基于热线法测量硫酸盐渍土导热系数的研究

王强 李寿宁

(塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

硫酸盐渍土的盐胀对路基有极大的破坏作用，其盐胀的发生主要与硫酸盐渍土中芒硝(Na2SO4·10H2O)的结晶有关，随着温度降低，硫酸钠溶解度减小，吸水后形成晶体，体积膨胀［1］，因此，降温作用是硫酸盐发生膨胀的动力条件，研究发现随着硫酸盐渍土中降温速率的减小，硫酸盐渍土的盐胀率不断增大［2］。导热系数是土体传递热量的一种能力，导热系数越大，则土体降温速率也越大，本实验通过对不同含盐量、不同含水率及不同干密度的硫酸渍土导热系数的测定，分析含盐量、含水率、干密度对硫酸盐渍土导热系数的影响，进而通过优化盐渍土路基中的含盐量、含水率及密度，达到改变盐渍土路基导热系数，进而对路基中的降温速率进行一定控制的目的，以便减小盐胀危害。

1 测试原理

热线法是测定材料导热系数的一种非稳态方法。它的基本原理是在均质均温的试样中放置一根电阻丝，即所谓的“热线”，一旦热线在恒定功率的作用下放热，则热线和热线附近试样的温度将会升高，根据其温度随时间的变化关系，就可确定试样的导热系数。这种方法不仅适用于干燥材料，而且还适用于含湿材料［3］。已被很多人证实了该方法的科学性和可靠性［4－7］，热线法的原理模型如图1所示。

2 实验装置与结果

2.1 实验装置

本实验中采用热线法中较常见的交叉线法［8］，实验装置如所图2 所示。

图2 实验装置图

实验中，将热电偶焊接与热线中间，另一端引出与数位温度计连接作为测量探头，在有机玻璃两端钻有圆形小孔使热线从两端穿出，但露出不宜过长，以免影响实验结果准确性，实验过程中，热电偶采用偶丝直径为0.3 mm的K 分度镍铬—镍硅热电偶，热线采用0.5mm的镍铬合金丝，这是因为它在温度变化较小时，电阻值可视为定值;实验电源采用PS－305D 数字直流恒压电源，电压测试范围0～32V，电流范围0～5 A，电源稳定度≤0.01% +2 mV;实验所用温度计为Center309 数位温度计，测温范围－200～137 0℃，万用表为DT9205 数字万用表，电流精度0.01 A。装试样的盒子尺寸为200 mm×100 mm ×100 mm的有机玻璃盒，实验计算公式如下［9］:

式中:λ——所测材料的导热系数，W/(m ﹒℃);P——热线单位长度的加热功率，W/m;t1、t2——数据记录不同时刻热线的温度，℃;τ 是开始加热时至数据记录结束时的时间，s。

因使用该公式计算较为繁琐，可以通过对n 组测量时刻的热线温度和对应时间对数作线性回归处理，求得回归直线斜率k，这个斜率就是温度随时间对数的变化率，这样导热系数只是热线加热功率和回归直线斜率的比例函数［10］，就可以得到下面这个更为简洁的导热系数计算公式［6］:

式中:L——热线有效长度(即在试样中的长度)，m;P——热线有效长度加热功率，P=qL;K——时间对数一温升曲线中直线段的斜率，即:温升与相应时间对数变化的比值。

2.2 实验过程及结果

实验中，装好试样，将焊接有热电偶的热线放入试样中部，待试样中热电偶温度变化小于0.02℃/min 时，打开电源开始进行试样的测量，同一试样数据采集间隔为10 s，升温时间不超过2 min，在一组试样测试完毕后，取出试样、热电偶和热线，关闭电源，待热电偶温升变化稳定后进行下一组试样的测量。

2.2.1 不同含盐量的实验

实验主要进行含水量、密度、级配相同，含盐量不同的盐渍土的导热系数的测量，以研究盐渍土含盐量对盐渍土导热性能的影响。实验中所配盐渍土中含盐种类为Na2SO4，试样分为四组进行，其含水量为5%，密度为1.675 g/cm3，含盐量分别为0%、0.5%、1%、2%。

