不同遗址土的热物理参数研究

张虎元，张学超，陈晓宁

（1.兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室,兰州 730000；2.兰州大学 土木工程与力学学院，兰州 730000）

1 引 言

土遗址是指人类活动中遗留下的由土和以土为主的遗迹和遗物，主要包括房屋、夯土台基、城墙、窖穴、窑炉、粮仓、墓葬和糟朽文物在土上的印痕等。土遗址作为文物具有科学性、历史性、艺术性，一旦破坏，就会永久性灭失，所以应尽可能长期地保存它们的原状以便进行研究和展示。我国土遗址很多，但保存状况较差。研究土遗址的病害及成因，有针对性的对各遗址进行抢救保护至关重要[1-2]。

我国西北地区存在很多遗址，这些遗址所处的气候环境昼夜温差较大。而土的导热系数又较小，白天气温升高时，遗址的上层温度大于下层温度，上层遗址土在温度作用下膨胀，导致上下之间产生应力差，从而产生与表面平行的裂隙。与此相反，当环境温度降低时，遗址的上层降温要比下层快，上层收缩受到下层的阻碍就会产生垂直于遗址表面的裂隙。经过反复的温差循环，纵横裂隙被贯穿，从而会产生坍塌和起皮等病害[3-4]。由此可见，热应力的变化会造成土遗址的破坏。另外，即使土遗址处于干旱地区，还会有一定的降雨量，水分通过降雨入渗到遗址土中后使遗址土表面的含水率增高，影响遗址土的导热系数。同样，温度的变化又会带来墙体内部水分的变化，进而影响盐分运移，产生酥碱等病害[5]。岩土材料的导热特性，主要与孔隙率、含水率、干密度、饱和度及矿物成分等因素有关。为探究岩土材料的热物理参数与各物理指标之间的关系，国内外很多学者开展了研究工作，Naidu等[6]用热针法得到了土体导热系数与密度和含水率的对数成正比的结论。庄迎春等[7]对砂土混合材料进行了导热性能的试验研究，得到了导热系数随干密度和掺砂率的变化规律，Abu-Hamdeh[8]得到了砂土和黏土热导率随着干密度和含水率增加而增加的结论，并对比分析了砂土和黏土比热容理论预期值和试验测试值。Salomone 等[9]归纳出不同土壤在不同干密度范围下的热阻率曲线，通过曲线给出了在不同干密度和不同含水率时土壤热阻变化的大致范围。Johansen 等[10]从土壤干密度、孔隙率以及矿物成分上归纳总结出计算土壤导热系数的经验公式。王海波等[11]认为随着饱和度的增高粉土的导热性能逐渐增强。苏天明等[12]探讨了土体饱和情况下热物理性质与其含水率和孔隙比的关系。上述对热力学参数的研究大多数是采用热探针法，应用点热源加热的方式得到的结果，针对的试验材料多为工程土体。本研究选择遗址土为试验材料，加热方法采用平面热源加热。通过导热系数、热扩散系数和体积比热揭示遗址土的热力学参数的变化，从而为研究和预防土遗址热劣化提供基础资料。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验材料选自不同的土遗址，分别是位于新疆吐鲁番地区的交河故城遗址土，位于新疆阿克苏地区新和县的通古斯巴西古城遗址和位于杭州的良渚遗址。土样的基本物理参数见表1，表2为3 种遗址土的矿物成分分析结果。

