張虎元，張學(xué)超，陳曉寧

（1.蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000；2.蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000）

1 引 言

土遺址是指人類活動(dòng)中遺留下的由土和以土為主的遺跡和遺物，主要包括房屋、夯土臺(tái)基、城墻、窖穴、窯爐、糧倉(cāng)、墓葬和糟朽文物在土上的印痕等。土遺址作為文物具有科學(xué)性、歷史性、藝術(shù)性，一旦破壞，就會(huì)永久性滅失，所以應(yīng)盡可能長(zhǎng)期地保存它們的原狀以便進(jìn)行研究和展示。我國(guó)土遺址很多，但保存狀況較差。研究土遺址的病害及成因，有針對(duì)性的對(duì)各遺址進(jìn)行搶救保護(hù)至關(guān)重要[1-2]。

我國(guó)西北地區(qū)存在很多遺址，這些遺址所處的氣候環(huán)境晝夜溫差較大。而土的導(dǎo)熱系數(shù)又較小，白天氣溫升高時(shí)，遺址的上層溫度大于下層溫度，上層遺址土在溫度作用下膨脹，導(dǎo)致上下之間產(chǎn)生應(yīng)力差，從而產(chǎn)生與表面平行的裂隙。與此相反，當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，遺址的上層降溫要比下層快，上層收縮受到下層的阻礙就會(huì)產(chǎn)生垂直于遺址表面的裂隙。經(jīng)過(guò)反復(fù)的溫差循環(huán)，縱橫裂隙被貫穿，從而會(huì)產(chǎn)生坍塌和起皮等病害[3-4]。由此可見(jiàn)，熱應(yīng)力的變化會(huì)造成土遺址的破壞。另外，即使土遺址處于干旱地區(qū)，還會(huì)有一定的降雨量，水分通過(guò)降雨入滲到遺址土中后使遺址土表面的含水率增高，影響遺址土的導(dǎo)熱系數(shù)。同樣，溫度的變化又會(huì)帶來(lái)墻體內(nèi)部水分的變化，進(jìn)而影響鹽分運(yùn)移，產(chǎn)生酥堿等病害[5]。巖土材料的導(dǎo)熱特性，主要與孔隙率、含水率、干密度、飽和度及礦物成分等因素有關(guān)。為探究巖土材料的熱物理參數(shù)與各物理指標(biāo)之間的關(guān)系，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者開(kāi)展了研究工作，Naidu等[6]用熱針?lè)ǖ玫搅送馏w導(dǎo)熱系數(shù)與密度和含水率的對(duì)數(shù)成正比的結(jié)論。莊迎春等[7]對(duì)砂土混合材料進(jìn)行了導(dǎo)熱性能的試驗(yàn)研究，得到了導(dǎo)熱系數(shù)隨干密度和摻砂率的變化規(guī)律，Abu-Hamdeh[8]得到了砂土和黏土熱導(dǎo)率隨著干密度和含水率增加而增加的結(jié)論，并對(duì)比分析了砂土和黏土比熱容理論預(yù)期值和試驗(yàn)測(cè)試值。Salomone 等[9]歸納出不同土壤在不同干密度范圍下的熱阻率曲線，通過(guò)曲線給出了在不同干密度和不同含水率時(shí)土壤熱阻變化的大致范圍。Johansen 等[10]從土壤干密度、孔隙率以及礦物成分上歸納總結(jié)出計(jì)算土壤導(dǎo)熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。王海波等[11]認(rèn)為隨著飽和度的增高粉土的導(dǎo)熱性能逐漸增強(qiáng)。蘇天明等[12]探討了土體飽和情況下熱物理性質(zhì)與其含水率和孔隙比的關(guān)系。上述對(duì)熱力學(xué)參數(shù)的研究大多數(shù)是采用熱探針?lè)ǎ瑧?yīng)用點(diǎn)熱源加熱的方式得到的結(jié)果，針對(duì)的試驗(yàn)材料多為工程土體。本研究選擇遺址土為試驗(yàn)材料，加熱方法采用平面熱源加熱。通過(guò)導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和體積比熱揭示遺址土的熱力學(xué)參數(shù)的變化，從而為研究和預(yù)防土遺址熱劣化提供基礎(chǔ)資料。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選自不同的土遺址，分別是位于新疆吐魯番地區(qū)的交河故城遺址土，位于新疆阿克蘇地區(qū)新和縣的通古斯巴西古城遺址和位于杭州的良渚遺址。土樣的基本物理參數(shù)見(jiàn)表1，表2為3 種遺址土的礦物成分分析結(jié)果。

