含鹽凍土凍結(jié)溫度及導(dǎo)熱系數(shù)試驗研究

靳貽杰, 陶 勇, 張 婷, 楊 平

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京 210037)

凍土是由土粒、冰、未凍水和空氣組成的四相體系[1]。含鹽凍土中的鹽分對土壤凍結(jié)溫度、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)性質(zhì)具有決定性作用,其中凍結(jié)溫度和過冷溫度通常在土體凍結(jié)過程中同時出現(xiàn)。凍結(jié)溫度是孔隙溶液與冰晶共存時的臨界溫度[2],是判斷土體凍結(jié)狀態(tài)、預(yù)測凍結(jié)體量、控制凍脹變形等工程的重要物理指標(biāo),凍結(jié)溫度均衡地反映土體水分與所有其他成分之間的內(nèi)部聯(lián)結(jié)作用[3];而導(dǎo)熱系數(shù)是研究凍土區(qū)溫度場和熱工計算的基礎(chǔ)指標(biāo),是土體在負溫下熱傳導(dǎo)能力的表征[4]。在沿海地區(qū)道路及地下工程進行施工時常采用人工凍結(jié)法進行加固和搶修,含鹽土凍結(jié)溫度的測量直接關(guān)聯(lián)到路基凍結(jié)深度和人工凍土凍結(jié)壁厚度計算[5-7];導(dǎo)熱系數(shù)對寒區(qū)凍土工程以及多年凍土區(qū)災(zāi)害中熱量補償?shù)葴囟葓鰡栴}直接關(guān)聯(lián)。

沿海地區(qū)鹽漬土以含氯鹽為主,氯鹽的熱物理參數(shù)測量在人工凍結(jié)施工過程中具有代表性意義[8];凍融循環(huán)中鹽脹現(xiàn)象對于寒區(qū)工程危害極大,同等溫度條件下硫酸鹽更易飽和析出結(jié)晶鹽[9],因此對硫酸鹽的熱物理參數(shù)的測量在研究凍土鹽脹災(zāi)害時具有典型性意義。含鹽凍土中水分和鹽分的遷移、相變是一個水熱鹽耦合過程,凍融狀態(tài)的土體隨水鹽遷移和溶液變化熱參數(shù)有較大差異,進而影響到熱流傳播和溫度場分布[10]。Wan等[11]、路建國等[12]通過室內(nèi)降溫試驗得出結(jié)晶溫度與含鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線,本文在此基礎(chǔ)上分析得出含鹽量分別對凍結(jié)溫度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

對于含鹽凍土凍結(jié)溫度和導(dǎo)熱系數(shù)熱物理參數(shù)試驗方面,凍結(jié)溫度大多利用探針結(jié)合計算機進行實時測量。張婷等[13]、邴慧等[14]分析比較得出溶液中不同離子對凍結(jié)溫度影響能力大小;司軒昂等[15]研究發(fā)現(xiàn)土體粒徑與其凍結(jié)溫度成正相關(guān)。導(dǎo)熱系數(shù)測量方面,Li等[16]通過研究高緯度地區(qū)土壤的導(dǎo)熱系數(shù),得出含水率對導(dǎo)熱系數(shù)的影響關(guān)系;鄧友生等[17]對含鹽土的導(dǎo)熱系數(shù)進行了測量,得出正、負溫區(qū)段導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律;徐捷等[18]利用熱探針?biāo)矐B(tài)法研究了高溫條件下的導(dǎo)熱系數(shù),分析得出導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而增大,其增大的速率隨溫度的增加而減小的結(jié)論。

