，安放熱流傳感器于試樣上表面，旋轉轉輪使上壓板(冷板)壓緊試樣，且熱流傳感器與試樣緊密接觸，接通冷卻水，打開電源開關和加熱開關。啟動升溫、開始試驗［2］。電腦開始間隔性進行測試數據的監測，當熱流傳感器在設定的熱流穩定時間內(一般設定該時間為300 s)檢測到穩定的熱流時，系統分三次進行試驗數據的采集，并根據下式(1)分別計算出導熱系數值，取其算術平均值為最終結果。

3 試驗要點

(1)為確保平板導熱系數儀檢測結果的準確性，必須進行儀器的參數標定。標定的參數包括標準參比板修正系數和溫度修正值。其中標準參比板修正系數使用石英標準參比板(Φ90 mm，L=30 mm)來完成，一般要求每2－3個月進行一次參比板修正系數的標定。溫度修正值通過有修正資質的計量單位對各組試驗溫度差進行標定。

(2)儀器在首次使用前、維修后、檢測過程中發現異常情況或比對檢測結果誤差較大時，都應立即進行標定。經重復性試驗合格后才能進行使用。

(3)試樣安裝至工作臺后，須在試件周圍包裹石棉材質對試樣做保溫隔熱防護，防止試驗過程中向周圍環境傳熱;石棉材質不得與冷板面接觸，避免形成新的傳熱體，影響試驗結果。

(4)對于較硬質巖、土必須在試樣兩端涂抹導熱脂以利于傳熱;巖石試樣經打磨后兩面平面度應優于0．025，便于試件的接觸面緊密結合［3］，有效完成熱量傳遞。

(5)鑒于金屬材料的強導熱性，筆者選取PVC材質環刀制備土試件;同時在試件制備時須仔細認真地完成，避免因土的剛性擠壓造成環刀變形。

(6)完成一個試件的測試后應拆卸試樣，關閉儀器電源，等待冷熱板溫度恢復到與環境平衡或至少4 h后，再行開始下一個試件的測試，使得每個平行測試的試件保持在相同的測試條件下完成。

4 成果計算

多孔介質內的傳熱過程主要包括:①固體骨架與固體顆粒之間存在或不存在接觸熱阻時的導熱過程;②流體(液體、氣體或兩者均有)的導熱和對流換熱過程;③流體與固體顆粒之間的對流換熱過程;④固體顆粒之間、固體顆粒與空隙中氣體之間的輻射過程［4］。

由傅立葉定律，單位時間傳導的熱量(導熱速率)與溫度梯度和傳熱面積成正比。即:

式中:Q為導熱速率J/S=W;S為導熱面積，m2;?t/?n為溫度梯度;負號為表示傳熱和溫度梯度反向;λ為比例系數，又稱為導熱系數，W/m·K。

則導熱系數:

結合本儀器實測參數:試樣厚度、冷熱面溫度、熱流計電壓值、試樣熱阻等按下式計算導熱系數值:

熱阻:R=d÷λ

式中:λ為導熱系數［W/(m·K)］;R為熱阻(k·m2/W);f為熱流傳感器的標定系數(W/m2·mV);e為熱流傳感器的輸出值(mV);d為試樣厚度(m);t1為熱面溫度(℃);t2為冷面溫度(℃)。

5 示例

5．1 試件的選取

分別選取武漢地區部分含水率、密度值比較接近的粉砂、粉質黏土、黏土、淤泥質黏土進行了測試。粉砂樣采取人工含水率配比飽和，使其各土工物性指標較為接近，以利于成果的比較。

5．2 試驗結果

對各試樣的土工試驗物理參數及導熱系數進行抽取、分類(表2－表5)。

表2 飽和粉砂的測試結果Table 2 Test results of saturated silt

表3 粉質黏土的測試結果Table 3 Test results of silt clay

表4 黏土的測試結果Table 4 Test results of clay

表5 淤泥質粉質黏土的測試結果Table 5 Test results of mucky silty clay

6 結語

穩態法是經典的中低溫材料的導熱系數測定方法。比較表2－表5陳列的數據結果，與國內同行業單位完成的經驗數據和有關淺層地溫能規程規范提供的范圍數據［5－8］較為接近。因此用該試驗方法取得的成果數據，完全能夠滿足巖土熱物性評價、區域淺層地熱能調查評價和地源熱泵工程淺層地熱能的勘查評價要求。在實際試驗中，同時也暴露出該方法測試周期長，對試驗環境要求較高，不利于批量試件的檢測等缺點。但其操作簡單、精確度高、試驗成本低廉等優點，依然得到非常廣泛的應用。

致謝:本文得到本院教授級高級工程師劉紅衛指導，及工程師柯立、朱志明的大力幫助，一并致謝。參考文獻:

［1］ GB_T50123—1999，土工試驗方法標準［S］．

［2］ DRPL－2型(巖土)導熱系數測定儀平板熱流計法說明書［M］．湘潭:湖南省湘潭市湘儀儀器有限公司，2011．

［3］ 陳如冰，吳向東．導熱系數測試儀校準方法研究［J/OL］．現代計量通訊，2007(2)［2011－12 －04］．http://www.cnki.net．

［4］ 劉偉，范愛武，等．多孔介質傳熱傳質理論與應用［M］．北京:科學出版社，2006．

［5］ 喬恒君．土體導熱系數測試及分析［J］．中國水運:下半月刊，2010(10)．

［6］ 李慧芝，等．室內巖土熱物理指標的試驗方法及試驗要點的探討［J］．鐵道勘察，2013(1)．

［7］ 朱帆濟，代昂，陳禮兵．武漢地區飽和黏性土熱物理性質試驗研究［J］．市政技術，2011(5)．

［8］ DZ/T 0225—2009，淺層地熱能勘查評價規范［S］．