热作用下回填材料的收缩特性研究

杜红普，申芙荣，李 敏

（1.河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401；2.河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；3.河北省土木工程技术研究中心，天津 300401）

0 前言

温度上升，将引起土中固、液相组分的体积膨胀，诱发孔隙液向混合物边界的排出趋势，改变混合物中的孔隙压力、应力与应变场.力与热的相互作用在地下建筑、道路、土坝等岩土工程领域以及储热系统中均有体现，尤其是随着储热品质的提高，热作用不仅制约着湿份迁移，而且对岩土介质的强度、变形均有一定的影响.伴随着热湿迁移研究成为主流的同时，针对收缩、形变引起孔隙结构变化的力学特性也逐步引起人们的重视.

Reuss[1]研究认为，当储热温度高于60℃后，埋地换热器附近的土层在克服不同深度地应力后引发局部孔隙结构的改变，进而大大削弱其传热速率.Sanavia和Hu[2-3]指出水分迁移对干燥收缩和土壤热导率的影响显著.Morit[4]借助室内和现场大尺度的软粘土储能试验，研究了热作用（最高排热温度70℃）引起的粘土变形模型.Saxe[5]通过长期对间歇性取、排热监测，认为土壤高温区会发生热应变，导致结构稳定性受到影响.作者 [6]在开展储热试验过程中也发现热源面出现干涸裂隙，需进一步考虑储热中的力学问题.

然而，目前土层储热的热力分析多倾向定性提出而未能形成系统研究体系，直接针对土壤储热过程中热湿作用下变形位移场的研究尚十分有限.具体应用工程中，Wang[7]考虑了地源热泵与太阳能—地下高温储热的联合应用，对该系统的热湿参数进行实时采集，综合分析了不同储热策略下的运行特性.而关于热作用下形变研究多集中在农业地表干裂和岩土工程开裂问题上.Hu[3]采用多尺度多物理场方法，模拟研究了收缩过程中的孔隙率变化.Sabnis[8]考虑外界环境中不同湿度条件下的粘土力学特性，对收缩应变、弹性模量及拉伸强度等参数进行分析.目前针对储热系统中的回填材料热缩特性，专门描述较少.图1给出了常用回填材料在60℃排热条件下3 d后的干缩现象，可以看出，最左侧的粘土发生变形量最大，尤其是靠近埋管的区域，存在不同方向裂缝，相比而言，砂加膨润土及砂出现干裂的程度较小，尤其是砂无明显的裂隙.这主要是由于高饱和度下砂呈流态，使得回填较为密实，而砂加膨润土中，2种材料的粘聚程度存在差异，膨润土自身的湿变性很强，在一定程度上加剧了混合材料的离散性，这也是在工程实践中常遇到的问题.

本文针对上述3种材料，结合室内土体收缩试验及极差分析方法，研究土样类型、干密度及温度3因素影响下的形变差异特性.

图1 不同回填材料失水收缩现象Fig.1 Shrinkageof backfillmaterials

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

试验土样分砂、粘土和砂加膨润土，粘土风干过2mm筛，砂子粒径范围为0.1～0.5 mm.钠基膨润土在干燥器中110℃烘干过2mm筛，3种材料的基本性质见表1.

砂加膨润土的导热性试验表明，膨润土的添加量存在一个最优比范围：10%～12%，该数值同时也在ASHRAE所推荐的范围之内[9].因此，试验过程中膨润土的添加量均设置为11%.

1.2 试验方法

鉴于实际工程利用过程中，砂加膨润土及砂回填的条件均为高含水率土层.同时，天津地区送样平均质量含水率在20%～25%.3种回填材料均按23%质量含水率配制，并放入保湿器中24h.采用分层夯实法制备土样，3次压实，层间打毛.试样尺寸直径50 mm，高110mm，干密度为1.45、1.55和1.65 g/cm3.

利用SS-1型收缩仪测定收缩过程，烘箱控制恒温条件（依据现场的高温储热情况，选取测试温度为30、60和80℃），待烘箱温度稳定后，放入已固定有土样的收缩仪，调整百分表读数，开始记录.记录时间开始以1h为间隔，随后逐步延长，待读数稳定后停止试验.同期测定土样的质量变化，测定结束后，将土样放在105℃烘箱中烘至恒温，反算各阶段的含水率.

1.3 正交试验设计及试验结果

选取土样类型、干密度和温度为因素，每个因素包含3个水平（见表2），以含水率、线缩率和体缩率为评价指标，进行正交试验设计.

表1 3种材料的基本性质Tab.1 Characteristic ofmaterials

表2 收缩试验涉及的因素及水平Tab.2 Factorsand levelof the shrinkage test

表3 正交试验设计及测定结果Tab.3 Orthogonalexperimentaldesign andmeasurement results

正交试验设计条件下线索率、体缩率、收缩系数及失水率结果见表3.可以发现：粘土的收缩性较大，远大于砂和砂加膨润土的.在不考虑温度和干密度的影响，粘土的线缩率在4%～6%、砂土的线缩率在0.36%～0.58%、砂加膨润土的在0.21%～0.42%.对于粘土而言不仅存在纵向收缩，而且存在横向收缩，粘土的体缩率可达15.22%.砂土和砂加膨润土在横向变形几乎没有变形，纵向的变形较小，两种土样的体缩率仅为3%～5%.

