粒径对含湿砂导热系数影响研究

刘晓萌　段磊　王周锋　徐丹丹　杨奇越

摘 要：使用Hot Disk热参数仪，通过研究含水介质的粒径对热参数的影响发现，组成成分相同的介质，随着粒径的增加，热导率逐渐降低。通过对3种粒径的砂样实测值进行拟合，发现两端拟合情况比较好，中间非饱和段有偏差。

关键词：热导率；粒径；含水率；热参数

中图分类号：TB302 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.081

在诸多研究领域和工程基础设计中，岩土的热特性是要考虑的影响因素之一，比如，研究上地幔热结构、地球深部热状态的主要参数，设计地埋管地源热泵空调系统，岩石熔融处置核废料。准确、可靠地测定介质的热参数尤为重要，特别是处于非饱和状态下的含湿介质，因为其内部水分的运移和结构的不稳定，使其成为了研究、关注的热点。

在目前的研究中，人们发现含水率、孔隙度、实验温度等不同，介质的热参数也会受到不同程度的影响。Milo Jerman、Robert Cerny的研究表明，热导率与含水率之间存在函数关系；Gyu-Hyun Go等人针对非饱和风化花岗岩地区热导率建立了可靠的分析模型；Arash Behrang等人通过测试得出饱和度对于砂样有效热导率影响显著；A.Abdou，I.Budaiwi等人的研究表明，测试温度和含水率都会对热导率的测定产生影响。

这些研究大多是从各种因素变化的角度上来考虑介质的热特性变化。在此过程中也发现，对于化学成分相同但粒径不同的沙子的热参数研究甚少，同时，在测定含湿介质时，对其含水率的控制方法不尽相同，试样的静置使得水分下移，从而导致表面测量处的含水率下降，引发测量误差。本文通过一系列的合理实验，在保持砂子成分、实验温度等条件不变的情况下，研究了砂子的热导率与含水率之间的变化规律，以及砂子粒径对其热导率变化的影响。本文利用实验室的Hot Disk热常数分析仪，测定了砂样从干燥到饱和情况下的热导率，同时，就粒径对热导率的影响进行了简单的分析。

1 材料与方法

1.1 试验的基本情况

本次试验使用的Hot Disk热常数分析仪探头型号为5465型，测量半径为3.189 mm，探头处使用镍金属双螺旋结构，并且加以Kapton绝缘膜保护。测量时，假定被测介质为无限大的均质介质，需将探头与试样两侧紧密接触。另外，在探头双螺旋处布置2个加热热源点和2个热温度接收点，探头既是热源又是热信号采集器。

1.2 试验原理

针对之前研究中的不足，文中对单因素——介质粒径对热导率的影响进行了研究。试验选取相同质地的砂子，经筛选分为粉砂、细砂和中砂3种。由光谱分析可知，3种不同粒径的砂样构成成分相同，可确定为同种砂样。至此，用烘干的砂子在室温中配制不同含水率的砂样，混合均匀后用保鲜膜包好，防止水分蒸发。经过对3种沙样做干燥到饱和的一系列试验，可以得出粒径和含水率对热导率的影响。

1.3 试验材料

此次试验选取某河沙，测得其干容重为1.54 g/cm3，经过筛选，将其按粒径分为3类，即粉砂、细砂和中砂。

2 试验过程

已知试验介质组成成分相同，比例相近，所以，改变介质的含水率即可得到不同含水率时热导率的值。对比3种粒径砂子在同一含水率时的热导率值，即可分析出粒径与热导率的关系。具体样品的测试过程如下：①用酒精擦拭仪器探头正反面，确保其干净；②根据测试要求，每次测试用环刀直接压制砂样，取6个样品，环刀体积约为50 cm3；③将探头夹在2个样品之间，确保探头平整，接触严密，压紧后盖上保护罩，等待15 min，使探头和样品充分接触；④测试该粒径的试样在该含水率下的热导率；⑤重复①②③④步，直至获得3种砂样在不同含水率下的热导率值。

3 结果与讨论

经过试验，得到了同种介质3种不同粒径砂样从干燥到饱和的过程，不同含水率所对应的热导率值。砂样热参数实测值及拟合曲线如图1所示。

从图1中可以看出，虽然粒径不同，但是，随着含水率的升高，热导率的变化趋势都是一样的，均呈上升状态。

纵向比较3条曲线发现，3种砂样的变化规律一致——随着粒径的增加，热导率的变化幅度变小，对应的拟合曲线斜率变小。被测砂样可视为固-液-气三相的混合体，颗粒之间的热通过水膜传导，水膜的牵引力减小了颗粒之间的距离，使得导热能力提升。

拟合曲线两端拟合比较好，中间部分出现偏差，这是因为在干燥状态下，受到毛管吸附力等作用，饱和时，会从上半部分渗水补充到探头附近，这与测试手段有关。使用Hot disk时，要求与被测试样接触，并稳定5 min。但是，非飽和砂样在静止状态下，水分会迅速下移，导致测试部位的含水率发生变化，不够准确。特别是探头位于试样中间位置，水分下移，使得实测时含水率发生变化。鉴于这种情况，最后的解决办法是在室温下直接测试，排除温度干扰，以减小温度对水分变化的影响。

4 结论

通过制备同一组成成分、不同粒径、不同含水率的砂子，测试其热导率进，可以得出以下结论：①对于同一组成成分的砂子而言，粒径对热导率的影响显著——随着粒径的增加，热导率变化减缓。②在低含水率期间，测试结果出现偏差，这主要与仪器的测试原理有关，不能瞬时测量，所以，可通过调整测试方法得到准确的热导率值。

参考文献

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[8]A. Abdou，I. Budaiwi.The variation of thermal conductivity of fibrous insulation materials under different levels of moisture content.Construction and Building Materials，2013（02）.

作者简介：刘晓萌（1991—），男，研究生，水文学及水资源专业，主要研究河流地下水转换关系。

〔编辑：白洁〕