不同溫度環(huán)境下珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)試驗

楊二靜, 曾召田, 車東澤, 潘 斌, 付慧麗

(1.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室, 廣西 桂林 541004; 2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 開封 475004)

0 引 言

近年來, 隨著我國南海島礁建設(shè)的大力發(fā)展, 珊瑚鈣質(zhì)砂由于運輸成本低、 來源廣泛、 易于就地取材等優(yōu)點, 被作為一種常見的建筑材料廣泛應(yīng)用于各類軍事、 民用工程建設(shè)中。國內(nèi)外學(xué)者針對珊瑚鈣質(zhì)砂的工程地質(zhì)特征[1-3]、 顆粒破碎特性[4-6]、 物理力學(xué)性能[7-10]等方面進行了大量研究, 取得了豐富的研究成果。譬如, 孫宗勛[2]對南沙群島珊瑚砂的工程性質(zhì)進行了全面研究; 袁征等[3]總結(jié)了珊瑚礁巖土工程地質(zhì)特性的研究現(xiàn)狀, 指出了下一步的研究重點; Shahnazari等[4]、 呂亞茹等[5]、 張家銘等[6]分別研究了鈣質(zhì)砂顆粒的易破碎性及對其工程性狀的影響; 劉崇權(quán)等[7]總結(jié)了鈣質(zhì)砂的力學(xué)性質(zhì)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢; 王麗等[8]研究了鈣質(zhì)砂的膠結(jié)性對力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律; 劉漢龍等[9]和鄭俊杰等[10]分別研究了MICP膠結(jié)鈣質(zhì)砂的動力特性、 強度特性等。 但是上述文獻的研究重點均是針對珊瑚鈣質(zhì)砂的物理力學(xué)特性, 從強度、 變形等角度評價其作為建筑材料的使用安全性, 對于珊瑚鈣質(zhì)砂這類材料的導(dǎo)熱性能方面卻鮮見報道。盡管付慧麗等[11]基于熱針法測得了不同條件下南海鈣質(zhì)砂的熱傳導(dǎo)性能, 分別探討了含水率、 干密度、 溫度、 顆粒粒徑等多個因素對鈣質(zhì)砂熱導(dǎo)率的影響, 但未考慮到不同溫度環(huán)境下珊瑚鈣質(zhì)砂的熱導(dǎo)率變化問題。

作為海島工程的常用建筑材料, 珊瑚鈣質(zhì)砂在不同溫度環(huán)境下的熱傳導(dǎo)特性變化是一個值得關(guān)注的問題。珊瑚礁鈣質(zhì)砂地基已面臨或即將面臨眾多高溫環(huán)境問題[12], 例如我國海洋經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)——海洋油氣資源開采, 2018年2月27日中新社報道: 鋪設(shè)于珊瑚礁鈣質(zhì)砂沉積海床上的南海東方13-2氣田海域195 km的海底油氣管線竣工, 海底油氣的初始溫度達到了80 ℃以上, 并在運輸過程中通過管壁向周圍土體傳遞熱量, 其運行狀況直接關(guān)系到海上油氣田的安全。此外, 隨著珊瑚礁鈣質(zhì)砂的開發(fā)利用日益增多, 譬如能源樁、 供氣供熱管道、 埋地輸電線纜、 地鐵公路隧道、 熱活性路堤、 高放廢物處置等工程[13]都需要掌握和了解不同環(huán)境溫度下珊瑚礁鈣質(zhì)砂工程力學(xué)性能的變化規(guī)律及其引起的災(zāi)害效應(yīng)。在上述工程實踐中, 珊瑚鈣質(zhì)砂熱傳導(dǎo)性能影響著周圍土體的傳熱過程, 是分析地層中能量平衡、 熱濕遷移規(guī)律和土壤溫度分布特征等的一個關(guān)鍵因素[14], 在各項工程設(shè)計和研究諸多環(huán)節(jié)中具有不可或缺的地位。

