由石蜡基相变材料和煤渣改良的粉砂土的冻融性能

唐少容,杜 鹏,李昊天,殷 磊

(宁夏大学 a.土木与水利工程学院,b.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心,c.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心,宁夏 银川 750021)

冻融循环作用可改变土体内部的微观结构,削弱土体的强度,影响土体上部结构的稳定性[1]。大多数的土体改良方法是利用改良剂的化学性质生成新物质,通过增强颗粒间的胶结力提高土体的强度和抗冻融能力[2];但是土体冻胀现象主要源于土中热量的分布不平衡以及水汽的迁移[3-4],这些改良方法并不能应对土中温度场的剧烈变化,因此应探索以调控土体温度场为目标的土体改良方法。

相变材料(phase change material,PCM)是一种新型控温材料,利用固-液相转化过程中产生的潜热调控土体内部的温度场,从而减小冻胀、融缩程度,提高土体抗冻融能力[5-7]。孙斌祥等[8]将不同掺量的微胶囊PCM加入路基粗颗粒土中,发现微胶囊PCM能延缓粗粒土的温度变化,降低粗粒土最大冻结深度值,并能减弱粗粒土的水分迁移能力,缓解土体冻胀;郑永杰等[9]对比研究了固-液PCM和微胶囊PCM对黄土的最大干密度、最优含水率等物理性质的影响;黄英豪等[10]认为微胶囊PCM改良膨胀土在抵抗反复冻融循环问题上具有明显的优势。Kravchenko等[11-12]比较了几种不同的PCM在土中的储热作用,并研究了微胶囊PCM对土壤的解冻作用。Masrur等[13]分别在未处理及C级粉煤灰处理的土中加入不同含量的石蜡基PCM和微胶囊PCM,发现PCM的加入能显著缩短冻融期,降低冻胀率。以上研究表明,PCM能够控制土体温度变化,并改善土体的抗冻融性能。

针对季节冻土区农田输水渠道的衬砌结构因冻融作用而频繁受损的现状,同时为了解决石蜡基PCM的泄露问题,并满足当地火力发电厂煤渣的再利用需求,本文中在渠道土体中加入石蜡基PCM和煤渣作为改良剂,分别制备石蜡基PCM改良土和石蜡基PCM-煤渣改良土,并通过冻融循环试验,对2种改良土的体积变化、力学性质、热稳定性以及微观结构进行对比研究,揭示石蜡基PCM和煤渣用于调控季节冻土区土体温度场的机制。

1 材料与方法

1.1 材料

土体取自宁夏回族自治区西干渠的银川段渠道,取样深度约为1.0 m,呈黄褐色。土体的基本物理性质如表1所示。

表1 土体的基本物理性质

采用BT-2003型激光粒度分布仪(丹东百特仪器有限公司)对土体进行分析,土体粒径分布曲线如图1所示。由图可见,土中粒径<2 μm的黏粒的体积分数为14.68%,粒径≥2～50 μm的粉粒的体积分数为51.81%,粒径>50 μm的砂粒的体积分数为33.51%,根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[14]确定该渠道土体为粉砂土,土体的冻胀性可以划分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀、特强冻胀5个级别,本文中所用的粉砂土属于冻胀性土。

图1 粉砂土的粒径分布曲线

考虑到当地渠道的平均气温,选取的石蜡基PCM(湖北赛默新能源科技有限公司)的相变温度为4.5～5.5 ℃,十四酸丙三酯、十八酸丙三酯、十六酸丙三酯的质量分数分别为80%、10%、10%,相对分子质量分别为723、807、891,热流率为1.58 W/g,在室温下呈液态,无色无味,低于相变温度时为乳白色固体。石蜡基PCM的实物图如图2所示。

图2 石蜡基PCM的实物图

煤渣由银川市西夏区热电厂提供,粒径≤2 mm。煤渣的主要化学成分如表2所示。由表可知,煤渣的主要化学成分为碱性氧化物,因为改良土上部还有一定厚度的用于隔离土与渠水的混凝土衬砌板,所以忽略煤渣对土壤微生物的影响。

