室内岩土热物理指标的试验方法及试验要点的探讨

李慧芝　赵亚品

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

1　热物理参数的意义

热物理指标是反映岩土体导热、导温、储热等能力的指标，一般包括导热系数、导温系数和比热容等。导热系数是指在稳定传热条件下，1 m厚的材料，两侧表面的温差为1 ℃，在1 s内，通过1 m2面积传递的热量;导温系数表示土体在加热或冷却时，各部分温度趋于一致的能力，也称为热扩散系数，是研究温度场变化的重要指标;比热容指单位质量的某种物质升高单位温度所需的热量。

隧道周围的土壤是一个很大的容热体，夏季地层从空气中吸热，降低隧道空气温度，冬季则反之，地层向隧道空气放热。据资料统计，传进地铁隧道周围土壤的热量占地铁产热量的25%～40%。而天然土层的密度、湿度和化学成分千变万化，不同的天然土材料有着不同的热物理指标，其传热性能也千变万化，土壤热物理指标的测试准确度对降低地铁造价(庞大的空调系统的设置)，节省能源(大量的电能消耗)和环境控制等方面有着不可忽视的作用。

2　室内确定岩土热物理指标的试验方法

岩土属于多孔介质，其物理性质受温度、密度、含水量及化学成分等因素的影响。热物理性质的确定方法，可在实验室和现场直接测定。

2.1　导热系数

指标测定：试验方法可分为稳态法及瞬态法；根据热源的几何形状可分为热线法、热条法及面热源法；根据热源的几何形状可分为热线法、热条法及面热源法。本实验室采用面热源法，即给试样施加一定的温度梯度，并使其达到稳定热状态，进而确定介质导热系数。

2.2　比热容

根据牛顿冷却定律，用冷却混合法测定物质的比热容是热学中常用的方法。以水为标准样品来测定岩土的比热容：将一定质量，加热到恒温的岩土样放入盛有一定质量水的保温瓶中，根据热电偶的温度测定，通过岩土样的热量释放和水的热量吸收，准确测量出试样和水的热传递过程及达到温度平衡的状态，计算出岩土的比热容。

2.3　导温系数

导温系数的试验方法有谐波法、薄板法、空心板法和正规状态法等。前三种方法都用于现场直接测试。正规状态法属于室内试验，其主要原理是根据不稳定热传导过程中的正规状态原理，把恒温试样投入到恒温介质中，当试样和介质间存在温差时，试样中各点的温度随着时间的变化将经历三个阶段：初始阶段受外界情况的影响，试样中各点的温度变化速度不同；经过一段时间后进入正规状态，试样中各点的温度变化速度相同；最后经过相当长得时间，试样和介质温度逐步达到平衡。相对于比热容而言，导温系数的试验方法及仪器较为复杂，环境温度不宜控制，所以在试验测得比热容和导热系数的前提下，也可测试比热容，用比热容和导热系数来计算导温系数。

导温系数计算公式

式中α——试样的导温系数(m2/h)，准确至0.000 01 m2/h；

λ——试样的导热系数(W/(m·K))；

C——试样的平均比热容(kJ/(kg·K))；

ρ——试样天然密度(kg/m3)，准确至0.01 kg/m3。

3　室内确定岩土热物理指标的影响因素及试验注意事项

到目前为止，国内还没有关于岩土热物理指标试验的规范性试验方法。我试验室目前采用面热源法获取导热系数，用混合法获取比热容，利用试验所得的导热系数和比热容数据计算导温系数。多年来，经过试验获取了大量的试验数据和试验经验，从以下几个方面说明室内确定岩土热物理指标的影响因素和试验注意事项。

3.1　取样

土的热物理指标是整体反映土体导热、导温、储热等的能力，对于原状土的热物理试验，要求在钻探取样过程中，采用大孔径的薄壁取样器，并注意保证所取土样的完整性和代表性，在运输过程中要保持原状，不能出现失水、扰动等情况，否则试验所得的结果就失去了意义。

3.2　试验状态

在导热系数的试验中，试样放在冷热面正中间，旋转加压框手轮压紧试样。要保证试样平面的平整性，使试样与冷热板面密切贴合，可在试样两端面涂上少量导热硅脂，以保证两者之间的接触。如果两者接触不好，土样需要更长的时间达到温度的平衡以及造成热量散失，在此过程中会造成土样内部水分的跟随热流流动，使得最终测得的导热系数偏小。如果接触非常不好的话，最终结果会超出误差允许，偏离了土样本身的热物理性能指标。

3.3　样品尺寸

勘察现场钻探取样用的标准样品筒规格一般为(118×200) mm，而热流计有效工作表面的面积为90 mm×90 mm，所以，取90 mm为制取试件的最大直径。对于面积相同的试件，其高度不同，测得的导热系数也不尽相同，当其高度较小时，导热系数随着高度的增加而增加；当其高度较大时，导热系数随着高度的增加而减少，这说明为了充分的体现材料的导热性能，存在着一个试件的最小厚度。考虑到散热以及状态稳定的因素，试件不能过厚，即存在着一个材料的最大厚度的问题。经大量试验证明，试件高度大于40 mm以后，土样的导热系数增加值仅为1.2%左右。所以，在该种热流计面积的情况下，认定当直径为90 mm时，高为40～50 mm的试件尺寸为最佳(高径比为1∶2左右)。但是，在热流计面积发生改变的情况下，试件的高径比宜重新选择，不可一概而论。

3.4　试验温度设置

多次重复试验证明，加热板温度在38～71 ℃区间时，同一种试件(石英或土样)其导热系数值呈现随加热温度递增而递增现象，递增率为0.7%～6.0%。加热温度在50 ℃之前，每个加热温度区间的导热系数递增率较大，而在50 ℃及以后的加热温度区间，导热系数递增率较小。不同含水率、湿密度及饱和度的状态下，随着热面温度的增加，其导热系数的差值有递减的趋势。

3.5　比热容

大量的试验发现，比热容试验主要的影响因素是土样、水样质量的选定和土样加热到稳定的温度选择，通过传热稳定时间的比选和试样容器大小的综合考虑，选定土样质量在50 g左右，常温水样质量在150～200 g范围之内。可根据季节，土样加热到的恒温温度，比测试时的环境温度高出25 ℃左右即可。

4　结论

对室内确定岩土热物理指标的影响因素进行了分析。为了更好反应土体导热、导温、储热等能力，获取导热系数、比热容和导温系数几项指标，在取样和试验过程中应该注意以下几项：

(1)选择的土体必须具有代表性，必须保持天然结构及含水率。

(2)试件尺寸应选择大于等于热流计工作面积并符和一定的高径比(1∶2左右)。

(3)根据季节性室温选择加热设定温度，一般选择高于室温25 ℃，使得试件传热稳定后的冷热面平均温度接近室温。

(4)比热容试验中，可根据季节，设置的恒温温度比环境温度高出25 ℃左右为宜。

[1]王景莉,等.哈尔滨轨道交通勘察岩土热物理指标的测定[J].黑龙江科技论坛,2009(20)

[2]朱帆济,等.武汉地区三级阶地黏性土热物理性质试验研究[J].建筑科学,2011(5)

[3]逯兰.多年冻土原状样导温系数的测定[J].低温建筑技术,2008(6)

[4]GB/T 10295—2008绝热材料稳态热阻及有关特性的测定：热流计法[S]