實際上, 環(huán)境溫度場對珊瑚鈣質(zhì)砂熱導(dǎo)率的變化主要有兩方面的影響: 一方面, 不同環(huán)境溫度直接影響著鈣質(zhì)砂的熱導(dǎo)率變化, 表現(xiàn)為溫度-熱導(dǎo)率的變化關(guān)系; 另一方面, 環(huán)境溫度場的變化引起鈣質(zhì)砂地基中水分遷移發(fā)生含水率的變化, 進而影響到鈣質(zhì)砂熱導(dǎo)率的變化, 表現(xiàn)為含水率-熱導(dǎo)率的變化關(guān)系, 這是環(huán)境溫度對鈣質(zhì)砂熱導(dǎo)率的間接影響。因此, 本文基于熱探針法測定不同溫度環(huán)境下珊瑚鈣質(zhì)砂的導(dǎo)熱系數(shù)變化特征, 探討環(huán)境溫度、 試樣含水率兩個因素對珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律, 提出一個考慮不同溫度環(huán)境作用的珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)計算模型, 為解決海島建設(shè)中“熱”問題相關(guān)的珊瑚鈣質(zhì)砂工程實踐及地質(zhì)災(zāi)害提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗用珊瑚鈣質(zhì)砂取于南海某島嶼, 為米白色顆粒, 粒徑均大于0.075 mm, 如圖1所示。選取粒徑為0.075～2.000 mm的珊瑚鈣質(zhì)砂顆粒, 采用篩分法進行顆粒級配分析, 以煤油為介質(zhì)進行土粒相對密度試驗， 珊瑚砂鈣質(zhì)砂的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1, 粒徑分布曲線見圖2[11]。

圖1 珊瑚鈣質(zhì)砂顆粒

圖2 珊瑚鈣質(zhì)砂粒徑分布曲線

表1 珊瑚鈣質(zhì)砂的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

目前的珊瑚鈣質(zhì)砂工程實踐中一般環(huán)境溫度為20～80 ℃, 因此本試驗設(shè)定了4個環(huán)境溫度(20、 40、 60、 75 ℃)來模擬島礁工程建設(shè)中的不同溫度環(huán)境。

上述環(huán)境溫度控制過程均在GDJS-360恒溫恒濕試驗箱中進行, 其控溫范圍為0～120 ℃, 溫度分辨率為0.1 ℃, 控溫精度為±0.5 ℃。

1.2 試驗過程

① 材料準備: 將過2 mm篩的珊瑚鈣質(zhì)砂作脫鹽處理[15], 放入105 ℃烘箱烘干至恒重備用。

② 噴水燜樣: 按照含水率5%、 10%、 15%、 20%、 25%、 30%和35%分別配制各組珊瑚砂混合料, 密封靜置24 h。

③ 靜壓制樣: 按照干密度ρd=1.20 g/cm3稱取一定質(zhì)量的上述珊瑚砂混合料置于PVC模具中, 采用靜壓法分2層制成圓柱形試樣(h=60 mm,Φ=75 mm), 并用薄膜和黑膠布密封好, 以防止水分蒸發(fā)， 每個含水率各制備2個平行試樣, 質(zhì)量差小于0.5 g， 共制備了7組14個試樣。

④ 恒溫養(yǎng)護: 將上述試樣分組放入恒溫恒濕箱內(nèi)進行恒溫養(yǎng)護12 h, 使試樣內(nèi)部溫度穩(wěn)定、 水分均勻分布; 7組試樣依次在20、 40、 60、 75 ℃下進行恒溫養(yǎng)護和導(dǎo)熱系數(shù)測試。

⑤導(dǎo)熱系數(shù)測試: 使用KD2 Pro土壤熱分析儀分別測定上述處理完畢后的珊瑚鈣質(zhì)砂試樣的導(dǎo)熱系數(shù)[11], 如圖3所示。 為了減少試樣不均勻性的影響, 在每個試樣的5個不同位置(中心位置1個孔、 中心與邊界中間4個孔)分別量測3次(每次間隔10 min), 取平均值作為最終導(dǎo)熱系數(shù)測定值。

圖3 珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)測試過程

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境溫度對珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖4為各含水率下珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)λ隨溫度T的變化曲線?？芍? 在含水率w保持不變的情況下, 珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)λ值隨著溫度T值的遞增而加, 二者呈現(xiàn)出良好的指數(shù)關(guān)系(R2=0.783 7～0.991 6)。以w=10%試樣為例, 環(huán)境溫度T依次經(jīng)歷20 ℃→40 ℃→60 ℃→75 ℃變化時, 導(dǎo)熱系數(shù)λ依次為0.451、 0.640、 0.863、 1.239 W/(m·K), 增幅Δλ(前后二者的變化量)依次為0.189、 0.223、 0.376 W/(m·K); 相比于室溫(20 ℃)條件下的λ值0.451 W/(m·K), 40、 60、 75 ℃時試樣的λ提高值δλ分別為0.189、 0.412、 0.788 W/(m·K), 提高倍數(shù)f(各溫度下的λ值與20 ℃時λ值的比值)依次為1.42、 1.91、 2.75。同樣地, 其他含水率試樣也具有類似的變化規(guī)律。