土體凍結(jié)溫度和導(dǎo)熱系數(shù)不僅取決于土質(zhì),同時還受土壤中含鹽類型、含鹽量和初始含水率的影響,導(dǎo)熱系數(shù)與水鹽的關(guān)系也是研究土體內(nèi)部熱量平衡的重要因素。但對于凍結(jié)溫度和導(dǎo)熱系數(shù)影響因素分析尚不夠全面,各試驗對參數(shù)的測量在準(zhǔn)確性和合理性方面也有待商榷;同時前人對熱物理參數(shù)的討論大多只停留在選取其中1個參數(shù)進行試驗研究,而系統(tǒng)性地對熱物理參數(shù)進行研究更具理論和工程意義。因此本文針對含鹽粉質(zhì)黏土,研究了含鹽量和初始含水率對凍結(jié)溫度及導(dǎo)熱系數(shù)的影響,為不同含鹽土地區(qū)的凍結(jié)工程設(shè)計提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

為使研究對實際工程更具有指導(dǎo)意義,試驗采用南京地區(qū)典型粉質(zhì)黏土進行含鹽土的制備,原狀土基本物理指標(biāo)見表1。

表1 原狀土基本物理特性Table 1 Physical properties of soils

原狀土中NaCl和Na2SO4的總含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)遠低于試驗規(guī)劃的含鹽量(1.0%～4.0%),因此原狀土中的初始離子含量對含鹽土的影響可以忽略不計。試驗采用重塑土,將土料放入烘箱,105 ℃烘24 h,碾碎,過2 mm粒徑篩,篩過后置于袋中密封備用。

1.2 試驗方法

本文凍結(jié)溫度測定選用的是凍融循環(huán)中凍結(jié)過程的數(shù)據(jù),導(dǎo)熱系數(shù)是在融化過程中測定的。這是因為凍結(jié)過程中伴隨有溫度突變,而融化過程中溫度變化是漸變的,且已有研究表明未擾動土體結(jié)構(gòu)情況下凍融循環(huán)對導(dǎo)熱系數(shù)的影響不大[19],因此融化過程更利于導(dǎo)熱系數(shù)參數(shù)的測試。

1.2.1 凍結(jié)溫度試驗

試驗采用自行研制的凍結(jié)溫度試驗系統(tǒng),主要由多功能轉(zhuǎn)換箱、冷浴箱、DataTake采集儀、電腦、熱電偶傳感器組成,具體裝置原理如圖1所示。試驗主要研究飽和含水率(26%)下NaCl、Na2SO4在不同含鹽量(0、1%、2%和4%)及相同含鹽量(1%)下不同含水率(15%、20%、25%、30%、35%和40%)含鹽土凍結(jié)溫度變化規(guī)律。

圖1 凍結(jié)溫度試驗原理示意圖Figure 1 Freezing temperature test diagram

根據(jù)試驗需要確定土樣的含鹽量和含水率后按《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[20]進行制樣。將靜置后的土樣分層填入80 mm×100 mm模具內(nèi),為模擬覆土10 m左右凍結(jié)施工,將試樣在200 kPa條件下固結(jié)24 h。放入冷浴箱中進行凍結(jié)溫度測定。15%、20%、25%、26%、30%、35%和40%含水率固結(jié)后含水率為14.7%、19.4%、24.2%、25.2%、29%、34.1%、38.8%。

1.2.2 導(dǎo)熱系數(shù)試驗測試原理及設(shè)備

本試驗采用熱特性分析儀進行含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)測定,研究不同溫度條件(0、-5、-10、-15、-20 ℃)下,飽和含水率情況時不同含鹽量(0、1%、2%和4%),和一定含鹽量(1%)時不同含水率(15%、20%、25%、30%和35%)的導(dǎo)熱系數(shù)及其變化規(guī)律。

根據(jù)試驗需要確定土樣的含鹽量和含水率后按《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[20]進行制樣。將靜置后的土樣分層填入80 mm×100 mm模具,振搗壓實,然后在200 kPa條件下固結(jié)24 h后脫模,土樣放置在環(huán)境箱進行溫度分級監(jiān)測,溫度按試驗規(guī)劃從0 ℃逐漸降低到-20 ℃,再從-20 ℃逐漸升到0 ℃,每一級溫度留出足夠的時間達到熱平衡,進行導(dǎo)熱系數(shù)測試,然后調(diào)至下一溫度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 凍結(jié)溫度試驗結(jié)果分析