本試驗(yàn)采用的試樣都是室內(nèi)重塑樣。制樣前，分別將3 種遺址土烘干碾碎過(guò)2 mm 篩，然后將土配置成目標(biāo)含水率為0%、5%、10%和15%的濕土，裝入密封袋中，放入保濕器中靜置24 h，待水分分散均勻。采用干密度控制法，利用靜力壓實(shí)機(jī)，將土樣壓制成直徑為7.20 cm、高2.00 cm，目標(biāo)干密度為1.40、1.45、1.50、1.55、1.60、1.65、1.70 g/cm3的試樣。另將通古斯巴西古城的土樣研磨成粉末狀，按土水比1:5 配置成溶液，放在振蕩器中，以250 r/min 振蕩30 min，在離心機(jī)中以2 500 r/min離心10 min，再用濾紙過(guò)濾，取得待測(cè)溶液。利用美國(guó)戴安公司生產(chǎn)的ICS-2500 研究型離子色譜儀對(duì)處理水樣進(jìn)行分析，得到通古斯巴西古城的易溶鹽的成分（見(jiàn)表3）。通過(guò)計(jì)算可知，通古斯巴西古城的易溶鹽總量為0.75%。為了探究易溶鹽總量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響，對(duì)通古斯巴西古城遺址土人工摻加NaCl，強(qiáng)化目標(biāo)含鹽量為1.5%、3%、6%，配置成高含鹽量的試樣。

表1 遺址土基本物理性質(zhì)參數(shù)Table 1 Physical parameters of soils from earthen monument sites

表2 遺址土的礦物成分Table 2 Mineral composition of soils

表3 土中易溶鹽分析Table 3 Analysis of soluble salt in soil

2.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)中熱物理參數(shù)的測(cè)試方法是瞬變平面熱源法，采用的儀器是瑞典Hot Disk 熱常數(shù)分析儀。Hot Disk 基于瞬態(tài)平板熱源技術(shù)，采用一個(gè)雙螺旋形狀的傳感組件。工作原理如下：如果Hot Disk 被加熱，電阻升高隨時(shí)間的方程為

式中：R0為傳感器被加熱前電阻；α為電阻溫度系數(shù)（TCR）；ΔTi為傳感器材料（鎳）絕緣層的溫度差分；ΔTave(τ)為樣品表面絕緣層另一面與面對(duì)Hot Disk 傳感器（雙螺旋）一面的溫度升高。

從式（1）得到傳感器記錄的溫度增加：

式中：ΔTi為傳感器與樣品表面之間“熱接觸”的測(cè)量值，其數(shù)值為0時(shí)代表通過(guò)沉積薄膜或使用電絕緣樣品實(shí)現(xiàn)了理想“熱接觸”，見(jiàn)圖1。

圖1 溫度隨時(shí)間變化曲線Fig 1 Curves of temperature change with time

ΔTi在極短時(shí)間Δti后變?yōu)槌?shù)，可估計(jì)為

式中：δ為絕緣層厚度；ki為絕緣層材料的熱擴(kuò)散系數(shù)?；跁r(shí)間的溫度升高由下式給出：

式中：P0為傳感器功率總輸出；α為傳感器盤的半徑；Λ為測(cè)試樣品的熱傳導(dǎo)率；D(τ)為與尺寸無(wú)關(guān)的時(shí)間依賴方程，其中：

式中：t為瞬態(tài)記錄開(kāi)始的時(shí)間測(cè)量值；Θ為特征時(shí)間，定義為

式中：k為樣品的熱擴(kuò)散系數(shù)。由于k 和Θ 試驗(yàn)前并不知道，可通過(guò)反復(fù)迭代推導(dǎo)出熱導(dǎo)率的最終直線得到熱擴(kuò)散系數(shù)。因此，通過(guò)一次瞬態(tài)記錄就可以同時(shí)得到導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 干密度對(duì)遺址土熱物理參數(shù)的影響

測(cè)定3 種遺址土熱物理參數(shù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率一定(w=5%)時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和體積比熱隨著干密度的增加是逐漸增大，如圖2～4 所示。導(dǎo)熱系數(shù)與干密度呈線性關(guān)系。因?yàn)楸敬窝芯康膶?duì)象主要為大型的露天土遺址，土遺址天然含水率變化受外界環(huán)境影響較大。表4為3 種遺址土在不同含水率條件下導(dǎo)熱系數(shù)入隨干密度變化的擬合關(guān)系式。

圖2 干密度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.2 Effects of dry density on thermal conductivity of soils

圖3 干密度對(duì)熱擴(kuò)散系數(shù)的影響Fig.3 Effects of dry density on thermal diffusion coefficient of soils

圖4 干密度對(duì)體積比熱的影響Fig.4 Effects of dry density on volume specific heat of soils

表4 不同含水率下遺址土導(dǎo)熱系數(shù)與干密度的擬合關(guān)系Table 4 Correlation of thermal conductivity of soils with dry density at different water content

通過(guò)擬合公式可以看出，在相同含水率條件下良渚遺址土擬合直線的斜率最大，交河的最小，即在相同含水率下良渚遺址土的導(dǎo)熱系數(shù)隨干密度變化的更為敏感。遺址土的熱擴(kuò)散系數(shù)和體積比熱也隨著干密度的變大而增大，此研究結(jié)果與Abu-Hamdeh[8]研究結(jié)果相似。除此之外，在干密度和含水率相同的條件下，良渚遺址土的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和體積比熱最大，通古斯巴西的居中，交河的最小。這說(shuō)明遺址土的熱物理參數(shù)與礦物成分密切相關(guān)。依據(jù)表2 對(duì)3 種遺址土礦物成分的分析可知，遺址土的導(dǎo)熱系數(shù)與石英成正相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)樵诔叵耂iO2的導(dǎo)熱系數(shù)為12W/Mk[13]，遠(yuǎn)大于其他的礦物成分。