圖4 珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)隨環(huán)境溫度的變化曲線

為了更好地體現(xiàn)上述變化規(guī)律, 將各含水率下試樣的導(dǎo)熱系數(shù)變化參數(shù)(增幅Δλ、 提高值δλ、 提高倍數(shù)f)整理成表2。由此可知, 珊瑚鈣質(zhì)砂試樣的導(dǎo)熱系數(shù)λ隨著環(huán)境溫度的升高而提高, 溫度越高, 其提高值δλ越大(圖5a); 同時, 各含水率下珊瑚鈣質(zhì)砂試樣的δλ-T曲線以60 ℃為分界點呈分段遞增趨勢, 兩階段的增長速率明顯不同: 當(dāng)20 ℃≤T≤60 ℃(階段Ⅰ——低溫狀態(tài))時,δλ隨T緩慢遞增, 當(dāng)T>60 ℃(階段Ⅱ——高溫狀態(tài))時,δλ隨T急劇遞增。珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)的提高倍數(shù)f亦呈現(xiàn)上述一致的變化規(guī)律(圖5b), 不同溫度下試樣f的變化范圍為1.01～3.46, 即相比于室溫(20 ℃)條件下的λ值, 75 ℃時w=5%試樣的λ值提高倍數(shù)最大(fmax=3.46)。

圖5 不同含水率下珊瑚鈣質(zhì)砂的δλ-T(a)和f-T(b)曲線

表2 不同環(huán)境溫度和含水率條件下試樣導(dǎo)熱系數(shù)的變化參數(shù)

上述珊瑚砂導(dǎo)熱系數(shù)λ隨環(huán)境溫度T的變化規(guī)律可以從水汽潛熱傳輸效應(yīng)方面進行解釋: 徐云山等[16]認為水蒸氣在巖土材料孔隙中的遷移會促進其內(nèi)部的熱量傳遞; 對于本試驗而言, 當(dāng)溫度T升高時, 珊瑚砂試樣孔隙中的水分子在試樣內(nèi)部運動加劇(即形成熱對流),T越高, 水分子運動越激烈, 熱對流越強烈, 熱量傳遞越多, 試樣導(dǎo)熱系數(shù)增長幅度Δλ越大, 因此溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響主要取決于試樣內(nèi)水蒸氣的潛熱傳輸作用。

2.2 含水率對珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖4、 5同時表明, 不同環(huán)境溫度下珊瑚鈣質(zhì)砂的導(dǎo)熱系數(shù)和試樣含水率也具有密切的關(guān)系。 為了更直觀地分析含水率w對珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)λ的影響, 將珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的變化整理對比如圖6所示。

圖6 不同環(huán)境溫度下珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)λ隨含水率w的變化曲線

含水率w極大地影響著珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)λ的變化,所有試樣的λ均隨著w的增加而遞增,二者呈現(xiàn)出良好的冪函數(shù)關(guān)系(R2=0.865 3～0.991 1); 以室溫(20 ℃)條件下的試樣為例, 含水率w由5%依次變化到10%、 15%、 20%、 25%、 30%、 35%時,λ值由0.335 W/(m·K)分別變化到0.451、 0.571、 0.630、 0.725、 0.852、 0.871 W/(m·K), 增加值Δλ依次為0.116、 0.236、 0.295、 0.390、 0.517、 0.536 W/(m·K), 增長幅度依次變大。