本试验采用的试样都是室内重塑样。制样前，分别将3 种遗址土烘干碾碎过2 mm 筛，然后将土配置成目标含水率为0%、5%、10%和15%的湿土，装入密封袋中，放入保湿器中静置24 h，待水分分散均匀。采用干密度控制法，利用静力压实机，将土样压制成直径为7.20 cm、高2.00 cm，目标干密度为1.40、1.45、1.50、1.55、1.60、1.65、1.70 g/cm3的试样。另将通古斯巴西古城的土样研磨成粉末状，按土水比1:5 配置成溶液，放在振荡器中，以250 r/min 振荡30 min，在离心机中以2 500 r/min离心10 min，再用滤纸过滤，取得待测溶液。利用美国戴安公司生产的ICS-2500 研究型离子色谱仪对处理水样进行分析，得到通古斯巴西古城的易溶盐的成分（见表3）。通过计算可知，通古斯巴西古城的易溶盐总量为0.75%。为了探究易溶盐总量对导热系数的影响，对通古斯巴西古城遗址土人工掺加NaCl，强化目标含盐量为1.5%、3%、6%，配置成高含盐量的试样。

表1 遗址土基本物理性质参数Table 1 Physical parameters of soils from earthen monument sites

表2 遗址土的矿物成分Table 2 Mineral composition of soils

表3 土中易溶盐分析Table 3 Analysis of soluble salt in soil

2.2 试验方法

本试验中热物理参数的测试方法是瞬变平面热源法，采用的仪器是瑞典Hot Disk 热常数分析仪。Hot Disk 基于瞬态平板热源技术，采用一个双螺旋形状的传感组件。工作原理如下：如果Hot Disk 被加热，电阻升高随时间的方程为

式中：R0为传感器被加热前电阻；α为电阻温度系数（TCR）；ΔTi为传感器材料（镍）绝缘层的温度差分；ΔTave(τ)为样品表面绝缘层另一面与面对Hot Disk 传感器（双螺旋）一面的温度升高。

从式（1）得到传感器记录的温度增加：

式中：ΔTi为传感器与样品表面之间“热接触”的测量值，其数值为0时代表通过沉积薄膜或使用电绝缘样品实现了理想“热接触”，见图1。

图1 温度随时间变化曲线Fig 1 Curves of temperature change with time

ΔTi在极短时间Δti后变为常数，可估计为

式中：δ为绝缘层厚度；ki为绝缘层材料的热扩散系数。基于时间的温度升高由下式给出：

式中：P0为传感器功率总输出；α为传感器盘的半径；Λ为测试样品的热传导率；D(τ)为与尺寸无关的时间依赖方程，其中：

式中：t为瞬态记录开始的时间测量值；Θ为特征时间，定义为

式中：k为样品的热扩散系数。由于k 和Θ 试验前并不知道，可通过反复迭代推导出热导率的最终直线得到热扩散系数。因此，通过一次瞬态记录就可以同时得到导热系数和热扩散系数。

3 试验结果与分析

3.1 干密度对遗址土热物理参数的影响

测定3 种遗址土热物理参数发现，当含水率一定(w=5%)时，导热系数、热扩散系数和体积比热随着干密度的增加是逐渐增大，如图2～4 所示。导热系数与干密度呈线性关系。因为本次研究的对象主要为大型的露天土遗址，土遗址天然含水率变化受外界环境影响较大。表4为3 种遗址土在不同含水率条件下导热系数入随干密度变化的拟合关系式。

图2 干密度对导热系数的影响Fig.2 Effects of dry density on thermal conductivity of soils

图3 干密度对热扩散系数的影响Fig.3 Effects of dry density on thermal diffusion coefficient of soils

图4 干密度对体积比热的影响Fig.4 Effects of dry density on volume specific heat of soils

表4 不同含水率下遗址土导热系数与干密度的拟合关系Table 4 Correlation of thermal conductivity of soils with dry density at different water content

通过拟合公式可以看出，在相同含水率条件下良渚遗址土拟合直线的斜率最大，交河的最小，即在相同含水率下良渚遗址土的导热系数随干密度变化的更为敏感。遗址土的热扩散系数和体积比热也随着干密度的变大而增大，此研究结果与Abu-Hamdeh[8]研究结果相似。除此之外，在干密度和含水率相同的条件下，良渚遗址土的导热系数、热扩散系数和体积比热最大，通古斯巴西的居中，交河的最小。这说明遗址土的热物理参数与矿物成分密切相关。依据表2 对3 种遗址土矿物成分的分析可知，遗址土的导热系数与石英成正相关关系，这是因为在常温下SiO2的导热系数为12W/Mk[13]，远大于其他的矿物成分。