表2 煤渣的主要化学成分

1.2 试样制备

制备2种改良土试样,分别为在粉砂土中仅加入石蜡基PCM的PCM改良土、加入石蜡基PCM和煤渣的PCM-煤渣改良土,试样的组分如表3所示。由表3可知,粉砂土的试样编号为S0;石蜡基PCM改良土中,石蜡基PCM的质量分数为5%、8%、10%,试样编号分别为P5S、P8S、P10S;石蜡基PCM-煤渣改良土中,为满足石蜡基PCM吸附率,保证土体强度,煤渣掺量不能过多[15],故煤渣质量分数均定为10%,石蜡基PCM的质量分数为5%、8%、10%,试样编号分别为P5CS、P8CS、P10CS。

表3 试样的组分

在试样制备过程中,按照比例向粉砂土中分别添加石蜡基PCM和煤渣后,搅拌混合均匀并喷洒一定量的水,控制试样含水率为13%～14%;搅拌均匀后装入密封袋,闷料时间为24 h;圆柱形试样高度为80 mm,直径为39.1 mm,采用分层击实法分5层制样,压实度均为95%;将制备好的试样用保鲜膜包裹分组编号,然后放入养护皿中待用,确保试样不与外界接触,避免水分散失。每组试验均制备3个平行试样。

1.3 冻融循环试验

试样养护完成后放入低温试验箱内,冻融循环试验的参数设置如表4所示。因为土的物理力学特性在7次左右冻融循环后即趋于稳定[16],故本试验的最大循环次数设为9次。

表4 冻融循环试验的参数设置

1.3.1 试样体积测试

用游标卡尺测量冻融前、后圆柱形试样的直径和高度。考虑到试样变形具有不均匀性,在高度分别为14、28、42、56、70 mm处测量试样直径,测量上、下表面圆心连线的高度各3次,取测量平均值作为试样的直径和高度。

1.3.2 无侧限抗压强度测试

采用YYW-2型应变控制式无侧限压力仪(河北沧州中科北工试验仪器有限公司)分别对经过0、1、3、7、9次冻融循环的试样进行无侧限抗压强度试验,剪切速率为1 mm/min。

1.3.3 相变温度及潜热测定

采用QL-2000差示扫描量热仪(美国TA仪器公司)测试改良土试样的相变温度和潜热。从室温降至-20 ℃并保持2 min,再将温度升高至20 ℃并保持2 min,再冷却到-20 ℃,冷却和加热速率均设置为5 ℃/min。

1.3.4 SEM电镜扫描

采用JSM-7800F型电镜扫描仪(日本电子捷欧路科贸有限公司)对经历不同冻融循环次数的试样进行电镜扫描,以观察试样在冻融循环前后的微观结构变化。

2 结果与分析

2.1 体积变化率

试样在冻融过程中的膨胀或收缩是衡量土体冻融特性的指标之一。冻结和融化次数对试样体积变化率的影响如图3所示。由图3(a)可见,粉砂土试样S0在冻融过程中的最大体积变化率达到5.2%;P5S、P8S、P10S的体积变化率均小于S0的,说明石蜡基PCM可明显抑制土体冻融变形;石蜡基PCM的质量分数为5%、8%、10%时试样的体积变化率总体上依次减小,表明增大石蜡基PCM含量有利于抑制土体变形;经历4次冻融循环后,P10S的体积变化率逐渐大于P5S和P8S的,这是因为土体间颗粒裂缝发育导致石蜡基PCM大量泄露引起的;9次冻融循环后,P8S的体积变化率仅为2.3%,说明石蜡基PCM的质量分数为8%时,PCM-改良土的体积变化率最小。由图3(b)可见,石蜡基PCM-煤渣试样体积变化率随石蜡基PCM含量的增大而减小,体积率变化得到有效抑制,体积变化特征也更加稳定,这是因为石蜡基PCM吸附在煤渣的小孔隙中,泄露量减少,自身相变特性得到充分发挥,显著减小了土体冻融变形,同时,煤渣中的大孔隙可以容纳土中水冻结成冰时发生的体积膨胀,减轻冻胀对土体结构的不利影响;多次冻融循环后,P10CS的体积变化率逐渐增大,表明煤渣对石蜡基PCM的吸附作用随着冻融次数的增加而逐渐失效,因此,9次冻融循环后,P8CS的体积变化率最小,说明石蜡基PCM的质量分数为8%时,石蜡基PCM-煤渣试样的膨胀或收缩体积最小。

