不同温度环境下珊瑚钙质砂导热系数试验

杨二静, 曾召田, 车东泽, 潘 斌, 付慧丽

(1.桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室, 广西 桂林 541004; 2.黄河水利职业技术学院, 河南 开封 475004)

0 引 言

近年来, 随着我国南海岛礁建设的大力发展, 珊瑚钙质砂由于运输成本低、 来源广泛、 易于就地取材等优点, 被作为一种常见的建筑材料广泛应用于各类军事、 民用工程建设中。国内外学者针对珊瑚钙质砂的工程地质特征[1-3]、 颗粒破碎特性[4-6]、 物理力学性能[7-10]等方面进行了大量研究, 取得了丰富的研究成果。譬如, 孙宗勋[2]对南沙群岛珊瑚砂的工程性质进行了全面研究; 袁征等[3]总结了珊瑚礁岩土工程地质特性的研究现状, 指出了下一步的研究重点; Shahnazari等[4]、 吕亚茹等[5]、 张家铭等[6]分别研究了钙质砂颗粒的易破碎性及对其工程性状的影响; 刘崇权等[7]总结了钙质砂的力学性质研究现状和发展趋势; 王丽等[8]研究了钙质砂的胶结性对力学性质的影响规律; 刘汉龙等[9]和郑俊杰等[10]分别研究了MICP胶结钙质砂的动力特性、 强度特性等。 但是上述文献的研究重点均是针对珊瑚钙质砂的物理力学特性, 从强度、 变形等角度评价其作为建筑材料的使用安全性, 对于珊瑚钙质砂这类材料的导热性能方面却鲜见报道。尽管付慧丽等[11]基于热针法测得了不同条件下南海钙质砂的热传导性能, 分别探讨了含水率、 干密度、 温度、 颗粒粒径等多个因素对钙质砂热导率的影响, 但未考虑到不同温度环境下珊瑚钙质砂的热导率变化问题。

作为海岛工程的常用建筑材料, 珊瑚钙质砂在不同温度环境下的热传导特性变化是一个值得关注的问题。珊瑚礁钙质砂地基已面临或即将面临众多高温环境问题[12], 例如我国海洋经济的支柱产业——海洋油气资源开采, 2018年2月27日中新社报道: 铺设于珊瑚礁钙质砂沉积海床上的南海东方13-2气田海域195 km的海底油气管线竣工, 海底油气的初始温度达到了80 ℃以上, 并在运输过程中通过管壁向周围土体传递热量, 其运行状况直接关系到海上油气田的安全。此外, 随着珊瑚礁钙质砂的开发利用日益增多, 譬如能源桩、 供气供热管道、 埋地输电线缆、 地铁公路隧道、 热活性路堤、 高放废物处置等工程[13]都需要掌握和了解不同环境温度下珊瑚礁钙质砂工程力学性能的变化规律及其引起的灾害效应。在上述工程实践中, 珊瑚钙质砂热传导性能影响着周围土体的传热过程, 是分析地层中能量平衡、 热湿迁移规律和土壤温度分布特征等的一个关键因素[14], 在各项工程设计和研究诸多环节中具有不可或缺的地位。

实际上, 环境温度场对珊瑚钙质砂热导率的变化主要有两方面的影响: 一方面, 不同环境温度直接影响着钙质砂的热导率变化, 表现为温度-热导率的变化关系; 另一方面, 环境温度场的变化引起钙质砂地基中水分迁移发生含水率的变化, 进而影响到钙质砂热导率的变化, 表现为含水率-热导率的变化关系, 这是环境温度对钙质砂热导率的间接影响。因此, 本文基于热探针法测定不同温度环境下珊瑚钙质砂的导热系数变化特征, 探讨环境温度、 试样含水率两个因素对珊瑚钙质砂导热系数的影响规律, 提出一个考虑不同温度环境作用的珊瑚钙质砂导热系数计算模型, 为解决海岛建设中“热”问题相关的珊瑚钙质砂工程实践及地质灾害提供理论依据和技术支持。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验用珊瑚钙质砂取于南海某岛屿, 为米白色颗粒, 粒径均大于0.075 mm, 如图1所示。选取粒径为0.075～2.000 mm的珊瑚钙质砂颗粒, 采用筛分法进行颗粒级配分析, 以煤油为介质进行土粒相对密度试验， 珊瑚砂钙质砂的基本物理性质指标见表1, 粒径分布曲线见图2[11]。