3.2 含水率对遗址土热物理参数的影响

当干密度（ρd=1.70 g/cm3）一定时，3 种遗址土的导热系数、热扩散系数及体积比热均随着含水率的增高而增大，如图5～7 所示。原因是当含水率增高时，土颗粒表面形成水膜，土粒与土粒之间由点接触逐渐转变为水膜的面接触，之前三相组成中的气体孔隙逐渐被水充填。水的导热系数大约是空气的22 倍，热扩散系数和体积比热也远远大于空气，土的导热系数变大[14]。通过本试验可以看出，导热系数、热扩散系数和体积比热对于含水率变化是有规律的，导热系数与含水率近似成线性关系。在干密度为1.70 g/cm3的情况下得到含水率与导热系数（见图5）的拟合方程为式（7）～（9），斜率都在0.05 左右。

新疆交河遗址：

杭州良渚遗址：

新疆通古斯巴西古城遗址：

图5 含水率对导热系数的影响Fig.5 Effects of moisture content on thermal conductivity of soils

图6 含水率对热扩散系数的影响Fig.6 Effects of moisture content on thermal diffusion coefficient of soils

图7 含水率对体积比热的影响Fig.7 Effects of moisture content on volume specific heat of soils

热扩散系数（见图6）随着含水率的增加变化越来越敏感，增加幅度加剧，斜率逐渐变大；体积比热（见图7）随着含水率的增加，增加趋势变缓，斜率逐渐变小。露天土遗址，在降雨入渗时，遗址表面含水率分布不均，从而影响遗址土的导热系数及遗址土的热劣化进程。因此，研究含水率对遗址土的热物理参数的影响对理解降雨之后土遗址的热劣化机制具有特别意义。

3.3 氯化钠的掺入对遗址土热物理参数的影响

露天土遗址环境温湿度的变化，会引起毛细水的迁移，在毛细水的驱动下，易溶盐会在土体中随之发生运移，导致土体中盐分分布不均，从而影响土的热物理参数。本文选用NaCl为掺入盐分，在对通古斯巴西遗址土强化易溶盐总量后，测定其热物理参数的变化。通过图8 可见，在含水率和干密度一定时，导热系数随着含盐量的变大逐渐增大，但增加幅度较小。

图8 易溶盐含量对热传导系数的影响Fig.8 Effects of soluble salt content on thermal conductivity of soil

胶体化学表明，电解质浓度的变化会影响到双电层的厚度，电解质浓度增大，双电层被压缩，其压缩程度决定于与表面电荷符号相反的离子的浓度和价数。反号离子的浓度和价数越高,双电层的厚度压缩得越厉害[15]。据此认为，当土颗粒孔隙溶液浓度增高时双电层被压缩，颗粒之间的距离变小，颗粒与颗粒之间结合更为紧密。因此，遗址土随着易溶盐含量的增加，双电层压缩，公共水化膜变薄，遗址土的导热系数变大。导热系数的增大会使遗址土对环境温度的响应更加敏感。在昼夜温差反复变化下遗址土的内部温度也会变化加剧，进而引起内部矿物差异膨胀，加速遗址表面的盐类风化。

4 结 论

（1）遗址土的导热系数、热扩散系数、体积比热均随着遗址土的干密度的增加而增加，其中导热系数的增长接近于直线增长。

（2）导热系数随含水率的增加呈线性增长。热扩散系数随含水率的增加而增加，增加幅度逐渐变大；体积比热则随含水率的增加而增加，增加幅度逐渐变缓。

（3）遗址土热物理参数与遗址土中SiO2含量成正相关。

（4）随着易溶盐总量的增加，遗址土导热系数有增大的趋势。

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