(a)石蜡基PCM改良土

2.2 无侧限抗压强度

冻融循环次数对试样的无侧限抗压强度的影响如图4所示。由图可知,未经冻融循环时,S0、P5S、P8S、P10S试样的无侧限抗压强度分别为178.8、190.3、210.2、199.8 kPa,P5CS、P8CS、P10CS试样的无侧限抗压强度分别为202.3、242.8、224 kPa; 随着冻融循环次数增加,所有试样的无侧限抗压强度均降低,降低速率先大后小。这是因为:土体内部裂缝发育加剧,融溶水进入土体使土体强度减小,因此第1次冻融循环后试样强度的下降幅度最大,S0无侧限抗压强度下降了约40%;9次冻融循环后,P10S试样的无侧限抗压强度最小,表明石蜡基PCM的泄露是导致土体强度下降的重要原因。P5CS、P8CS、P10CS的无侧限抗压强度分别大于循环次数相同时P5S、P8S和P10S的,这是由于煤渣中含有活性氧化硅和氧化铝遇水后游离出高价阳离子,与土矿物成分中的低价阳离子发生离子交换作用,减薄土粒吸附水膜的厚度,增强土粒凝聚力,无侧限抗压强度随之增大[17]。

图4 冻融循环次数对试样的无侧限抗压强度的影响

2.3 差热分析

石蜡基PCM质量分数为8%时,2种改良土的热流率随温度的变化规律如图5所示。由图可见,P8S吸热阶段的热流率为1.48 W/g,峰值温度为1.75 ℃,放热时的热流率为1.59 W/g,峰值温度为4.89 ℃;P8CS吸热时的热流率为1.18 W/g,峰值温度为1.57 ℃,放热时的热流率为1.25 W/g,峰值温度为4.39 ℃。2种改良土在温度作用下的潜热大约为冰水相变潜热的33%～50%,潜热的吸收或释放能在一定程度上缓解温度升降对土体温度场的影响,延缓土体冻结或融化过程,这是PCM改善渠道土体冻融性能的基础。由于煤渣的多孔特性和胶结作用,使P8S的吸、放相变潜热量均大于P8CS的,P8S的DSC曲线中有过冷现象,相变峰比较窄,P8CS的过冷现象减缓,相变峰更宽,表明在试验温度区间内,煤渣和石蜡基PCM的掺入延迟了冰透镜的形成,对于改善输水渠道土体内部温度场,提升土体热稳定性来说具有积极作用。此外,无论是冻结还是融化时期,P8CS的温度区间都比P8S略有滞后,表明P8CS对温度变化不敏感,抗冻融性能稳定,比较适合在实际工程中应用。

(a)P8S

2.4 SEM图像

冻融循环次数为0、1、9时S0、P8S和P8CS试样SEM图像(放大倍数为100)如图6所示。由图可见,在初始状态下(未冻融循环),3种试样的整体性均较好,P8S试样受液态石蜡基PCM的影响,土颗粒略分散,P8CS的连续性比其他2种试样更显著,在宏观上表现为试样的强度逐渐增大。冻融循环次数为1时,S0土颗粒膨胀,孔隙发育,由石蜡基PCM的胶凝作用[10]使2种改良土试样的土颗粒相互连结,而且煤渣对石蜡基PCM的吸附作用使P8CS的结构更加密实。冻融循环次数为9时,S0试样的土体内部孔隙变大,形成明显的贯通裂隙,P8S试样中的裂隙远大于冻融循环次数为1次时的,原因在于冻融循环中石蜡基PCM的泄露使土颗粒间的胶结物质大幅减少,虽然P8CS试样内部出现裂隙,但土颗粒膨胀不明显,并出现大、小颗粒分离的现象,颗粒间的胶结物减少,石蜡基PCM形成的连结效应变弱。

