劉曉萌　段磊　王周鋒　徐丹丹　楊奇越

摘 要：使用Hot Disk熱參數(shù)儀，通過研究含水介質(zhì)的粒徑對熱參數(shù)的影響發(fā)現(xiàn)，組成成分相同的介質(zhì)，隨著粒徑的增加，熱導率逐漸降低。通過對3種粒徑的砂樣實測值進行擬合，發(fā)現(xiàn)兩端擬合情況比較好，中間非飽和段有偏差。

關(guān)鍵詞：熱導率；粒徑；含水率；熱參數(shù)

中圖分類號：TB302 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.081

在諸多研究領(lǐng)域和工程基礎(chǔ)設(shè)計中，巖土的熱特性是要考慮的影響因素之一，比如，研究上地幔熱結(jié)構(gòu)、地球深部熱狀態(tài)的主要參數(shù)，設(shè)計地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，巖石熔融處置核廢料。準確、可靠地測定介質(zhì)的熱參數(shù)尤為重要，特別是處于非飽和狀態(tài)下的含濕介質(zhì)，因為其內(nèi)部水分的運移和結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，使其成為了研究、關(guān)注的熱點。

在目前的研究中，人們發(fā)現(xiàn)含水率、孔隙度、實驗溫度等不同，介質(zhì)的熱參數(shù)也會受到不同程度的影響。Milo Jerman、Robert Cerny的研究表明，熱導率與含水率之間存在函數(shù)關(guān)系；Gyu-Hyun Go等人針對非飽和風化花崗巖地區(qū)熱導率建立了可靠的分析模型；Arash Behrang等人通過測試得出飽和度對于砂樣有效熱導率影響顯著；A.Abdou，I.Budaiwi等人的研究表明，測試溫度和含水率都會對熱導率的測定產(chǎn)生影響。

這些研究大多是從各種因素變化的角度上來考慮介質(zhì)的熱特性變化。在此過程中也發(fā)現(xiàn)，對于化學成分相同但粒徑不同的沙子的熱參數(shù)研究甚少，同時，在測定含濕介質(zhì)時，對其含水率的控制方法不盡相同，試樣的靜置使得水分下移，從而導致表面測量處的含水率下降，引發(fā)測量誤差。本文通過一系列的合理實驗，在保持砂子成分、實驗溫度等條件不變的情況下，研究了砂子的熱導率與含水率之間的變化規(guī)律，以及砂子粒徑對其熱導率變化的影響。本文利用實驗室的Hot Disk熱常數(shù)分析儀，測定了砂樣從干燥到飽和情況下的熱導率，同時，就粒徑對熱導率的影響進行了簡單的分析。

1 材料與方法

1.1 試驗的基本情況

本次試驗使用的Hot Disk熱常數(shù)分析儀探頭型號為5465型，測量半徑為3.189 mm，探頭處使用鎳金屬雙螺旋結(jié)構(gòu)，并且加以Kapton絕緣膜保護。測量時，假定被測介質(zhì)為無限大的均質(zhì)介質(zhì)，需將探頭與試樣兩側(cè)緊密接觸。另外，在探頭雙螺旋處布置2個加熱熱源點和2個熱溫度接收點，探頭既是熱源又是熱信號采集器。

1.2 試驗原理

針對之前研究中的不足，文中對單因素——介質(zhì)粒徑對熱導率的影響進行了研究。試驗選取相同質(zhì)地的砂子，經(jīng)篩選分為粉砂、細砂和中砂3種。由光譜分析可知，3種不同粒徑的砂樣構(gòu)成成分相同，可確定為同種砂樣。至此，用烘干的砂子在室溫中配制不同含水率的砂樣，混合均勻后用保鮮膜包好，防止水分蒸發(fā)。經(jīng)過對3種沙樣做干燥到飽和的一系列試驗，可以得出粒徑和含水率對熱導率的影響。

1.3 試驗材料

此次試驗選取某河沙，測得其干容重為1.54 g/cm3，經(jīng)過篩選，將其按粒徑分為3類，即粉砂、細砂和中砂。

2 試驗過程

已知試驗介質(zhì)組成成分相同，比例相近，所以，改變介質(zhì)的含水率即可得到不同含水率時熱導率的值。對比3種粒徑砂子在同一含水率時的熱導率值，即可分析出粒徑與熱導率的關(guān)系。具體樣品的測試過程如下：①用酒精擦拭儀器探頭正反面，確保其干凈；②根據(jù)測試要求，每次測試用環(huán)刀直接壓制砂樣，取6個樣品，環(huán)刀體積約為50 cm3；③將探頭夾在2個樣品之間，確保探頭平整，接觸嚴密，壓緊后蓋上保護罩，等待15 min，使探頭和樣品充分接觸；④測試該粒徑的試樣在該含水率下的熱導率；⑤重復①②③④步，直至獲得3種砂樣在不同含水率下的熱導率值。

3 結(jié)果與討論

經(jīng)過試驗，得到了同種介質(zhì)3種不同粒徑砂樣從干燥到飽和的過程，不同含水率所對應的熱導率值。砂樣熱參數(shù)實測值及擬合曲線如圖1所示。

從圖1中可以看出，雖然粒徑不同，但是，隨著含水率的升高，熱導率的變化趨勢都是一樣的，均呈上升狀態(tài)。

縱向比較3條曲線發(fā)現(xiàn)，3種砂樣的變化規(guī)律一致——隨著粒徑的增加，熱導率的變化幅度變小，對應的擬合曲線斜率變小。被測砂樣可視為固-液-氣三相的混合體，顆粒之間的熱通過水膜傳導，水膜的牽引力減小了顆粒之間的距離，使得導熱能力提升。

擬合曲線兩端擬合比較好，中間部分出現(xiàn)偏差，這是因為在干燥狀態(tài)下，受到毛管吸附力等作用，飽和時，會從上半部分滲水補充到探頭附近，這與測試手段有關(guān)。使用Hot disk時，要求與被測試樣接觸，并穩(wěn)定5 min。但是，非飽和砂樣在靜止狀態(tài)下，水分會迅速下移，導致測試部位的含水率發(fā)生變化，不夠準確。特別是探頭位于試樣中間位置，水分下移，使得實測時含水率發(fā)生變化。鑒于這種情況，最后的解決辦法是在室溫下直接測試，排除溫度干擾，以減小溫度對水分變化的影響。

4 結(jié)論

通過制備同一組成成分、不同粒徑、不同含水率的砂子，測試其熱導率進，可以得出以下結(jié)論：①對于同一組成成分的砂子而言，粒徑對熱導率的影響顯著——隨著粒徑的增加，熱導率變化減緩。②在低含水率期間，測試結(jié)果出現(xiàn)偏差，這主要與儀器的測試原理有關(guān)，不能瞬時測量，所以，可通過調(diào)整測試方法得到準確的熱導率值。

參考文獻

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作者簡介：劉曉萌（1991—），男，研究生，水文學及水資源專業(yè)，主要研究河流地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系。

〔編輯：白潔〕