2.1.1 含鹽量對不同含鹽土凍結(jié)溫度影響

圖2為飽和含水率條件下不同含鹽量的NaCl和Na2SO4在凍結(jié)過程中溫度-時間曲線?？梢钥闯鱿啾萅a2SO4含鹽土凍結(jié)曲線,NaCl含鹽土對含鹽量變化更為敏感。隨著含鹽量的增加,自由水凍結(jié)所用時間遞減,對于NaCl含鹽土是由于飽和含水率下隨著含鹽量增加,鹽溶液的溶質(zhì)勢增加,對自由水的吸附能力增強;對于Na2SO4含鹽土溶質(zhì)勢變化的同時還有含鹽晶體吸水析出的作用。

圖2 不同含鹽量下土體凍結(jié)過程中溫度-時間曲線Figure 2 Temperature-time curve during soil freezing with different salt content

以溫度-時間曲線第1次到達最低點為過冷溫度、突變后穩(wěn)定階段為凍結(jié)溫度,可以繪制得到不同含鹽量對凍結(jié)溫度和過冷溫度的影響曲線如圖3所示。由圖3可知,NaCl含鹽土的凍結(jié)溫度和過冷溫度隨著含鹽量的增加而基本呈線性降低。這是因為含鹽量增加,土顆粒對水分的吸附能力提升,更易形成水化膜,使得自由水達到凍結(jié)狀態(tài)的溫度越低,此時凍結(jié)溫度變化是由于孔隙結(jié)構(gòu)對水的毛細作用和土顆粒對水的吸附作用的共同影響。

圖3 不同類型含鹽土凍結(jié)溫度及過冷溫度關(guān)系曲線Figure 3 Relationship between freezing temperature and supercooling temperature of different saline soils

同時從圖3可以看出Na2SO4凍結(jié)溫度變化規(guī)律不同的是:在低含鹽量(0

2.1.2 含水率對不同含鹽土凍結(jié)溫度影響

圖4為不同初始含水率下土體凍結(jié)過程中NaCl含鹽土和Na2SO4含鹽土溫度-時間變化曲線,從中可以看出不同含水率下均出現(xiàn)了過冷現(xiàn)象,且隨含水率增加過冷現(xiàn)象更為顯著。這是由于初始含水率小的土樣自由水含量也較低,在到達過冷溫度以前已有相變發(fā)生。同時可以看出初始含水率在達到飽和含水率以前,凍結(jié)溫度隨初始含水率變化明顯,且隨含水率增加,凍結(jié)穩(wěn)定段持續(xù)時間增大,超過飽和含水率之后凍結(jié)溫度和凍結(jié)穩(wěn)定段的持續(xù)時間則變化不大。這是由于到達飽和含水率以前,冰晶成核后隨著含水率的增加,鹽溶液的基質(zhì)勢絕對值減小,對水分的吸附能力減弱,轉(zhuǎn)化為冰的自由水越少;到達飽和含水率以后,基質(zhì)勢值為0,同時不論是大孔隙還是小孔隙,此時均已被水分子充盈,小孔隙對凍結(jié)特征的影響可以忽略。

圖4 不同初始含水率下土體凍結(jié)降溫曲線Figure 4 Freezing and cooling curves of soil with different initial moisture contents

根據(jù)NaCl和Na2SO4含鹽土在不同初始含水率下土體凍結(jié)過程中的過冷溫度和凍結(jié)溫度可以擬合得到圖5,可以看出在相同初始含水率條件下Na2SO4含鹽土的凍結(jié)溫度和過冷溫度均高于NaCl含鹽土。

圖5 不同類型含鹽土凍結(jié)溫度及過冷溫度與初始含水率關(guān)系曲線Figure 5 Relationship between freezing and overcooling temperature and initial water content of different saline soils