(a)S0,未冻融循环

冻融循环次数为9时3种试样SEM图像(放大倍数为2 000)如图7所示。由图可见:与S0相比,P8S中的部分石蜡基PCM呈球状并且“悬浮”于土体之外,宏观表现为冻融循环9次后P8S的强度急剧降低;P8CS试样没有明显的石蜡基PCM“悬浮”现象,这是因为石蜡基PCM被煤渣吸附,泄露减少,仍可以保留在土体中,土体之间的孔隙被石蜡基PCM形成的胶结物质连结,形成具有蜂窝状的混合结构。又由于煤渣中含有活性的氧化硅和氧化铝,因此在P8CS中形成颗粒及矿物的聚合体,进一步提高了P8CS结构的稳定性。多次反复冻融作用在土体形成了许多微细孔隙,使得P8CS中的孔隙通道变得曲折狭小、连通性降低,对流体的流通形成阻碍,在一定程度上抑制了土体的胀缩。

(a)S0

3 结论

在输水渠道粉砂土中加入石蜡基PCM和煤渣,分别制备石蜡基PCM改良土和石蜡基PCM-煤渣改良土,并通过冻融循环试验,对2种改良土的体积变化、力学性能、热稳定性以及微观结构进行对比研究,得到的结论如下:

1)石蜡基PCM可提高土体的抗冻融性能,但随着冻融循环次数的增大,石蜡基PCM改良土的体积变化缺乏稳定性,石蜡基PCM的质量分数为8%时,石蜡基PCM改良土的体积变化率最小;煤渣能减少石蜡基PCM的泄露,使土体冻融变形更加稳定;石蜡基PCM-煤渣改良土的体积变化率随石蜡基PCM含量的增大而减小,但煤渣对石蜡基PCM的吸附作用随着冻融次数的增加而逐渐减弱;冻融循环次数为9、石蜡基PCM的质量分数为8%、煤渣质量分数为10%时的石蜡基PCM-煤渣改良土体积变化率最小,抗冻融性能最佳。

2)随着冻融循环次数增加,所有试样的无侧限抗压强度均降低,降低速率先大后小。冻融循环9次后,石蜡基PCM质量分数为10%的石蜡基PCM改良土的无侧限抗压强度最低。煤渣可减缓土体强度的下降程度,添加质量分数为10%的煤渣后,在冻融循环次数和石蜡基PCM质量分数相同的条件下,石蜡基PCM-煤渣改良土的无侧限抗压强度均大于石蜡基PCM改良土的。

3)石蜡基PCM质量分数为8%时,石蜡基PCM改良土和石蜡基PCM-煤渣改良土在温度作用下的潜热大约为冰水相变潜热的33%～50%,潜热的吸收或释放能在一定程度上缓解温度升降对土体的影响,延缓土体冻结或融化过程。石蜡基PCM质量分数为8%时,石蜡基PCM改良土的吸、放相变潜热量均大于石蜡基PCM-煤渣改良土的。

4) 随着冻融循环次数的增加,粉砂土的整体性逐渐变弱,颗粒膨胀,孔隙发育,逐渐形成贯通裂隙。由石蜡基PCM形成的胶结物质使2种改良土试样的土颗粒相互连结,而且煤渣对石蜡基PCM的吸附作用减少了石蜡基PCM的泄露,使改良土的结构更加密实,控制温度场的效果更稳定。

将石蜡基PCM和煤渣共同掺入粉砂土,不但能改善输水渠道土体内部的温度场,提升土体的热稳定性,减轻对季节冻土区渠道衬砌结构的冻害,而且还提高了煤渣的利用率。

利益冲突声明(Conflict of Interests)

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献(Author’s Contributions)

唐少容和杜鹏进行了方案设计,李昊天和殷磊参与了论文的写作和修改。所有作者均阅读并同意了最终稿件的提交。

The study was designed by TANG Shaorong and DU Peng.The manuscript was written and revised by LI Haotian and YIN Lei.Both authors have read the last version of paper and consented for submission.