用DSC法探究含水率對(duì)凍土比熱容的影響

錢坤

摘 ?要：文章首先介紹了DSC差示掃描量熱法，并且利用DSC法測(cè)量?jī)鐾恋谋葻崛?。取凍土礦物顆粒進(jìn)行試驗(yàn)，將所得結(jié)果與既有文獻(xiàn)結(jié)果[1]進(jìn)行比較，結(jié)果表明利用DSC法測(cè)量?jī)鐾帘葻崾强尚械?。然后取粘土配制相同干密度，不同含水率試樣進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，含水率較高（>6%）的凍土樣在融化這一相變區(qū)間過程中，比熱容會(huì)出現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，直至到達(dá)一個(gè)峰值，在相變過程完成后，比熱容恢復(fù)到正常狀態(tài)。進(jìn)一步分析，在干密度一定的情況，凍土比熱容隨含水率的增大而增大。

關(guān)鍵詞：凍土;差示掃描熱量?jī)x（DSC）;比熱容;含水率

中圖分類號(hào)：TU445 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）15-0049-02

Abstract： In this paper， DSC （Differential Scanning Calorimeter）is introduced， and the specific heat capacity of permafrost is measured by DSC. The experimental results were compared with the results of the existing literature. The results show that it is feasible to measure the specific heat of permafrost by DSC. And then take the same dry density of clay preparation， different water content of the sample test. The results show that the specific heat capacity of the frozen soil samples with high water content （>6%） will show a significant upward trend during the phase transition， until a peak is reached. After the phase change process is completed， the specific heat capacity is restored to normal status. Further analysis， in the dry density of a certain situation， permafrost specific heat capacity increases with the increase in water content.

Keywords： frozen soil; differential scanning calorimeter （DSC）; specific heat capacity; water content

1 概述

凍土是寒區(qū)多年凍土和季節(jié)性凍土的總稱，隨著全球氣候變暖，北方高緯度地區(qū)凍土存在逐漸融化的趨勢(shì)，因此研究?jī)鐾恋谋葻釀?shì)在必行。比熱是凍土的主要熱學(xué)參數(shù)，指1g質(zhì)量的土在溫度改變1℃所需要的熱量，單位是（J/g·℃）[2]。由于凍土是礦物顆粒、冰、未凍水和氣體的復(fù)合多項(xiàng)體，對(duì)于這一復(fù)合多項(xiàng)體比熱的測(cè)定，傳統(tǒng)量熱法是對(duì)各個(gè)組成分別作出測(cè)定，冰的比熱直接用試樣的起始溫度ts的一半查表取值，未凍水（處于束縛狀態(tài)）的比熱一般可取定值，氣體的比熱小，且在土中的含量少，一般均忽略不計(jì)。因此，比熱的試驗(yàn)常只對(duì)礦物顆粒進(jìn)行，稱為干土比熱。傳統(tǒng)量熱法需要樣品量大，不可避免的存在熱量損失，且凍土融化或凍結(jié)相變過程中的熱量變化不僅受比熱容的影響，而且還包括潛熱和因融化或凍結(jié)引起的稀釋熱，因此傳統(tǒng)量熱法對(duì)這一相變區(qū)間的研究不是非常詳細(xì)[3]。

國際熱分析協(xié)會(huì)（ICTA）和國際熱分析和量熱學(xué)協(xié)會(huì)（ICTAC）對(duì)熱分析定義為：在程序控制溫度下，測(cè)量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度關(guān)系的一種技術(shù)，測(cè)量溫度和熱量之間的關(guān)系，及差示掃描量熱法（DSC）。差示掃描量熱法是指在程序控溫下，測(cè)量輸入到被測(cè)樣品和參比物的能量差與溫度（或時(shí)間）關(guān)系的技術(shù)。作者采用差示掃描量熱法（DSC）首先測(cè)量了凍土骨架的比熱，并且把結(jié)果與既有文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行比較，得出利用DSC法測(cè)量?jī)鐾恋谋葻崾强尚械?。然后，又利用這種方法研究含水率對(duì)凍土比熱容的影響，尤其是觀察相變區(qū)間比熱容的變化情況。

