稳态平板热流计法岩土导热系数的室内测定

秦应洁，周学军，冯 梅，张 利

(武汉地质工程勘察院岩土测试所，湖北武汉 430051)

0 引言

导热系数是指在稳定传热条件下，1 m厚的材料，两侧表面温差为1度(K，℃)，在一秒内，通过一平方米面积传递的热量。目前国内获取导热系数的方法有稳态法和瞬态法两种。在稳态法中，先利用热源对岩土物质加热，其内部温差使热量从高温向低温处传导;岩土内部各点的温度将随着加热快慢和传递快慢的影响而变动，适当人为控制试验条件和试验参数使加热和传热的过程达到平衡状态，待测试件内部可能形成稳定的温度分布，根据这个温度分布，即可计算得到该试件的导热系数。

1 样品制备

选取直径 ＞110 mm圆柱形原状土试样，以Φ104．7 mm、高30 mm的PVC环刀切取试样，边切边修去环刀边上的余土，以利于推进环刀，修平试样两端，取原状余土填补环刀表面的不平之处，刮平试样两面［1］(用该同一试样制备3～5组进行平行试验)，称取该试样土+环重(准确至0．1 g)，分别计算其天然容重，且平行容重误差≤5%;取试样两面余土测定其天然含水率，进行平行测定。岩石试件选取Φ180 mm圆柱形试样，用岩石切割机切取该直径、高30～40 mm样品，以岩石打磨机磨平试样两端，称取试件质量，用游标卡尺分别从不同部位分三次量测试样的直径和厚度，精确至0．1 mm，取算术平均值，计算其密度值。同理取余样测定该试验岩石的含水率。

2 试验

2．1 试验准备

接通平板导热系数测试仪电源。连接数据采集线至电脑指定端口，开启电脑程序，测试检查数据通信是否正常。根据现场环境条件，在温度设定栏输入表1中Ⅰ组或Ⅱ组冷热板温度值。

表1 温度设定表Table 1 Table oftemperature setting

2．2 试验过程

将两面涂抹好导热脂的试样放置于测试台上，安放热流传感器于试样上表面，旋转转轮使上压板(冷板)压紧试样，且热流传感器与试样紧密接触，接通冷却水，打开电源开关和加热开关。启动升温、开始试验［2］。电脑开始间隔性进行测试数据的监测，当热流传感器在设定的热流稳定时间内(一般设定该时间为300 s)检测到稳定的热流时，系统分三次进行试验数据的采集，并根据下式(1)分别计算出导热系数值，取其算术平均值为最终结果。

3 试验要点

(1)为确保平板导热系数仪检测结果的准确性，必须进行仪器的参数标定。标定的参数包括标准参比板修正系数和温度修正值。其中标准参比板修正系数使用石英标准参比板(Φ90 mm，L=30 mm)来完成，一般要求每2－3个月进行一次参比板修正系数的标定。温度修正值通过有修正资质的计量单位对各组试验温度差进行标定。

(2)仪器在首次使用前、维修后、检测过程中发现异常情况或比对检测结果误差较大时，都应立即进行标定。经重复性试验合格后才能进行使用。

(3)试样安装至工作台后，须在试件周围包裹石棉材质对试样做保温隔热防护，防止试验过程中向周围环境传热;石棉材质不得与冷板面接触，避免形成新的传热体，影响试验结果。

(4)对于较硬质岩、土必须在试样两端涂抹导热脂以利于传热;岩石试样经打磨后两面平面度应优于0．025，便于试件的接触面紧密结合［3］，有效完成热量传递。

(5)鉴于金属材料的强导热性，笔者选取PVC材质环刀制备土试件;同时在试件制备时须仔细认真地完成，避免因土的刚性挤压造成环刀变形。

(6)完成一个试件的测试后应拆卸试样，关闭仪器电源，等待冷热板温度恢复到与环境平衡或至少4 h后，再行开始下一个试件的测试，使得每个平行测试的试件保持在相同的测试条件下完成。

4 成果计算

多孔介质内的传热过程主要包括:①固体骨架与固体颗粒之间存在或不存在接触热阻时的导热过程;②流体(液体、气体或两者均有)的导热和对流换热过程;③流体与固体颗粒之间的对流换热过程;④固体颗粒之间、固体颗粒与空隙中气体之间的辐射过程［4］。

由傅立叶定律，单位时间传导的热量(导热速率)与温度梯度和传热面积成正比。即:

式中:Q为导热速率J/S=W;S为导热面积，m2;∂t/∂n为温度梯度;负号为表示传热和温度梯度反向;λ为比例系数，又称为导热系数，W/m·K。

则导热系数:

结合本仪器实测参数:试样厚度、冷热面温度、热流计电压值、试样热阻等按下式计算导热系数值:

热阻:R=d÷λ

式中:λ为导热系数［W/(m·K)］;R为热阻(k·m2/W);f为热流传感器的标定系数(W/m2·mV);e为热流传感器的输出值(mV);d为试样厚度(m);t1为热面温度(℃);t2为冷面温度(℃)。

5 示例

5．1 试件的选取

分别选取武汉地区部分含水率、密度值比较接近的粉砂、粉质黏土、黏土、淤泥质黏土进行了测试。粉砂样采取人工含水率配比饱和，使其各土工物性指标较为接近，以利于成果的比较。

5．2 试验结果

对各试样的土工试验物理参数及导热系数进行抽取、分类(表2－表5)。

表2 饱和粉砂的测试结果Table 2 Test results of saturated silt

表3 粉质黏土的测试结果Table 3 Test results of silt clay

表4 黏土的测试结果Table 4 Test results of clay

表5 淤泥质粉质黏土的测试结果Table 5 Test results of mucky silty clay

6 结语

稳态法是经典的中低温材料的导热系数测定方法。比较表2－表5陈列的数据结果，与国内同行业单位完成的经验数据和有关浅层地温能规程规范提供的范围数据［5－8］较为接近。因此用该试验方法取得的成果数据，完全能够满足岩土热物性评价、区域浅层地热能调查评价和地源热泵工程浅层地热能的勘查评价要求。在实际试验中，同时也暴露出该方法测试周期长，对试验环境要求较高，不利于批量试件的检测等缺点。但其操作简单、精确度高、试验成本低廉等优点，依然得到非常广泛的应用。

致谢:本文得到本院教授级高级工程师刘红卫指导，及工程师柯立、朱志明的大力帮助，一并致谢。参考文献:

［1］ GB_T50123—1999，土工试验方法标准［S］．

［2］ DRPL－2型(岩土)导热系数测定仪平板热流计法说明书［M］．湘潭:湖南省湘潭市湘仪仪器有限公司，2011．

［3］ 陈如冰，吴向东．导热系数测试仪校准方法研究［J/OL］．现代计量通讯，2007(2)［2011－12 －04］．http://www.cnki.net．

［4］ 刘伟，范爱武，等．多孔介质传热传质理论与应用［M］．北京:科学出版社，2006．

［5］ 乔恒君．土体导热系数测试及分析［J］．中国水运:下半月刊，2010(10)．

［6］ 李慧芝，等．室内岩土热物理指标的试验方法及试验要点的探讨［J］．铁道勘察，2013(1)．

［7］ 朱帆济，代昂，陈礼兵．武汉地区饱和黏性土热物理性质试验研究［J］．市政技术，2011(5)．

［8］ DZ/T 0225—2009，浅层地热能勘查评价规范［S］．