图1 珊瑚钙质砂颗粒

图2 珊瑚钙质砂粒径分布曲线

表1 珊瑚钙质砂的基本物理性质指标

目前的珊瑚钙质砂工程实践中一般环境温度为20～80 ℃, 因此本试验设定了4个环境温度(20、 40、 60、 75 ℃)来模拟岛礁工程建设中的不同温度环境。

上述环境温度控制过程均在GDJS-360恒温恒湿试验箱中进行, 其控温范围为0～120 ℃, 温度分辨率为0.1 ℃, 控温精度为±0.5 ℃。

1.2 试验过程

① 材料准备: 将过2 mm筛的珊瑚钙质砂作脱盐处理[15], 放入105 ℃烘箱烘干至恒重备用。

② 喷水焖样: 按照含水率5%、 10%、 15%、 20%、 25%、 30%和35%分别配制各组珊瑚砂混合料, 密封静置24 h。

③ 静压制样: 按照干密度ρd=1.20 g/cm3称取一定质量的上述珊瑚砂混合料置于PVC模具中, 采用静压法分2层制成圆柱形试样(h=60 mm,Φ=75 mm), 并用薄膜和黑胶布密封好, 以防止水分蒸发， 每个含水率各制备2个平行试样, 质量差小于0.5 g， 共制备了7组14个试样。

④ 恒温养护: 将上述试样分组放入恒温恒湿箱内进行恒温养护12 h, 使试样内部温度稳定、 水分均匀分布; 7组试样依次在20、 40、 60、 75 ℃下进行恒温养护和导热系数测试。

⑤导热系数测试: 使用KD2 Pro土壤热分析仪分别测定上述处理完毕后的珊瑚钙质砂试样的导热系数[11], 如图3所示。 为了减少试样不均匀性的影响, 在每个试样的5个不同位置(中心位置1个孔、 中心与边界中间4个孔)分别量测3次(每次间隔10 min), 取平均值作为最终导热系数测定值。

图3 珊瑚钙质砂导热系数测试过程

2 试验结果与讨论

2.1 环境温度对珊瑚钙质砂导热系数的影响

图4为各含水率下珊瑚钙质砂导热系数λ随温度T的变化曲线。可知, 在含水率w保持不变的情况下, 珊瑚钙质砂导热系数λ值随着温度T值的递增而加, 二者呈现出良好的指数关系(R2=0.783 7～0.991 6)。以w=10%试样为例, 环境温度T依次经历20 ℃→40 ℃→60 ℃→75 ℃变化时, 导热系数λ依次为0.451、 0.640、 0.863、 1.239 W/(m·K), 增幅Δλ(前后二者的变化量)依次为0.189、 0.223、 0.376 W/(m·K); 相比于室温(20 ℃)条件下的λ值0.451 W/(m·K), 40、 60、 75 ℃时试样的λ提高值δλ分别为0.189、 0.412、 0.788 W/(m·K), 提高倍数f(各温度下的λ值与20 ℃时λ值的比值)依次为1.42、 1.91、 2.75。同样地, 其他含水率试样也具有类似的变化规律。

图4 珊瑚钙质砂导热系数随环境温度的变化曲线

为了更好地体现上述变化规律, 将各含水率下试样的导热系数变化参数(增幅Δλ、 提高值δλ、 提高倍数f)整理成表2。由此可知, 珊瑚钙质砂试样的导热系数λ随着环境温度的升高而提高, 温度越高, 其提高值δλ越大(图5a); 同时, 各含水率下珊瑚钙质砂试样的δλ-T曲线以60 ℃为分界点呈分段递增趋势, 两阶段的增长速率明显不同: 当20 ℃≤T≤60 ℃(阶段Ⅰ——低温状态)时,δλ随T缓慢递增, 当T>60 ℃(阶段Ⅱ——高温状态)时,δλ随T急剧递增。珊瑚钙质砂导热系数的提高倍数f亦呈现上述一致的变化规律(图5b), 不同温度下试样f的变化范围为1.01～3.46, 即相比于室温(20 ℃)条件下的λ值, 75 ℃时w=5%试样的λ值提高倍数最大(fmax=3.46)。

图5 不同含水率下珊瑚钙质砂的δλ-T(a)和f-T(b)曲线

表2 不同环境温度和含水率条件下试样导热系数的变化参数

上述珊瑚砂导热系数λ随环境温度T的变化规律可以从水汽潜热传输效应方面进行解释: 徐云山等[16]认为水蒸气在岩土材料孔隙中的迁移会促进其内部的热量传递; 对于本试验而言, 当温度T升高时, 珊瑚砂试样孔隙中的水分子在试样内部运动加剧(即形成热对流),T越高, 水分子运动越激烈, 热对流越强烈, 热量传递越多, 试样导热系数增长幅度Δλ越大, 因此温度对导热系数的影响主要取决于试样内水蒸气的潜热传输作用。

2.2 含水率对珊瑚钙质砂导热系数的影响

图4、 5同时表明, 不同环境温度下珊瑚钙质砂的导热系数和试样含水率也具有密切的关系。 为了更直观地分析含水率w对珊瑚钙质砂导热系数λ的影响, 将珊瑚钙质砂导热系数随含水率的变化整理对比如图6所示。