2 試驗(yàn)設(shè)備、材料與方法

2.1 DSC8000差示掃描熱量?jī)x

對(duì)于不同類型的DSC，“差示”一詞有不同的含義，對(duì)于功率補(bǔ)償型，指的是功率差;對(duì)于熱量型，指的是溫度差;掃描是指程序溫度升降。熱差示掃描熱量?jī)x（Differential Scanning Calorimeter，DSC）可分為熱流型和功率補(bǔ)償型兩種基本類型。本次實(shí)驗(yàn)采用差示掃描量熱儀是DSC8000差示掃描熱量?jī)x（美國），DSC8000所特有的雙爐體技術(shù)，采用功率補(bǔ)償型原理，直接測(cè)量?jī)蓚€(gè)獨(dú)立爐體之間的熱流，在整個(gè)溫度量程范圍內(nèi)都可測(cè)得最精確的能量數(shù)據(jù)，能夠滿足試驗(yàn)方面的高級(jí)要求。

2.2 烘箱

為了得到含水率極低（<1%）的礦物顆粒，試驗(yàn)采用烘箱。

2.3 試驗(yàn)材料

采用北方高緯度地區(qū)的粘土（最優(yōu)含水率13.4%，最大干密度1.89g/cm3），將其放入烘箱內(nèi)以105℃烘烤12小時(shí)，取出一部分作為礦物顆粒使用，剩余的土用于制備不同含水率（5.58%、17.21%、27.29%、33.57%）的土樣，并通過擊實(shí)次數(shù)來控制用于試驗(yàn)土樣的壓實(shí)度一致[4]。

2.4 試驗(yàn)方法

三線法通常用于精確的比熱測(cè)量和理論分析，誤差通?？煽刂圃?.1%以內(nèi)。但要注意，利用三線法時(shí)，只有熱流平穩(wěn)段的數(shù)據(jù)是有效數(shù)據(jù)，兩端靠近等溫程序的非穩(wěn)定區(qū)的熱流數(shù)據(jù)不能用于比熱計(jì)算。為了確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，每一個(gè)樣品做三個(gè)平行樣。由于在降溫凍結(jié)過程中受到冷卻環(huán)境的限制，這會(huì)給相變區(qū)的比熱數(shù)據(jù)帶來一定的誤差，因此，比熱數(shù)據(jù)都是用升溫過程的數(shù)據(jù)求得。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 凍土礦物顆粒比熱試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

本次試驗(yàn)采用的是粘土樣，圖1所示為凍土礦物顆粒在-20℃～10℃溫度區(qū)間的比熱，從圖中可以明顯的看出，由于礦物顆粒當(dāng)中含水率趨近于零，比熱在相變溫區(qū)的比熱還是呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，凍土礦物顆粒比熱的平均數(shù)為0.762，查閱既有文獻(xiàn)，粘土樣的凍土骨架的算術(shù)平均數(shù)是0.762，因此利用DSC法測(cè)量?jī)鐾凉羌艿谋葻崾强尚械摹?/p>

3.2 含水率對(duì)凍土比熱容的影響

為了探討凍土這一復(fù)合多項(xiàng)體的比熱隨其含水率的變化，取粘土配制相同干密度不同含水率的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，利用三線法所求凍土的比熱如表1所示（每種含水率的土樣都有三組平行試驗(yàn)，表中數(shù)據(jù)均是每種含水率下的平均值）。

從試驗(yàn)的結(jié)果來看，含水率較高（>6%）的凍土樣在融化這一相變區(qū)間過程中，比熱容會(huì)出現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，直至到達(dá)一個(gè)峰值（如圖2所示），在相變過程完成后，比熱容恢復(fù)到正常狀態(tài)。另外，在干密度一定的情況，凍土比熱容隨含水率的增大而增大。

4 結(jié)束語

利用差示熱量掃描儀（DSC）法研究?jī)鐾恋谋葻崛?，取部分粘土進(jìn)行烘干，進(jìn)行礦物顆粒比熱容的測(cè)定;另外一部分配制干密度相同但含水率不同的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得凍土的比熱容。實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示：含水率較高（>6%）的凍土樣在融化這一相變區(qū)間過程中，比熱容會(huì)出現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，直至到達(dá)一個(gè)峰值，在相變過程完成后，比熱容恢復(fù)到正常狀態(tài)。另外，在干密度一定的情況，凍土比熱容隨含水率的增大而增大。

因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)充分考慮含水率的變化，動(dòng)態(tài)地選取熱參數(shù)進(jìn)行計(jì)算（尤其是在相變區(qū)間比熱容突變的一段過程內(nèi)）。當(dāng)然，利用DSC法測(cè)量?jī)鐾帘葻崛?，還存在制樣困難等一些問題，尚需進(jìn)一步探索修正。

參考文獻(xiàn)：

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