新疆硫酸盐路基盐渍土的导热系数的研究

张灵通　杨保存　李寿宁

(塔里木大学水利与建筑工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)



新疆硫酸盐路基盐渍土的导热系数的研究

张灵通杨保存李寿宁*

(塔里木大学水利与建筑工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)

摘要硫酸盐渍土的盐-冻胀先决条件是温度的变化。土壤的温度变化速率是有其导热系数决定的，本试验采用热线法对试验土样不同含盐量、不同含水率、不同干密度的导热系数进行分组测量分析，以优化路基土内的含盐量、含水率、干密度来控制减慢路基内的温度下降速率，减轻硫酸盐盐渍土地区道路病害的发生。

关键词盐渍土； 含盐量； 含水率； 干密度

随着西部大开发战略的深度不断加大，新疆新建和改建的道路不断增加，然而在新疆境内分布着大面积的硫酸盐盐渍土，其路基内主要破坏为盐-冻胀变形破坏，原理为盐渍土中的硫酸盐随着温度的降低，其溶解度减小，吸水后形成芒硝，体积膨胀[1]。在温度升高时硫酸盐失水而体积变小，土体随之会疏松，所以在含有硫酸盐的盐渍土中会存在这种体积随温度而发生明显变化，引起地表土体的膨胀与疏松现象，从而导致路基路面出现变形破坏，造成路面竖向不均匀变形，形成纵横裂缝，甚至波浪鼓包等现象[2-5]。不但严重影响当地交通，而且对经济也造成了很大损失，所以对新疆硫酸盐盐渍土的导热系数的研究很有必要，通过室内模拟试验分析不同含盐量、含水率、干密度对导热系数的影响，从而可以通过优化各个影响因子，为以后的硫酸盐渍土地区新建或改建道路提供参考，减少减轻道路病害的发生。

1试验方法及装置

1.1试验方法

热线法是利用测量热丝的电阻来测量物质导热系数的，其测定的基本原理是假定在各个方向同种性质无限大且均匀分布的物质中放入一根长度无限长、直径无限小、内部温度相同的线热源，试验开始前线热源和要测量的物质处于热平衡状态，热源的输出功率是恒定的，加热丝和测量的物质温度升高的速度都与物质的热物理性质参数有关，通电一段时间后，线热源及其周围的物质温度就会随之升高，由线热源的温度的变化即可计算得出被测物体的导热系数[6]。在热线法中一般常用的有热线比较法、交叉线法和平行线法三种，在本次研究试验方法中采用的是最常见的交叉线法。

交叉热线法的导热系数计算公式为：

式中：λ为被测物质导热系数，W/(m·℃)；q为热线单位长度加热功率，W/m；t1，t2为加热开始至加热结束的耗时，s；θ1，θ2为加热开始至加热结束的温升量，℃；

由于上面公式计算较复杂，要借助于计算机处理试验数据，不适合手算，在实际应用中一般不采用该公式[7]。为了计算简易方便，通常采用对N组测量时刻热线的温度值和相对应的时间对数做线性回归处理的方法，求出线性回归直线斜率k，斜率k即是温度随着时间对数的变化率，导热系数λ和回归直线斜率k就构成了函数关系式[8-9]。这样就可以得到更为简洁的导热系数计算公式:

式中：l为热线在试样中的有效长度，m；p为热线有效长度的加热功率，p=ql；k为时间对数温升曲线中直线段的斜率。

1.2试验装置

试验主要设备：一个250 mm×100 mm×100 mm的有机玻璃制成的容器，在长度为250 mm两侧面中心各开一个小圆孔，用以引出热线和热电偶的自由端；用直径为0. 5 mm的镍铬合金丝制作而成的热线，在一次测试过程中，因温度变化较小，其电阻值可认为不变；一个PS-305D数字直流恒压电源；一个Center 309数位温度计；一个可以提供—200～300 ℃的温度变化环境的程控式高温试验箱，温度上下波动度不大于0. 5度，温度均匀度上下浮动不大于0. 5%。

图1　示意图　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2　实物图

序号123456789含水率5555110555含盐量00.51200000干密度1.3751.3751.3751.3751.37513751.3071.4291.674

注：表中各单位为：含盐量%、含水率%、干密度g/cm3

2试验结果及分析

试验开始前，先把要测量的土试样装到玻璃容器内，装好试样后把已焊有热电偶的热丝放入待测试样土的中心位置，等待一会后，当热电偶在试样中的温度变化不大于0. 02 时，打开电源开关，开始记录温度变化值，同一个土试样每间隔10 s采集一次数据，升温时间控制在120 s内。一个试样完成测试后，关闭电源，把容器内的试样清理干净，取出热丝和热电偶，冷却一段时间后，当热电偶温升不再变化时，开始准备下一个试样的测量记录。试验分三组，考虑不同含水量、不同含盐量、不同干密度对硫酸盐盐渍土导热系数的影响[10]。

