橡胶颗粒——废铸砂复合填料导热系数实验研究

帕尔哈提

(新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院)

1 前言

土体的导热系数是每单位温度梯度下，单位时间内通过土体单位面积的热量，单位W/m·c，它是表示物体的导热能力的重要指标。

由式(1)看出导热系数公式的实质就是当温度梯度为1℃/m时，每小时通过1 m2面积土体上的热量。影响土体导热系数的因素很多，主要包括固体颗粒组成、孔隙率、土体密度，温度，含水量及水饱和度以及土中水的形态(固液态之分)等。因此，围绕这些影响因素进行单因素试验研究。

2 实验原理和实验仪器

2.1 试验原理

本次试验基于不稳定热传导原理，首先利用探头给待测试样引进一个热源，然后通过探针表面和探针附近介质的温度随时间的变化来计算出导热系数以及相关参数，可以一次性得到不同状态下(冻结与否)轻质填料的导热系数、比热导温系数的结果。

2.2 实验仪器

本次试验使用ISOMET便捷式热特性分析仪对土体的热参数进行测试，该仪器采用动态测量方法，有效缩短了测量导热系数的时间，试验测出来的数据通过显示器可以显示出来，或者通过RS232串行端口直接下载到电脑中。导热系数试样的尺寸统一采用φ×h=61.8 mm×20 mm，而且要确保试样表面的光洁度，试样养护与冻结过程当中用保鲜膜密封。每个试样的测试不少于3次，取3个偏差不大的平均值做为测试结果。

3 试验结果及分析

3.1 导热系数结果

本试验考虑的因素包括橡胶颗粒含量、水泥含量、含水率三个方面，分别测定7 d龄期，未冻结和28 d龄期，未冻结和冻结状态下的导热系数试验结果如表1所示。

3.2 试验结果分析

(1)水泥掺入比对导热系数的影响

龄期为28 d未冻融条件下，橡胶颗粒掺入比为30%，含水率为25%时，水泥掺入比与导热系数之间的关系呈线性关系 y=aebx，a=1.372 6，b=-0.028 6，并且可见随着水泥含量的增加导热系数会降低，当水泥掺入比在6% ～8%变化时，导热系数在1.155～0.97 W/m·k范围内变动，水泥含量越多越可以将废铸砂里面的空隙填充，使得试样的空隙减少，密度增加，导热性增加。另一方面，随着水泥含量的增加，水泥与水的水化反应越充分，水化反应消耗的水分越多，剩余水分会少，试样内水分的连续性降低，颗粒之间的水分逐渐被颗粒之间空气代替，从而阻碍了颗粒之间的热流传播，试验结果反映出后一种作用相对前一种大的特点。由表1看出随着龄期的增加导热系数变小，冻结以后的导热系数增大。

(2)橡胶颗粒掺入比对导热系数的影响

龄期为28 d未冻融条件下，水泥掺入比为12%，含水率为25%时的橡胶颗粒掺入比与导热系数之间的关系呈多项式关系 y=ax+b，a=-0.0196，b=1.603，当橡胶颗粒掺入比在0～50%间变化时，导热系数在1.655～0.603W/m·k范围之内变化，随着橡胶颗粒的增加，导热系数会降低，当橡胶颗粒掺入比在0～30%之间变化时导热系数会快速降低，超过30%后降低速度会缓慢。通过观察7 d，28 d未冻融和28 d冻融1次后的橡胶颗粒掺入比与导热系数之间的关系，无论是龄期的变化或冻融条件的变化，导热系数会随着橡胶颗粒掺入比的增加而下降，出现这种趋势的原因:①橡胶颗粒的几何外形是不规则，有棱角的形状，胶结结构与橡胶颗粒周围会出现很多空洞，这些空洞阻碍热流的传播;②随着橡胶颗粒的增加，橡胶颗粒替代胶结材料的量越多，横断面处橡胶颗粒所占面积百分之比逐渐增大，由于橡胶颗粒的导热系数远远小于胶结结构，这种特征直接影响胶结结构的导热系数。

(3)含水率对导热系数的影响

龄期为28 d，未冻融条件下，水泥掺入比12%，橡胶颗粒掺入比30%时的含水率与导热系数之间的关系呈多项式关系 y=a ln(x)+b，a=0.8747，b=-1.896。通过观察7 d、28 d未冻结和28 d冻结后的含水率与导热系数之间的关系，很明显，填料导热系数随着含水率的增加而增加，因为当含水率比较低时，水分首先在颗粒表面形成一层水化膜，使颗粒间形成点接触，继续增加含水量颗粒之间形成的水化膜厚度增大，颗粒之间形成面接触，水分增加了颗粒之间的联系，热导率会继续增大，当含水率达到一定的程度以后，颗粒之间接触会很充分，继续增加水分，颗粒之间形成的有效接触面的增加不会很明显，从而导热系数的增加也不会很明显，所以含水率15% ～25%时导热系数的变化明显，大于含水率25% ～30%范围内的变化，而且由表1可见，在相同的含水率量情况下冻结了以后填料的导热系数比未冻结的大，因为填料放进去冻的过程当中，填料里面的水逐渐变成冰，因为冰的导热系数是水的4倍，所以冻结填料导热系数会大于未冻填料的导热系数。

表1 试样的导热系数数据

续表1

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