3.2 含水率對(duì)遺址土熱物理參數(shù)的影響

當(dāng)干密度（ρd=1.70 g/cm3）一定時(shí)，3 種遺址土的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)及體積比熱均隨著含水率的增高而增大，如圖5～7 所示。原因是當(dāng)含水率增高時(shí)，土顆粒表面形成水膜，土粒與土粒之間由點(diǎn)接觸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗さ拿娼佑|，之前三相組成中的氣體孔隙逐漸被水充填。水的導(dǎo)熱系數(shù)大約是空氣的22 倍，熱擴(kuò)散系數(shù)和體積比熱也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣，土的導(dǎo)熱系數(shù)變大[14]。通過(guò)本試驗(yàn)可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和體積比熱對(duì)于含水率變化是有規(guī)律的，導(dǎo)熱系數(shù)與含水率近似成線性關(guān)系。在干密度為1.70 g/cm3的情況下得到含水率與導(dǎo)熱系數(shù)（見(jiàn)圖5）的擬合方程為式（7）～（9），斜率都在0.05 左右。

新疆交河遺址：

杭州良渚遺址：

新疆通古斯巴西古城遺址：

圖5 含水率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.5 Effects of moisture content on thermal conductivity of soils

圖6 含水率對(duì)熱擴(kuò)散系數(shù)的影響Fig.6 Effects of moisture content on thermal diffusion coefficient of soils

圖7 含水率對(duì)體積比熱的影響Fig.7 Effects of moisture content on volume specific heat of soils

熱擴(kuò)散系數(shù)（見(jiàn)圖6）隨著含水率的增加變化越來(lái)越敏感，增加幅度加劇，斜率逐漸變大；體積比熱（見(jiàn)圖7）隨著含水率的增加，增加趨勢(shì)變緩，斜率逐漸變小。露天土遺址，在降雨入滲時(shí)，遺址表面含水率分布不均，從而影響遺址土的導(dǎo)熱系數(shù)及遺址土的熱劣化進(jìn)程。因此，研究含水率對(duì)遺址土的熱物理參數(shù)的影響對(duì)理解降雨之后土遺址的熱劣化機(jī)制具有特別意義。

3.3 氯化鈉的摻入對(duì)遺址土熱物理參數(shù)的影響

露天土遺址環(huán)境溫濕度的變化，會(huì)引起毛細(xì)水的遷移，在毛細(xì)水的驅(qū)動(dòng)下，易溶鹽會(huì)在土體中隨之發(fā)生運(yùn)移，導(dǎo)致土體中鹽分分布不均，從而影響土的熱物理參數(shù)。本文選用NaCl為摻入鹽分，在對(duì)通古斯巴西遺址土強(qiáng)化易溶鹽總量后，測(cè)定其熱物理參數(shù)的變化。通過(guò)圖8 可見(jiàn)，在含水率和干密度一定時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)隨著含鹽量的變大逐漸增大，但增加幅度較小。

圖8 易溶鹽含量對(duì)熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響Fig.8 Effects of soluble salt content on thermal conductivity of soil

膠體化學(xué)表明，電解質(zhì)濃度的變化會(huì)影響到雙電層的厚度，電解質(zhì)濃度增大，雙電層被壓縮，其壓縮程度決定于與表面電荷符號(hào)相反的離子的濃度和價(jià)數(shù)。反號(hào)離子的濃度和價(jià)數(shù)越高,雙電層的厚度壓縮得越厲害[15]。據(jù)此認(rèn)為，當(dāng)土顆粒孔隙溶液濃度增高時(shí)雙電層被壓縮，顆粒之間的距離變小，顆粒與顆粒之間結(jié)合更為緊密。因此，遺址土隨著易溶鹽含量的增加，雙電層壓縮，公共水化膜變薄，遺址土的導(dǎo)熱系數(shù)變大。導(dǎo)熱系數(shù)的增大會(huì)使遺址土對(duì)環(huán)境溫度的響應(yīng)更加敏感。在晝夜溫差反復(fù)變化下遺址土的內(nèi)部溫度也會(huì)變化加劇，進(jìn)而引起內(nèi)部礦物差異膨脹，加速遺址表面的鹽類風(fēng)化。

4 結(jié) 論

（1）遺址土的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)、體積比熱均隨著遺址土的干密度的增加而增加，其中導(dǎo)熱系數(shù)的增長(zhǎng)接近于直線增長(zhǎng)。

（2）導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的增加呈線性增長(zhǎng)。熱擴(kuò)散系數(shù)隨含水率的增加而增加，增加幅度逐漸變大；體積比熱則隨含水率的增加而增加，增加幅度逐漸變緩。

（3）遺址土熱物理參數(shù)與遺址土中SiO2含量成正相關(guān)。

（4）隨著易溶鹽總量的增加，遺址土導(dǎo)熱系數(shù)有增大的趨勢(shì)。

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