橡膠顆粒——廢鑄砂復合填料導熱系數(shù)實驗研究

帕爾哈提

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院)

1 前言

土體的導熱系數(shù)是每單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過土體單位面積的熱量，單位W/m·c，它是表示物體的導熱能力的重要指標。

由式(1)看出導熱系數(shù)公式的實質(zhì)就是當溫度梯度為1℃/m時，每小時通過1 m2面積土體上的熱量。影響土體導熱系數(shù)的因素很多，主要包括固體顆粒組成、孔隙率、土體密度，溫度，含水量及水飽和度以及土中水的形態(tài)(固液態(tài)之分)等。因此，圍繞這些影響因素進行單因素試驗研究。

2 實驗原理和實驗儀器

2.1 試驗原理

本次試驗基于不穩(wěn)定熱傳導原理，首先利用探頭給待測試樣引進一個熱源，然后通過探針表面和探針附近介質(zhì)的溫度隨時間的變化來計算出導熱系數(shù)以及相關(guān)參數(shù)，可以一次性得到不同狀態(tài)下(凍結(jié)與否)輕質(zhì)填料的導熱系數(shù)、比熱導溫系數(shù)的結(jié)果。

2.2 實驗儀器

本次試驗使用ISOMET便捷式熱特性分析儀對土體的熱參數(shù)進行測試，該儀器采用動態(tài)測量方法，有效縮短了測量導熱系數(shù)的時間，試驗測出來的數(shù)據(jù)通過顯示器可以顯示出來，或者通過RS232串行端口直接下載到電腦中。導熱系數(shù)試樣的尺寸統(tǒng)一采用φ×h=61.8 mm×20 mm，而且要確保試樣表面的光潔度，試樣養(yǎng)護與凍結(jié)過程當中用保鮮膜密封。每個試樣的測試不少于3次，取3個偏差不大的平均值做為測試結(jié)果。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 導熱系數(shù)結(jié)果

本試驗考慮的因素包括橡膠顆粒含量、水泥含量、含水率三個方面，分別測定7 d齡期，未凍結(jié)和28 d齡期，未凍結(jié)和凍結(jié)狀態(tài)下的導熱系數(shù)試驗結(jié)果如表1所示。

3.2 試驗結(jié)果分析

(1)水泥摻入比對導熱系數(shù)的影響

齡期為28 d未凍融條件下，橡膠顆粒摻入比為30%，含水率為25%時，水泥摻入比與導熱系數(shù)之間的關(guān)系呈線性關(guān)系 y=aebx，a=1.372 6，b=-0.028 6，并且可見隨著水泥含量的增加導熱系數(shù)會降低，當水泥摻入比在6% ～8%變化時，導熱系數(shù)在1.155～0.97 W/m·k范圍內(nèi)變動，水泥含量越多越可以將廢鑄砂里面的空隙填充，使得試樣的空隙減少，密度增加，導熱性增加。另一方面，隨著水泥含量的增加，水泥與水的水化反應(yīng)越充分，水化反應(yīng)消耗的水分越多，剩余水分會少，試樣內(nèi)水分的連續(xù)性降低，顆粒之間的水分逐漸被顆粒之間空氣代替，從而阻礙了顆粒之間的熱流傳播，試驗結(jié)果反映出后一種作用相對前一種大的特點。由表1看出隨著齡期的增加導熱系數(shù)變小，凍結(jié)以后的導熱系數(shù)增大。

(2)橡膠顆粒摻入比對導熱系數(shù)的影響

齡期為28 d未凍融條件下，水泥摻入比為12%，含水率為25%時的橡膠顆粒摻入比與導熱系數(shù)之間的關(guān)系呈多項式關(guān)系 y=ax+b，a=-0.0196，b=1.603，當橡膠顆粒摻入比在0～50%間變化時，導熱系數(shù)在1.655～0.603W/m·k范圍之內(nèi)變化，隨著橡膠顆粒的增加，導熱系數(shù)會降低，當橡膠顆粒摻入比在0～30%之間變化時導熱系數(shù)會快速降低，超過30%后降低速度會緩慢。通過觀察7 d，28 d未凍融和28 d凍融1次后的橡膠顆粒摻入比與導熱系數(shù)之間的關(guān)系，無論是齡期的變化或凍融條件的變化，導熱系數(shù)會隨著橡膠顆粒摻入比的增加而下降，出現(xiàn)這種趨勢的原因:①橡膠顆粒的幾何外形是不規(guī)則，有棱角的形狀，膠結(jié)結(jié)構(gòu)與橡膠顆粒周圍會出現(xiàn)很多空洞，這些空洞阻礙熱流的傳播;②隨著橡膠顆粒的增加，橡膠顆粒替代膠結(jié)材料的量越多，橫斷面處橡膠顆粒所占面積百分之比逐漸增大，由于橡膠顆粒的導熱系數(shù)遠遠小于膠結(jié)結(jié)構(gòu)，這種特征直接影響膠結(jié)結(jié)構(gòu)的導熱系數(shù)。

(3)含水率對導熱系數(shù)的影響

齡期為28 d，未凍融條件下，水泥摻入比12%，橡膠顆粒摻入比30%時的含水率與導熱系數(shù)之間的關(guān)系呈多項式關(guān)系 y=a ln(x)+b，a=0.8747，b=-1.896。通過觀察7 d、28 d未凍結(jié)和28 d凍結(jié)后的含水率與導熱系數(shù)之間的關(guān)系，很明顯，填料導熱系數(shù)隨著含水率的增加而增加，因為當含水率比較低時，水分首先在顆粒表面形成一層水化膜，使顆粒間形成點接觸，繼續(xù)增加含水量顆粒之間形成的水化膜厚度增大，顆粒之間形成面接觸，水分增加了顆粒之間的聯(lián)系，熱導率會繼續(xù)增大，當含水率達到一定的程度以后，顆粒之間接觸會很充分，繼續(xù)增加水分，顆粒之間形成的有效接觸面的增加不會很明顯，從而導熱系數(shù)的增加也不會很明顯，所以含水率15% ～25%時導熱系數(shù)的變化明顯，大于含水率25% ～30%范圍內(nèi)的變化，而且由表1可見，在相同的含水率量情況下凍結(jié)了以后填料的導熱系數(shù)比未凍結(jié)的大，因為填料放進去凍的過程當中，填料里面的水逐漸變成冰，因為冰的導熱系數(shù)是水的4倍，所以凍結(jié)填料導熱系數(shù)會大于未凍填料的導熱系數(shù)。

表1 試樣的導熱系數(shù)數(shù)據(jù)

續(xù)表1

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