上述變化規(guī)律可以這樣解釋: 珊瑚鈣質(zhì)砂是由固體(鈣質(zhì)砂顆粒)、 液體(孔隙水)和氣體(空氣)三相組成的多孔介質(zhì), 其固體成分和骨架結(jié)構(gòu)是不變的, 但鈣質(zhì)砂內(nèi)部孔隙由水和空氣填充(圖7a)。根據(jù)《土壤熱物理學(xué)》[17]可知, 液相(孔隙水λw=0.605 W/(m·K))的導(dǎo)熱系數(shù)約為氣相(孔隙氣λa=0.024 W/(m·K))的25倍, 因此, 相同條件(干密度ρd=1.20 g/cm3)下珊瑚鈣質(zhì)砂的導(dǎo)熱系數(shù)λ直接取決于液相(孔隙水)的導(dǎo)熱系數(shù); 由于鈣質(zhì)砂自身含有豐富的內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu), 隨著含水率w的增大, 導(dǎo)熱系數(shù)較大的水分作為孔隙填充物, 逐漸取代了孔隙內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)較小的原有空氣(圖7b), 使珊瑚鈣質(zhì)砂的導(dǎo)熱系數(shù)顯著增加; 另一方面, 孔隙內(nèi)水分的增加在珊瑚鈣質(zhì)砂樣品內(nèi)形成的對流傳熱方式[18]也有利于其導(dǎo)熱系數(shù)的增加(圖7b、 7c所示)。因此, 在上述兩方面因素的影響下, 珊瑚鈣質(zhì)砂的導(dǎo)熱系數(shù)λ隨著含水率w的增加而遞增, 國內(nèi)外學(xué)者在紅黏土[18]、 壓實膨潤土[19]、 黃土[20]、 普通石英砂[21]、 膠結(jié)鈣質(zhì)砂[22]的研究中都得到了類似結(jié)論。

圖7 珊瑚鈣質(zhì)砂試樣內(nèi)部熱量傳遞示意圖

2.4 不同溫度環(huán)境下珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)計算模型

由上述分析可知, 珊瑚鈣質(zhì)砂的導(dǎo)熱系數(shù)λ與環(huán)境溫度T、 含水率w兩個因素密切相關(guān)。根據(jù)各因素與λ的曲線關(guān)系(圖4的λ-T指數(shù)函數(shù)與圖6的λ-w冪函數(shù)), 筆者提出了不同溫度環(huán)境下珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)λ的計算模型:

λ=A·wB+C·eD·T+E,

其中,A、B、C、D、E為計算模型參數(shù)。

對上述試驗數(shù)據(jù)進行多元非線性回歸分析, 得到模型參數(shù)值分別為A=0.978 4,B=0.300 8,C=0.022 4,D=0.045 3,E=0.005 5, 相關(guān)系數(shù)R2=0.968 2。因此, 上式變?yōu)?/p>

λ=0.978 4·w0.300 8+0.022 4·e0.045 3·T+0.005 5。

該式即為不同溫度環(huán)境下珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)λ的計算模型。為了驗證上述模型的適用性, 將本文試驗中20、 40、 60、 75 ℃環(huán)境下珊瑚鈣質(zhì)砂的導(dǎo)熱系數(shù)試驗測試值和模型計算值(實心方形符號標(biāo)記)對比繪制成圖8; 另外, 將文獻[11]在室溫20 ℃下測得的鈣質(zhì)砂熱導(dǎo)率λ值和采用本文λ模型的計算值也繪制于圖8(空心圓形符號標(biāo)記)。

圖8 λ計算模型的預(yù)測值與實測值誤差分析

可知, 本文試驗中預(yù)測值與實測值的大部分數(shù)據(jù)落在±10%的相對誤差線之內(nèi), 僅有4個數(shù)據(jù)超出了此范圍(兩數(shù)據(jù)處在-10%相對誤差線邊緣, 另兩個數(shù)據(jù)處在+20%相對誤差線邊緣); 文獻[11]中的大部分數(shù)據(jù)落在+20%相對誤差線之內(nèi), 有兩個數(shù)據(jù)處在+20%相對誤差線邊緣, 但都在工程誤差的允許范圍之內(nèi)。 這說明上述λ計算模型對不同溫度環(huán)境下珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)進行預(yù)測具有較高的精度和較好的適用性。

3 結(jié) 論

(1) 珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)λ值隨著環(huán)境溫度T值的遞增而增加, 二者呈現(xiàn)出良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系, 75 ℃時試樣的λ值約為20 ℃時試樣λ值的1.48～3.46倍; 各含水率下珊瑚鈣質(zhì)砂試樣的δλ-T和f-T曲線均以T=60 ℃為分界點呈分段遞增趨勢, 兩階段的增長速率不同; 溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響主要取決于試樣內(nèi)水蒸氣的潛熱傳輸效應(yīng)。

(2) 試樣含水率w極大地影響著珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)λ的變化,λ值隨著w的增加而遞增, 二者呈現(xiàn)出良好的冪函數(shù)關(guān)系; 含水率對導(dǎo)熱系數(shù)的影響主要在于珊瑚鈣質(zhì)砂內(nèi)孔隙水變化和熱對流方式的影響。

(3) 本文提出的不同環(huán)境溫度下珊瑚鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)λ的計算模型, 通過對比分析證明該計算模型具有較高的預(yù)測精度和較好的適用性。