将所测得的热线温度和对应的时间对数做线性回归处理，求得回归直线的斜率即为公式(3)中的K 值即为导热系数，将结果整理得到如图3 所示的导热系数随含盐量变化曲线。

图3 导热系数与含盐量关系图

通过图3 可以看出，硫酸盐渍土导热系数与其含盐量成二次函数关系，导热系数随含盐量增大到一定程度后会随着含盐量的增加而减小，这是因为盐溶液、盐颗粒与土颗粒的导热系数不同，随着含盐量的增加，更多的盐溶液和盐颗粒填充了土颗粒间的空隙，使得盐渍土的导热不均匀也使得导热系数随含盐量的增大而减小。

2.2.2 不同含水量的实验

参照实验2.2.1 方法，实验主要进行含盐量、密度、级配相同，含水量不同的盐渍土的导热系数的测量，实验分为三组进行，将所测得的导热系数数据进行分析得到如图4的导热系数随含水率的变化曲线。

图4 导热系数与含水量关系图

通过图4 可以看出在一定范围内，导热系数与含水量成线性关系，硫酸盐渍土导热系数随着含水量的增加而增大。

2.2.3 不同干密度的实验

与前两项实验方法相同，该项实验主要进行含盐量、级配、含水率相同，干密度不同的盐渍土导热系数的测量，实验分为四组进行，将所测得的导热系数数据进行分析得到如图5的导热系数随密度的变化曲线。

图5 导热系数与干密度关系图

图5 所示总体来看，导热系数随干密度的增大而增大。这是因为密度越大则土颗粒间的空隙越小，土体中颗粒间接触更紧密，促使热的传递更通畅，导热系数越大。

2.3 实验数据拟合

综合以上实验结果对所有实验数据采用最小二乘法原理利用matlab 进行拟合分析，如图6 所示，可以看出对导热系数影响最大的为含盐量，其次是含水量，干密度对导热系数影响最小。

图6 导热系数影响因素分析表

3 结论

实验运用热线法对不同含盐量、不同含水率以及不同干密度的硫酸盐渍土导热系数进行了测量，通过实验数据整理分析可以看出含盐量、含水量和干密度对盐渍土的导热系数有影响，其中对导热系数影响最大的为含盐量，含水量次之，干密度对导热系数影响最小。当然实验中由于仪器和一些理想化，不可避免存在一些误差，可以在以后做一些改进:如采用更为精密的仪器、采用连接计算机自动采集读数等方法。

［1］钱玉林.盐渍土力学性状改性试验研究.工程勘察.2003(5):1－2.

［2］彭铁华，李斌.硫酸盐渍土在不同降温速率下的盐涨规律［J］.冰川冻土1997:252－257.

［3］国家技术监督局.GB 10297－98 非金属固体材料导热系数的测定方法(热线法)［S］.北京:中国标准出版社，1998:1－4.

［4］陈善雄，陈守义.砂土热导率的试验研究［J］.岩土工程学报，1994，16(5):47－51.

［5］李才对.非稳态法测量不良导体导热系数的研［D］.昆明:昆明理工大学机电工程学院，2003.

［6］范有明，宁练，时章明，等.热线法快速测量微粒导热系数的研究［J］.工业计量.2006，16(6):1－3.

［7］徐桂转，梁新，岳建芝.利用热线法对松散类生物质导热系数的测试［J］.可再生能源，2004，22(3):23－25.

［8］国家技术监督局.GB/T 5990－2006 耐火材料导热系数试验方法(热线法)［S］.北京:中国标准出版社，2007:1－4.

［9］沈显杰，杨淑贞，张文仁.岩石热物理性质及其测试［M］.北京:科学出版社，1988:55－68，71，81，82.

［10］钟继贵.误差理论与数据处理［M］.北京:水利电力出 版社，1992:88－92.