2.1不同含盐量的导热系数试验

实验选用编号为1、2、3、4的土样，其含水率均为5%，干密度1. 375 g/cm3，含硫酸钠盐量分别为0%、0. 5%、1%、2%。以此来研究在含水率，干密度，颗粒级配相同的条件下，盐渍土不同含盐量对导热系数的影响。

根据实验需要，将测量记录的四组热线温度及分别对应时间对数做线性回归的处理，分别求出回归直线段的斜率k1、k2、k3、k4，将其斜率分别代入公式(2)中计算出导热系数λ1、λ2、λ3、λ4的值，整理得到导热系数和含盐量的关系曲线。

图3　导热系数与含盐量变化关系曲线图

从图3中可以得出：开始时硫酸钠盐盐渍土的导热系数随着其含盐量的增加而增加，但增加到某一含量后随着含盐量的增大反而降低，这是因为随着盐渍土含盐量的增加，土颗粒间的空隙就会被越来越多的盐颗粒和盐溶液所填充，造成了其导热不均匀，故其导热系数也就随着其盐含量的增加而减小。

2.2不同含水率的导热系数试验

试验选用编号为5、6、7的土样，其含盐量均为0%，干密度1. 375 g/cm3，含水率分别为1%、5%、10%。以此来研究在含盐量，干密度，颗粒级配相同的条件下，盐渍土不同含水率对导热系数的影响。

试验步骤及计算方法与不同含盐量的导热系数实验一样，将最终得到的λ5、λ6、λ7的值与对应的不同含水率整理后如图4所示：

图4　导热系数与含水率变化关系曲线图

从图4中可以得出：在试验范围内，硫酸钠盐盐渍土的导热系数随着其含水率的增大也在不断的增加。这是因为当盐渍土含水率很小时，随着水分的增加，土颗粒间的空隙逐渐被水分所取代，水分的导热系数要明显高于空气的导热系数，土颗粒间接触点上不断出现的水膜也减小了土颗粒间的接触热阻，所以其导热系数不断增大。

2.3不同干密度的导热系数试验

试验选用编号为1、7、8、9的土样，其含水率5%，含盐量均为0%，干密度分别为1. 375 g/cm3、1. 307 g/cm3、1. 429 g/cm3、1. 674 g/cm3。研究在含盐量，含水率，颗粒级配相同的条件下，盐渍土不同干密度对导热系数的影响。

图5　导热系数与干密度变化关系曲线图

从图5可以得出：在一定的干密度下，导热系数随着干密度的增加而增大。这是因为随着干密度的增大，土颗粒间更多的空气被排挤出来，空隙越来越小，颗粒接触也就越来越紧密，热阻变小，热传导更加顺畅，其导热系数增大。

2.4试验结果的拟合分析

对以上所有实验数据，根据最小二乘法原理利用Matlab编程软件对含盐量、含水率、干密度、进行拟合综合分析：

图6　不同因素对导热系数变化速率曲线

从图6可以得出，含盐量对对导热系数的变化速率影响最大，含水率次之，干密度最小。

3结论

通过试验可以看出硫酸盐盐渍土的含盐量、含水率、干密度均对其导热系数有着不同程度的影响，含盐量对对导热系数的变化速率影响最大，含水率次之，干密度最小。所以新疆硫酸盐盐渍土地区新建或改建道路首先要做好控盐防水，对填筑的路基土要充分压实防止盐分聚集和水分进入路基内。由于试验土样有限和试验所使用的设备在测量时也难免出现一些误差，在后期工作中将对试验方法和实验设备做进一步改进。

参考文献

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[3]杨保存,刘新荣,汪为巍,等. 阿拉尔市区道路盐-冻胀变形破坏机理与成因分析[J]. 塔里木大学学 报,2009,21(2):1-6.

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[9]国家技术监督局。GB10297-98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.

[10]曹福贵. 硫酸盐渍土地区路基水、热、盐、力四场耦合效应的室内和现场试验分析及现场试验路数值模拟研究[D].长安大学,2009.

Experimental Study on Thermal Conductivity of

Sulfate Saline Soil Subgrade of Xinjiang

Zhang LingtongYang BaocunLi Shouning*

(College of Water Resource and Architectural Engineering，Tarim University，Alar，Xinjiang 843300)

AbstractSulphate saline soil salt - frost heave prerequisite is the change in temperature. Soil temperature change rate is determined by its coefficient of thermal conductivity, this experiment adopts the hotline method to test soil sample of different salt content, moisture content, dry density grouping coefficient of thermal conductivity measurement analysis, to optimize the subgrade soil salt content, moisture content, dry density to control the temperature of the subgrade in slow decline rate, reduce the damages of sulfate saline soil area.

Key wordssaline soil； the salt content； the moisture content； dry density

中图分类号：S29

文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2015.04.012

文章编号：1009-0568(2015)04-0078-05

通讯作者*为E-mail：1525900551@qq.com

作者简介：张灵通(1988-)，男，2013级硕士生，研究方向为农业水土建筑。E-mail：854913405@qq.com

基金项目：国家自然科学基金(51168042)

收稿日期：2015-04-07