粒徑對(duì)含濕砂導(dǎo)熱系數(shù)影響研究

劉曉萌　段磊　王周鋒　徐丹丹　楊奇越

摘 要：使用Hot Disk熱參數(shù)儀，通過研究含水介質(zhì)的粒徑對(duì)熱參數(shù)的影響發(fā)現(xiàn)，組成成分相同的介質(zhì)，隨著粒徑的增加，熱導(dǎo)率逐漸降低。通過對(duì)3種粒徑的砂樣實(shí)測(cè)值進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)兩端擬合情況比較好，中間非飽和段有偏差。

關(guān)鍵詞：熱導(dǎo)率；粒徑；含水率；熱參數(shù)

中圖分類號(hào)：TB302 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.081

在諸多研究領(lǐng)域和工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，巖土的熱特性是要考慮的影響因素之一，比如，研究上地幔熱結(jié)構(gòu)、地球深部熱狀態(tài)的主要參數(shù)，設(shè)計(jì)地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，巖石熔融處置核廢料。準(zhǔn)確、可靠地測(cè)定介質(zhì)的熱參數(shù)尤為重要，特別是處于非飽和狀態(tài)下的含濕介質(zhì)，因?yàn)槠鋬?nèi)部水分的運(yùn)移和結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，使其成為了研究、關(guān)注的熱點(diǎn)。

在目前的研究中，人們發(fā)現(xiàn)含水率、孔隙度、實(shí)驗(yàn)溫度等不同，介質(zhì)的熱參數(shù)也會(huì)受到不同程度的影響。Milo Jerman、Robert Cerny的研究表明，熱導(dǎo)率與含水率之間存在函數(shù)關(guān)系；Gyu-Hyun Go等人針對(duì)非飽和風(fēng)化花崗巖地區(qū)熱導(dǎo)率建立了可靠的分析模型；Arash Behrang等人通過測(cè)試得出飽和度對(duì)于砂樣有效熱導(dǎo)率影響顯著；A.Abdou，I.Budaiwi等人的研究表明，測(cè)試溫度和含水率都會(huì)對(duì)熱導(dǎo)率的測(cè)定產(chǎn)生影響。

這些研究大多是從各種因素變化的角度上來考慮介質(zhì)的熱特性變化。在此過程中也發(fā)現(xiàn)，對(duì)于化學(xué)成分相同但粒徑不同的沙子的熱參數(shù)研究甚少，同時(shí)，在測(cè)定含濕介質(zhì)時(shí)，對(duì)其含水率的控制方法不盡相同，試樣的靜置使得水分下移，從而導(dǎo)致表面測(cè)量處的含水率下降，引發(fā)測(cè)量誤差。本文通過一系列的合理實(shí)驗(yàn)，在保持砂子成分、實(shí)驗(yàn)溫度等條件不變的情況下，研究了砂子的熱導(dǎo)率與含水率之間的變化規(guī)律，以及砂子粒徑對(duì)其熱導(dǎo)率變化的影響。本文利用實(shí)驗(yàn)室的Hot Disk熱常數(shù)分析儀，測(cè)定了砂樣從干燥到飽和情況下的熱導(dǎo)率，同時(shí)，就粒徑對(duì)熱導(dǎo)率的影響進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)的基本情況

本次試驗(yàn)使用的Hot Disk熱常數(shù)分析儀探頭型號(hào)為5465型，測(cè)量半徑為3.189 mm，探頭處使用鎳金屬雙螺旋結(jié)構(gòu)，并且加以Kapton絕緣膜保護(hù)。測(cè)量時(shí)，假定被測(cè)介質(zhì)為無限大的均質(zhì)介質(zhì)，需將探頭與試樣兩側(cè)緊密接觸。另外，在探頭雙螺旋處布置2個(gè)加熱熱源點(diǎn)和2個(gè)熱溫度接收點(diǎn)，探頭既是熱源又是熱信號(hào)采集器。

1.2 試驗(yàn)原理

針對(duì)之前研究中的不足，文中對(duì)單因素——介質(zhì)粒徑對(duì)熱導(dǎo)率的影響進(jìn)行了研究。試驗(yàn)選取相同質(zhì)地的砂子，經(jīng)篩選分為粉砂、細(xì)砂和中砂3種。由光譜分析可知，3種不同粒徑的砂樣構(gòu)成成分相同，可確定為同種砂樣。至此，用烘干的砂子在室溫中配制不同含水率的砂樣，混合均勻后用保鮮膜包好，防止水分蒸發(fā)。經(jīng)過對(duì)3種沙樣做干燥到飽和的一系列試驗(yàn)，可以得出粒徑和含水率對(duì)熱導(dǎo)率的影響。