從圖5還可以看出含水率和溫度成正相關(guān)關(guān)系,這是由于含水率越低,土顆粒表面對水的吸附作用越強,凍結(jié)需要達到的溫度也就越低。

圖5中凍結(jié)溫度隨含水率變化擬合曲線,可用對數(shù)函數(shù)式(1)表示:

Tf=A1+B1ln(w+C1) 。

(1)

過冷溫度隨含水率變化擬合曲線見式(2):

Ts=A2+B2ln(w+C2) 。

(2)

式中:Tf、Ts分別為凍結(jié)溫度和過冷溫度,℃;w為含水率,%;A1、B1、C1、A2、B2、C2均為擬合系數(shù)。

表2給出凍結(jié)溫度及過冷溫度隨含水率變化擬合系數(shù)?？梢钥闯?土體的凍結(jié)溫度隨含水率的增加而增加,且隨著含水率增加,凍結(jié)溫度和過冷溫度的變化幅度逐漸減小。結(jié)合圖3和圖5可知,對于NaCl含鹽土,含鹽量對含鹽土凍結(jié)溫度及過冷溫度的影響作用更大,而對于Na2SO4含鹽土含水率影響相對更大。

表2 凍結(jié)溫度及過冷溫度隨含水率變化曲線擬合系數(shù)Table 2 Fitting coefficient of freezing and supercooling temperature with water content

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)試驗結(jié)果分析

2.2.1 含鹽量對不同含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)影響

圖6為融化狀態(tài)下兩種含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線圖。由圖6 可知,不同類型含鹽土,其導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律相差較大:隨著含鹽量增加,Na2SO4導(dǎo)熱系數(shù)增加的幅度小于NaCl含鹽土。這是由于Na2SO4吸水結(jié)晶,且含鹽量越高,越容易結(jié)晶析出,因此過高含鹽量的Na2SO4含鹽土對導(dǎo)熱系數(shù)控制作用小。兩種含鹽土變化規(guī)律相同點在于:負溫范圍內(nèi)隨含鹽量變化,不同溫度土樣的導(dǎo)熱系數(shù)變化趨勢相同,即隨溫度升高,各含鹽量下含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)均逐漸減小,這是由于隨溫度升高,未凍水含量增大,導(dǎo)致冰含量減小,且分子碰撞運動逐漸劇烈;隨著含鹽量增加,在負溫范圍內(nèi)含鹽土的導(dǎo)熱系數(shù)減小,這是由于含鹽量增加,使得未凍水含量增加,即導(dǎo)熱性較好的冰所占比例減小。

圖6 含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)與含鹽量關(guān)系擬合曲線Figure 6 Fitting curve of relationship between thermal conductivity and salt content of saline soil

從圖6還可看出,同一種含鹽土的負溫和0 ℃時的擬合曲線線型不同,因為此時土中未發(fā)生冰水相變。在0 ℃時,隨含鹽量增加,NaCl含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)增大,而Na2SO4含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)減小,Na2SO4溶解度小于NaCl,隨含鹽量增加,0 ℃時Na2SO4鹽會吸水結(jié)晶,含鹽量越高失水越多,而0 ℃時NaCl溶解度較大,隨著離子濃度增大,導(dǎo)熱系數(shù)也增大。

由圖6可知負溫區(qū)段溫度和含鹽量都會影響導(dǎo)熱系數(shù),在此基礎(chǔ)上對不同含鹽量和溫度下的含鹽土的導(dǎo)熱系數(shù)進行擬合,得到經(jīng)驗公式(3):

(3)

式中:λ為導(dǎo)熱系數(shù),W·(m·k)-1;s為含鹽量,%;T為溫度,℃;a1、b1、c1、d1為相關(guān)的擬合系數(shù)。

表3給出了含鹽土融化過程的擬合系數(shù),R2值分別為0.936、0.980,說明該公式擬合效果良好,適用于對導(dǎo)熱系數(shù)的估算。

表3 NaCl、Na2SO4含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)擬合系數(shù)Table 3 Fitting coefficient of thermal conductivity in NaCl, Na2SO4 saline soil

