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        巖石導(dǎo)熱系數(shù)定量化分析

        2018-06-30 06:56:46喬宇
        西部皮革 2018年10期
        關(guān)鍵詞:影響

        喬宇

        (中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢),湖北 武漢 430074)

        引言

        導(dǎo)熱性質(zhì)是巖石重要的物理性質(zhì)之一,其在地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)及巖土熱工程應(yīng)用中有著重要意義。巖土體的熱物性參數(shù),如導(dǎo)熱系數(shù)、體積比熱容是表征巖土體傳熱性質(zhì)的主要參數(shù)。巖土熱物性參數(shù)受多因素影響,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)巖土體的熱物性參數(shù)開(kāi)展了大量研究。

        巖石的導(dǎo)熱系數(shù)由固相、液相、氣相三部分組成,其中液相及氣相為巖石孔隙中含水狀態(tài)的差異,固相成分對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響主要為巖石本身組構(gòu)方面的影響,主要涉及到巖石的顆粒組分、粒徑及填隙物。砂巖大多由顆粒較大的礦物通過(guò)某種膠結(jié)形式形成,顆粒之間存在大量填隙物,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,因此在考慮其固相差異時(shí)應(yīng)對(duì)其填隙物成分及含量、顆粒組分及顆粒粒徑進(jìn)行分析。

        1 實(shí)驗(yàn)與分析

        已有研究表明,礦物顆粒的粒徑對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)有較大的影響,隨著顆粒粒徑減小,礦物導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì),根據(jù)前人研究結(jié)果,礦物顆粒導(dǎo)熱系數(shù)與粒徑之間存在如下圖所示的關(guān)系:

        圖1 顆粒粒徑與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系

        其中λ為不同粒徑礦物粉末的導(dǎo)熱系數(shù);

        λ0為礦物單晶狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù);

        根據(jù)上圖所示,將巖石顆粒粒徑分為砂級(jí)顆粒及填隙物兩個(gè)部分,顆粒粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,所測(cè)樣品砂級(jí)粒徑大部分在0.1mm左右,因此將λ/λ0設(shè)為0.75,而填隙物的礦物顆粒多為隱晶質(zhì),粒徑極小,設(shè)為0.001—0.05mm,λ/λ0取0.25。

        通過(guò)X射線熒光光譜分析(XRF)準(zhǔn)確地對(duì)構(gòu)成巖石的元素組分進(jìn)行分析,并結(jié)合XRD實(shí)驗(yàn)對(duì)礦物成分定量化,并通過(guò)薄片鑒定可以判斷出巖石砂級(jí)顆粒幾乎全部為石英和長(zhǎng)石,將巖石礦物組分中砂級(jí)顆粒礦物的石英及長(zhǎng)石組分除去,剩下的即為填隙物的礦物組成??筛鶕?jù)巖石礦物成分及所占比例判斷出填隙物中各礦物物質(zhì)含量,結(jié)果如下表所示:

        將不同粒徑礦物顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)與巖石物質(zhì)組成相結(jié)合,并在考慮巖石孔隙率的基礎(chǔ)上將巖石導(dǎo)熱系數(shù)構(gòu)成分為三個(gè)部分,即:填隙物、礦物顆粒、孔隙,干燥條件下巖石孔隙中不含水,僅有空氣,而空氣導(dǎo)熱系數(shù)過(guò)小,可認(rèn)為導(dǎo)熱系數(shù)為0,則各組分導(dǎo)熱系數(shù)加權(quán)平均數(shù)情況如下:

        表2 巖石各組分導(dǎo)熱系數(shù)

