穩(wěn)態(tài)平板熱流計(jì)法巖土導(dǎo)熱系數(shù)的室內(nèi)測定

秦應(yīng)潔，周學(xué)軍，馮 梅，張 利

(武漢地質(zhì)工程勘察院巖土測試所，湖北武漢 430051)

0 引言

導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1 m厚的材料，兩側(cè)表面溫差為1度(K，℃)，在一秒內(nèi)，通過一平方米面積傳遞的熱量。目前國內(nèi)獲取導(dǎo)熱系數(shù)的方法有穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法兩種。在穩(wěn)態(tài)法中，先利用熱源對(duì)巖土物質(zhì)加熱，其內(nèi)部溫差使熱量從高溫向低溫處傳導(dǎo);巖土內(nèi)部各點(diǎn)的溫度將隨著加熱快慢和傳遞快慢的影響而變動(dòng)，適當(dāng)人為控制試驗(yàn)條件和試驗(yàn)參數(shù)使加熱和傳熱的過程達(dá)到平衡狀態(tài)，待測試件內(nèi)部可能形成穩(wěn)定的溫度分布，根據(jù)這個(gè)溫度分布，即可計(jì)算得到該試件的導(dǎo)熱系數(shù)。

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(huán)刀切取試樣，邊切邊修去環(huán)刀邊上的余土，以利于推進(jìn)環(huán)刀，修平試樣兩端，取原狀余土填補(bǔ)環(huán)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(jìn)行平行試驗(yàn))，稱取該試樣土+環(huán)重(準(zhǔn)確至0．1 g)，分別計(jì)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(jìn)行平行測定。巖石試件選取Φ180 mm圓柱形試樣，用巖石切割機(jī)切取該直徑、高30～40 mm樣品，以巖石打磨機(jī)磨平試樣兩端，稱取試件質(zhì)量，用游標(biāo)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(shù)平均值，計(jì)算其密度值。同理取余樣測定該試驗(yàn)巖石的含水率。

2 試驗(yàn)

2．1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

接通平板導(dǎo)熱系數(shù)測試儀電源。連接數(shù)據(jù)采集線至電腦指定端口，開啟電腦程序，測試檢查數(shù)據(jù)通信是否正常。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件，在溫度設(shè)定欄輸入表1中Ⅰ組或Ⅱ組冷熱板溫度值。

表1 溫度設(shè)定表Table 1 Table oftemperature setting

2．2 試驗(yàn)過程

將兩面涂抹好導(dǎo)熱脂的試樣放置于測試臺(tái)上，安放熱流傳感器于試樣上表面，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)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(guān)和加熱開關(guān)。啟動(dòng)升溫、開始試驗(yàn)［2］。電腦開始間隔性進(jìn)行測試數(shù)據(jù)的監(jiān)測，當(dāng)熱流傳感器在設(shè)定的熱流穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)(一般設(shè)定該時(shí)間為300 s)檢測到穩(wěn)定的熱流時(shí)，系統(tǒng)分三次進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，并根據(jù)下式(1)分別計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)值，取其算術(shù)平均值為最終結(jié)果。

3 試驗(yàn)要點(diǎn)

(1)為確保平板導(dǎo)熱系數(shù)儀檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須進(jìn)行儀器的參數(shù)標(biāo)定。標(biāo)定的參數(shù)包括標(biāo)準(zhǔn)參比板修正系數(shù)和溫度修正值。其中標(biāo)準(zhǔn)參比板修正系數(shù)使用石英標(biāo)準(zhǔn)參比板(Φ90 mm，L=30 mm)來完成，一般要求每2－3個(gè)月進(jìn)行一次參比板修正系數(shù)的標(biāo)定。溫度修正值通過有修正資質(zhì)的計(jì)量單位對(duì)各組試驗(yàn)溫度差進(jìn)行標(biāo)定。

(2)儀器在首次使用前、維修后、檢測過程中發(fā)現(xiàn)異常情況或比對(duì)檢測結(jié)果誤差較大時(shí)，都應(yīng)立即進(jìn)行標(biāo)定。經(jīng)重復(fù)性試驗(yàn)合格后才能進(jìn)行使用。

(3)試樣安裝至工作臺(tái)后，須在試件周圍包裹石棉材質(zhì)對(duì)試樣做保溫隔熱防護(hù)，防止試驗(yàn)過程中向周圍環(huán)境傳熱;石棉材質(zhì)不得與冷板面接觸，避免形成新的傳熱體，影響試驗(yàn)結(jié)果。