图6 不同环境温度下珊瑚钙质砂导热系数λ随含水率w的变化曲线

含水率w极大地影响着珊瑚钙质砂导热系数λ的变化,所有试样的λ均随着w的增加而递增,二者呈现出良好的幂函数关系(R2=0.865 3～0.991 1); 以室温(20 ℃)条件下的试样为例, 含水率w由5%依次变化到10%、 15%、 20%、 25%、 30%、 35%时,λ值由0.335 W/(m·K)分别变化到0.451、 0.571、 0.630、 0.725、 0.852、 0.871 W/(m·K), 增加值Δλ依次为0.116、 0.236、 0.295、 0.390、 0.517、 0.536 W/(m·K), 增长幅度依次变大。

上述变化规律可以这样解释: 珊瑚钙质砂是由固体(钙质砂颗粒)、 液体(孔隙水)和气体(空气)三相组成的多孔介质, 其固体成分和骨架结构是不变的, 但钙质砂内部孔隙由水和空气填充(图7a)。根据《土壤热物理学》[17]可知, 液相(孔隙水λw=0.605 W/(m·K))的导热系数约为气相(孔隙气λa=0.024 W/(m·K))的25倍, 因此, 相同条件(干密度ρd=1.20 g/cm3)下珊瑚钙质砂的导热系数λ直接取决于液相(孔隙水)的导热系数; 由于钙质砂自身含有丰富的内孔隙结构, 随着含水率w的增大, 导热系数较大的水分作为孔隙填充物, 逐渐取代了孔隙内导热系数较小的原有空气(图7b), 使珊瑚钙质砂的导热系数显著增加; 另一方面, 孔隙内水分的增加在珊瑚钙质砂样品内形成的对流传热方式[18]也有利于其导热系数的增加(图7b、 7c所示)。因此, 在上述两方面因素的影响下, 珊瑚钙质砂的导热系数λ随着含水率w的增加而递增, 国内外学者在红黏土[18]、 压实膨润土[19]、 黄土[20]、 普通石英砂[21]、 胶结钙质砂[22]的研究中都得到了类似结论。

图7 珊瑚钙质砂试样内部热量传递示意图

2.4 不同温度环境下珊瑚钙质砂导热系数计算模型

由上述分析可知, 珊瑚钙质砂的导热系数λ与环境温度T、 含水率w两个因素密切相关。根据各因素与λ的曲线关系(图4的λ-T指数函数与图6的λ-w幂函数), 笔者提出了不同温度环境下珊瑚钙质砂导热系数λ的计算模型:

λ=A·wB+C·eD·T+E,

其中,A、B、C、D、E为计算模型参数。

对上述试验数据进行多元非线性回归分析, 得到模型参数值分别为A=0.978 4,B=0.300 8,C=0.022 4,D=0.045 3,E=0.005 5, 相关系数R2=0.968 2。因此, 上式变为

λ=0.978 4·w0.300 8+0.022 4·e0.045 3·T+0.005 5。

该式即为不同温度环境下珊瑚钙质砂导热系数λ的计算模型。为了验证上述模型的适用性, 将本文试验中20、 40、 60、 75 ℃环境下珊瑚钙质砂的导热系数试验测试值和模型计算值(实心方形符号标记)对比绘制成图8; 另外, 将文献[11]在室温20 ℃下测得的钙质砂热导率λ值和采用本文λ模型的计算值也绘制于图8(空心圆形符号标记)。

图8 λ计算模型的预测值与实测值误差分析

可知, 本文试验中预测值与实测值的大部分数据落在±10%的相对误差线之内, 仅有4个数据超出了此范围(两数据处在-10%相对误差线边缘, 另两个数据处在+20%相对误差线边缘); 文献[11]中的大部分数据落在+20%相对误差线之内, 有两个数据处在+20%相对误差线边缘, 但都在工程误差的允许范围之内。 这说明上述λ计算模型对不同温度环境下珊瑚钙质砂导热系数进行预测具有较高的精度和较好的适用性。

3 结 论

(1) 珊瑚钙质砂导热系数λ值随着环境温度T值的递增而增加, 二者呈现出良好的指数函数关系, 75 ℃时试样的λ值约为20 ℃时试样λ值的1.48～3.46倍; 各含水率下珊瑚钙质砂试样的δλ-T和f-T曲线均以T=60 ℃为分界点呈分段递增趋势, 两阶段的增长速率不同; 温度对导热系数的影响主要取决于试样内水蒸气的潜热传输效应。

(2) 试样含水率w极大地影响着珊瑚钙质砂导热系数λ的变化,λ值随着w的增加而递增, 二者呈现出良好的幂函数关系; 含水率对导热系数的影响主要在于珊瑚钙质砂内孔隙水变化和热对流方式的影响。

(3) 本文提出的不同环境温度下珊瑚钙质砂导热系数λ的计算模型, 通过对比分析证明该计算模型具有较高的预测精度和较好的适用性。