        由上表可知,巖石的導(dǎo)熱系數(shù)并不是由簡(jiǎn)單的各組分加權(quán)后的算術(shù)平均值疊加而構(gòu)成,編號(hào)為1和4的巖石導(dǎo)熱系數(shù)加權(quán)計(jì)算值大于編號(hào)2的巖石,但實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示編號(hào)為2的巖石導(dǎo)熱系數(shù)反而大于1號(hào)及4號(hào)巖石的導(dǎo)熱系數(shù)。各組分對(duì)巖石的導(dǎo)熱系數(shù)影響不同,而結(jié)合四塊巖石的孔隙率可以看出,孔隙率的不同對(duì)巖石導(dǎo)熱系數(shù)影響較大。在傳熱過(guò)程中,孔隙的存在不僅對(duì)熱傳導(dǎo)沒(méi)有幫助,而且還會(huì)形成較大的熱阻,阻礙熱傳遞過(guò)程。

        通過(guò)填隙物中石英含量與巖石導(dǎo)熱系數(shù)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),巖石導(dǎo)熱系數(shù)主要受填隙物中石英含量的影響,隨著填隙物中石英含量的增加,巖石導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大。

        圖2 填隙物及孔隙中石英所占比例與與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系

        為了確定巖石各組分對(duì)巖石整體導(dǎo)熱系數(shù)的影響系數(shù),對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)算式擬合,擬合公式為:

        (5-1)

        其中為巖石的導(dǎo)熱系數(shù),為填隙物的導(dǎo)熱系數(shù)加權(quán)值,為巖石砂級(jí)碎屑的導(dǎo)熱系數(shù)加權(quán)值,為巖石的孔隙率,a、b、c分別為各組分對(duì)巖石導(dǎo)熱系數(shù)的影響系數(shù)。計(jì)算結(jié)果如下:

        表3 影響系數(shù)擬合結(jié)果

        通過(guò)擬合結(jié)果可知,巖石各組分對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響系數(shù)不同,結(jié)合各組分物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)可以得出以下結(jié)論:

        1.巖石的填隙物雖然導(dǎo)熱系數(shù)較小,但其影響系數(shù)最大,作為連接礦物顆粒骨架的主要物質(zhì),主要在高導(dǎo)熱的礦物顆粒間起“熱橋”作用,對(duì)傳熱過(guò)程有較大影響,不同的膠結(jié)類型、雜基成分對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響較大。巖石的填隙物中石英占比越高的巖石導(dǎo)熱系數(shù)越高。

        2.陸源碎屑巖的的碎屑顆粒主要為石英和長(zhǎng)石,有較高的導(dǎo)熱系數(shù),在傳熱過(guò)程中主要承擔(dān)熱傳遞作用,是傳熱過(guò)程的主體骨架,但礦物顆粒間有較大的接觸熱阻,熱流在顆粒接觸面的熱流收縮使得良好導(dǎo)熱性能的礦物顆粒對(duì)巖石導(dǎo)熱系數(shù)的影響系數(shù)反而最小。但碎屑顆粒對(duì)巖石導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻(xiàn)最大。

        3.巖石的孔隙率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)有很大影響,孔隙的存在使得巖體中礦物顆粒之間相互分離,形成極大的接觸熱阻,影響熱傳導(dǎo),因此孔隙率的微小差別即可造成導(dǎo)熱系數(shù)較大的差異。

        2 結(jié)論

        填隙物、砂級(jí)顆粒、巖石孔隙率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)都有較大影響,不同物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)陸源碎屑巖導(dǎo)熱系數(shù)的影響系數(shù)不同,其中孔隙率影響系數(shù)最大,砂級(jí)顆粒的影響系數(shù)最小,但砂級(jí)顆粒對(duì)巖石導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻(xiàn)最大。

        參考文獻(xiàn):

        [1] Midttomme K,Roaldset E.The effect of grain size on thermal conductivity of quartz sands and silts[J].Petroleum Geoscience,1998,4(2):165-172.

        [2] 劉飛,陳岳龍,蔣麗婷.MATLAB在碎屑沉積巖礦物含量計(jì)算中的應(yīng)用[J].沉積學(xué)報(bào),2006,24(2):229-234.

        [3] 肖衡林,吳雪潔,周錦華.巖土材料導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算研究[J].路基工程,2007(3):54-56.

        [4] 許模,王迪,蔣良文,等.巖土體導(dǎo)熱系數(shù)研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào),2011,33(4):421-427.

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