2 试验结果分析

2.1 3种土样的收缩规律

随温度的升高，3种土样的收缩性均增强（图2）.粘土的线缩率随时间呈先快速增长随后区趋于稳定的变化过程，曲线近似为抛物线型.温度越高，坡度越陡，初期的变形越剧烈，达到变形稳定的时间越快.在30℃温度下，变形稳定时间为300 h；在60℃温度下，变形稳定时间为160 h；在80℃温度下，变形稳定时间不到60 h.

砂土的线缩率随烘干时间的变化较小，曲线仅在开始的十几个小时内存在一定的弧度，随后变化曲线趋于一条直线.砂加膨润土的线缩率随烘干时间的变化趋势和砂土的相似，整体略缓于砂.

图2 不同温度下线缩率随时间的变化Fig.2 Changesof linear shrinkageatdifferent temperatures

30℃温度条件下，粘土、砂和砂加膨润土的含水率随时间的变化趋势较为相近（图3）.随时间延长，土样中的含水率逐渐降低.总体上，砂的变化趋势最陡，其次是粘土和砂加膨润土.这主要与土中水的赋存状态有关，砂的孔隙大，赋存与土颗粒孔隙间水多为自由水，易于散失；而对于粘土和膨润土而言，由于双电子层的作用，在一定程度上，缓和了水分的散失速度.当温度达60℃以上，砂的含水率随时间的变化曲线与粘土和砂加膨润土不再一致.砂的含水率在初期出现一个明显的降低，随后趋于稳定.60℃条件下，砂在150h内含水率从23%下降到3%后稳定；80℃条件下，砂在30 h内含水率从23%下降到2.5%后稳定.在这两个温度条件下，粘土和砂加膨润土的含水率随时间的变化曲线接近且缓于砂，60℃条件下，粘土和砂加膨润土的含水率稳定时间为400 h左右；80℃条件下，在110 h左右.总体上，温度越高，曲线变化均越陡，达到稳定的时间也越快，3种土样中，温度对于砂土的含水率变化的影响最敏感.

图3 不同温度下含水率随时间的变化Fig.3 Changes of moistureat different temperatures

对比3种类型土的线缩率随含水率的变化曲线（图4），可以发现，随土样含水率的降低，土的线缩率逐步增大.含水率的变化对于粘土的线缩率影响较大，而对于砂土和砂加膨润土的影响较小.温度越高，线缩率与含水率的关系曲线越陡.

图4 不同温度下线缩率随含水率的变化Fig.4 Relation between linear shrinkage and moistureat different temperatures

2.2 极差分析

依据式 (1)、式 (2)可得到线缩率和体缩率．表4、表5中的为因素对线缩率、体缩率、收缩系数及失水率总影响程度；为i因素下的线缩率、体缩率、收缩系数及失水率； 为 平均值.

表4 线缩率和体缩率极差分析结果Tab.4 Range analysisof line and volume shrinkage线缩率

从表4和表5中可以看出，3因素对土样收缩性影响的主次关系为：土的类型（X1）gt;温度（X2）gt;干密度（X3）.土样的收缩性主要取决于土的类型.在线缩率、体缩率和收缩系数指标方面的最优组合为：砂加膨润土—30℃—1.65 g/cm3（X13X21X31）.即砂加膨润土的抗缩性较小，密度越大，土样的收缩性越小，温度越低，土样的收缩性越小.

表5 收缩系数和失水率极差分析结果Tab.5 Range analysisof shrinkage coefficientand water loss rate

3 结论

1）粘土的收缩形变远大于砂和砂加膨润土，砂的形变略大于砂加膨润土.粘土在高温条件下可达下的变形量可达6%，而砂及砂加膨润土的形变仅发生在开始的几个小时内，随后迅速趋于稳定.温度高低对初始变形影响显著，温度越高，土样达到变形稳定的时间越短.

2）在3种温度的影响作用下，粘土、砂及砂加膨润土的含水率随时间分布与自身的持水能力相吻合，递减程度依次是砂加膨润土、粘土和砂.温度越高，含水率变化趋势越陡，材料内水份达到平衡的时间越快.

3）随温度提高，粘土线收缩率与含水率的分布逐步由近似线性趋于指数，而砂和砂加膨润土由于自身较小的收缩特性，受含水率影响程度较小.随温度增加，砂土土样的含水率变化较大，而砂加膨润土土样的含水率变化较为缓慢，膨润土的添加有利于缓解砂土的失水速率，改善砂的失水收缩性.

4）3因素对土样收缩性影响的主次关系为：土的类型（X1）gt;温度（X2）gt;干密度（X3）.土样的收缩性主要取决于土的类型.综合线缩率、体缩率和收缩系数指标，最优组合为：砂加膨润土—30℃—1.65g/cm3.

[1]ReussM，Beck M，Müller JP.Design of a seasonal thermalenergy storage in theground[J].Solar Energy，1997，59（4-6）：247-257.

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