2.2.2 含水率對不同含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)影響

土的導(dǎo)熱系數(shù)與含水率密切相關(guān),圖7為融化狀態(tài)兩種含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度及含水率變化擬合曲線,兩種含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律共同點為負溫范圍內(nèi)隨著溫度升高,兩種含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)均逐漸減小;隨著含水率增加,兩種含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)均逐漸增大,且增長至一定程度后速率逐漸變緩,這是因為低含水率時,土體孔隙中存在相當(dāng)比例熱傳導(dǎo)性較差的氣體。

圖7 含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)與初始含水率關(guān)系曲線Figure 7 Relation curve of thermal conductivity and initial moisture content of saline soil

從圖7還可看出,兩種含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律不同點在于:同一溫度和含鹽量下,NaCl含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)大于Na2SO4含鹽土,這是由于Na2SO4含鹽土在凍結(jié)過程中析出晶體,鹽結(jié)晶并吸收大量水,可發(fā)生相變成冰的水的含量要小于NaCl含鹽土,在融化過程中冰含量仍小于NaCl含鹽土;含水率相同時,隨著溫度升高,負溫下NaCl含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小,且減小速率變大,而Na2SO4含鹽土在高含水率時導(dǎo)熱系數(shù)基本不變。

由圖7可知,溫度和含水率對含鹽土的導(dǎo)熱系數(shù)都有較大的影響,進一步研究溫度和含水率與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系,對NaCl和Na2SO4含鹽土擬合,得到式(4):

λ=a2+b2ec2T+d2lnw。

(4)

式中:λ為導(dǎo)熱系數(shù),W·(m·k)-1;w為含水率,%;T為溫度,℃;a2、b2、c2為擬合系數(shù)。表4為NaCl和Na2SO4含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)擬合系數(shù)。R2值分別為0.961、0.964,說明該公式擬合效果良好,可以用來估算一定含水率和溫度條件下的導(dǎo)熱系數(shù)。

表4 NaCl、Na2SO4含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)擬合系數(shù)Table 4 Fitting coefficient of thermal conductivity in NaCl, Na2SO4 saline soil

3 結(jié)論

本文通過粉質(zhì)黏土的室內(nèi)試驗,研究分析了含鹽類型、含鹽量以及初始含水率對凍結(jié)溫度、導(dǎo)熱系數(shù)的影響,得出以下結(jié)論。

(1)隨著含鹽量的增加,NaCl含鹽土的凍結(jié)溫度及過冷溫度基本呈線性降低,而對于凍結(jié)過程中有結(jié)晶鹽析出的Na2SO4含鹽土,凍結(jié)溫度和過冷溫度均先降低后增加,且在2%含鹽量處達到最低點。

(2)兩種含鹽土凍結(jié)溫度及過冷溫度均隨初始含水率增大而增加,且增長速率逐漸減小。對于NaCl含鹽土,含鹽量對含鹽土凍結(jié)溫度及過冷溫度的影響作用更大,而對于Na2SO4含鹽土含水率的影響相對更大。

(3)負溫范圍內(nèi),兩種含鹽粉質(zhì)黏土的導(dǎo)熱系數(shù)均隨含鹽量增加而減小;相同溫度和含鹽量條件下NaCl含鹽土導(dǎo)熱系數(shù)大于Na2SO4含鹽土。高含鹽量條件下Na2SO4更容易吸水析出結(jié)晶鹽,隨著含鹽量的增加Na2SO4對導(dǎo)熱系數(shù)的控制作用逐漸變小。

(4)兩種含鹽土初始含水率與導(dǎo)熱系數(shù)均成正相關(guān)關(guān)系,且隨著含水率增加其增長速率均逐漸變緩。