(4)對(duì)于較硬質(zhì)巖、土必須在試樣兩端涂抹導(dǎo)熱脂以利于傳熱;巖石試樣經(jīng)打磨后兩面平面度應(yīng)優(yōu)于0．025，便于試件的接觸面緊密結(jié)合［3］，有效完成熱量傳遞。

(5)鑒于金屬材料的強(qiáng)導(dǎo)熱性，筆者選取PVC材質(zhì)環(huán)刀制備土試件;同時(shí)在試件制備時(shí)須仔細(xì)認(rèn)真地完成，避免因土的剛性擠壓造成環(huán)刀變形。

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

4 成果計(jì)算

多孔介質(zhì)內(nèi)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(shí)的導(dǎo)熱過程;②流體(液體、氣體或兩者均有)的導(dǎo)熱和對(duì)流換熱過程;③流體與固體顆粒之間的對(duì)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(shí)間傳導(dǎo)的熱量(導(dǎo)熱速率)與溫度梯度和傳熱面積成正比。即:

式中:Q為導(dǎo)熱速率J/S=W;S為導(dǎo)熱面積，m2;?t/?n為溫度梯度;負(fù)號(hào)為表示傳熱和溫度梯度反向;λ為比例系數(shù)，又稱為導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K。

則導(dǎo)熱系數(shù):

結(jié)合本儀器實(shí)測參數(shù):試樣厚度、冷熱面溫度、熱流計(jì)電壓值、試樣熱阻等按下式計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)值:

熱阻:R=d÷λ

式中:λ為導(dǎo)熱系數(shù)［W/(m·K)］;R為熱阻(k·m2/W);f為熱流傳感器的標(biāo)定系數(shù)(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(qū)部分含水率、密度值比較接近的粉砂、粉質(zhì)黏土、黏土、淤泥質(zhì)黏土進(jìn)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(biāo)較為接近，以利于成果的比較。

5．2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)各試樣的土工試驗(yàn)物理參數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行抽取、分類(表2－表5)。

表2 飽和粉砂的測試結(jié)果Table 2 Test results of saturated silt

表3 粉質(zhì)黏土的測試結(jié)果Table 3 Test results of silt clay

表4 黏土的測試結(jié)果Table 4 Test results of clay

表5 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的測試結(jié)果Table 5 Test results of mucky silty clay

6 結(jié)語

穩(wěn)態(tài)法是經(jīng)典的中低溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)測定方法。比較表2－表5陳列的數(shù)據(jù)結(jié)果，與國內(nèi)同行業(yè)單位完成的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和有關(guān)淺層地溫能規(guī)程規(guī)范提供的范圍數(shù)據(jù)［5－8］較為接近。因此用該試驗(yàn)方法取得的成果數(shù)據(jù)，完全能夠滿足巖土熱物性評(píng)價(jià)、區(qū)域淺層地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià)和地源熱泵工程淺層地?zé)崮艿目辈樵u(píng)價(jià)要求。在實(shí)際試驗(yàn)中，同時(shí)也暴露出該方法測試周期長，對(duì)試驗(yàn)環(huán)境要求較高，不利于批量試件的檢測等缺點(diǎn)。但其操作簡單、精確度高、試驗(yàn)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，依然得到非常廣泛的應(yīng)用。

致謝:本文得到本院教授級(jí)高級(jí)工程師劉紅衛(wèi)指導(dǎo)，及工程師柯立、朱志明的大力幫助，一并致謝。參考文獻(xiàn):

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［2］ DRPL－2型(巖土)導(dǎo)熱系數(shù)測定儀平板熱流計(jì)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(dǎo)熱系數(shù)測試儀校準(zhǔn)方法研究［J/OL］．現(xiàn)代計(jì)量通訊，2007(2)［2011－12 －04］．http://www.cnki.net．

［4］ 劉偉，范愛武，等．多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論與應(yīng)用［M］．北京:科學(xué)出版社，2006．

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［6］ 李慧芝，等．室內(nèi)巖土熱物理指標(biāo)的試驗(yàn)方法及試驗(yàn)要點(diǎn)的探討［J］．鐵道勘察，2013(1)．

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

［8］ DZ/T 0225—2009，淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范［S］．