1.3 試驗(yàn)材料

此次試驗(yàn)選取某河沙，測(cè)得其干容重為1.54 g/cm3，經(jīng)過篩選，將其按粒徑分為3類，即粉砂、細(xì)砂和中砂。

2 試驗(yàn)過程

已知試驗(yàn)介質(zhì)組成成分相同，比例相近，所以，改變介質(zhì)的含水率即可得到不同含水率時(shí)熱導(dǎo)率的值。對(duì)比3種粒徑砂子在同一含水率時(shí)的熱導(dǎo)率值，即可分析出粒徑與熱導(dǎo)率的關(guān)系。具體樣品的測(cè)試過程如下：①用酒精擦拭儀器探頭正反面，確保其干凈；②根據(jù)測(cè)試要求，每次測(cè)試用環(huán)刀直接壓制砂樣，取6個(gè)樣品，環(huán)刀體積約為50 cm3；③將探頭夾在2個(gè)樣品之間，確保探頭平整，接觸嚴(yán)密，壓緊后蓋上保護(hù)罩，等待15 min，使探頭和樣品充分接觸；④測(cè)試該粒徑的試樣在該含水率下的熱導(dǎo)率；⑤重復(fù)①②③④步，直至獲得3種砂樣在不同含水率下的熱導(dǎo)率值。

3 結(jié)果與討論

經(jīng)過試驗(yàn)，得到了同種介質(zhì)3種不同粒徑砂樣從干燥到飽和的過程，不同含水率所對(duì)應(yīng)的熱導(dǎo)率值。砂樣熱參數(shù)實(shí)測(cè)值及擬合曲線如圖1所示。

從圖1中可以看出，雖然粒徑不同，但是，隨著含水率的升高，熱導(dǎo)率的變化趨勢(shì)都是一樣的，均呈上升狀態(tài)。

縱向比較3條曲線發(fā)現(xiàn)，3種砂樣的變化規(guī)律一致——隨著粒徑的增加，熱導(dǎo)率的變化幅度變小，對(duì)應(yīng)的擬合曲線斜率變小。被測(cè)砂樣可視為固-液-氣三相的混合體，顆粒之間的熱通過水膜傳導(dǎo)，水膜的牽引力減小了顆粒之間的距離，使得導(dǎo)熱能力提升。

擬合曲線兩端擬合比較好，中間部分出現(xiàn)偏差，這是因?yàn)樵诟稍餇顟B(tài)下，受到毛管吸附力等作用，飽和時(shí)，會(huì)從上半部分滲水補(bǔ)充到探頭附近，這與測(cè)試手段有關(guān)。使用Hot disk時(shí)，要求與被測(cè)試樣接觸，并穩(wěn)定5 min。但是，非飽和砂樣在靜止?fàn)顟B(tài)下，水分會(huì)迅速下移，導(dǎo)致測(cè)試部位的含水率發(fā)生變化，不夠準(zhǔn)確。特別是探頭位于試樣中間位置，水分下移，使得實(shí)測(cè)時(shí)含水率發(fā)生變化。鑒于這種情況，最后的解決辦法是在室溫下直接測(cè)試，排除溫度干擾，以減小溫度對(duì)水分變化的影響。

4 結(jié)論

通過制備同一組成成分、不同粒徑、不同含水率的砂子，測(cè)試其熱導(dǎo)率進(jìn)，可以得出以下結(jié)論：①對(duì)于同一組成成分的砂子而言，粒徑對(duì)熱導(dǎo)率的影響顯著——隨著粒徑的增加，熱導(dǎo)率變化減緩。②在低含水率期間，測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)偏差，這主要與儀器的測(cè)試原理有關(guān)，不能瞬時(shí)測(cè)量，所以，可通過調(diào)整測(cè)試方法得到準(zhǔn)確的熱導(dǎo)率值。

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作者簡(jiǎn)介：劉曉萌（1991—），男，研究生，水文學(xué)及水資源專業(yè)，主要研究河流地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系。

〔編輯：白潔〕