用DSC法探究含水率对冻土比热容的影响

钱坤

摘  要：文章首先介绍了DSC差示扫描量热法，并且利用DSC法测量冻土的比热容。取冻土矿物颗粒进行试验，将所得结果与既有文献结果[1]进行比较，结果表明利用DSC法测量冻土比热是可行的。然后取粘土配制相同干密度，不同含水率试样进行试验。试验结果表明，含水率较高（>6%）的冻土样在融化这一相变区间过程中，比热容会出现明显的上升趋势，直至到达一个峰值，在相变过程完成后，比热容恢复到正常状态。进一步分析，在干密度一定的情况，冻土比热容随含水率的增大而增大。

关键词：冻土;差示扫描热量仪（DSC）;比热容;含水率

中图分类号：TU445       文献标志码：A       文章编号：2095-2945（2019）15-0049-02

Abstract： In this paper， DSC （Differential Scanning Calorimeter）is introduced， and the specific heat capacity of permafrost is measured by DSC. The experimental results were compared with the results of the existing literature. The results show that it is feasible to measure the specific heat of permafrost by DSC. And then take the same dry density of clay preparation， different water content of the sample test. The results show that the specific heat capacity of the frozen soil samples with high water content （>6%） will show a significant upward trend during the phase transition， until a peak is reached. After the phase change process is completed， the specific heat capacity is restored to normal status. Further analysis， in the dry density of a certain situation， permafrost specific heat capacity increases with the increase in water content.

Keywords： frozen soil; differential scanning calorimeter （DSC）; specific heat capacity; water content

1 概述

冻土是寒区多年冻土和季节性冻土的总称，随着全球气候变暖，北方高纬度地区冻土存在逐渐融化的趋势，因此研究冻土的比热势在必行。比热是冻土的主要热学参数，指1g质量的土在温度改变1℃所需要的热量，单位是（J/g·℃）[2]。由于冻土是矿物颗粒、冰、未冻水和气体的复合多项体，对于这一复合多项体比热的测定，传统量热法是对各个组成分别作出测定，冰的比热直接用试样的起始温度ts的一半查表取值，未冻水（处于束缚状态）的比热一般可取定值，气体的比热小，且在土中的含量少，一般均忽略不计。因此，比热的试验常只对矿物颗粒进行，称为干土比热。传统量热法需要样品量大，不可避免的存在热量损失，且冻土融化或冻结相变过程中的热量变化不仅受比热容的影响，而且还包括潜热和因融化或冻结引起的稀释热，因此传统量热法对这一相变区间的研究不是非常详细[3]。

国际热分析协会（ICTA）和国际热分析和量热学协会（ICTAC）对热分析定义为：在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度关系的一种技术，测量温度和热量之间的关系，及差示扫描量热法（DSC）。差示扫描量热法是指在程序控温下，测量输入到被测样品和参比物的能量差与温度（或时间）关系的技术。作者采用差示扫描量热法（DSC）首先测量了冻土骨架的比热，并且把结果与既有文献结果进行比较，得出利用DSC法测量冻土的比热是可行的。然后，又利用这种方法研究含水率对冻土比热容的影响，尤其是观察相变区间比热容的变化情况。

2 试验设备、材料与方法

2.1 DSC8000差示扫描热量仪

对于不同类型的DSC，“差示”一词有不同的含义，对于功率补偿型，指的是功率差;对于热量型，指的是温度差;扫描是指程序温度升降。热差示扫描热量仪（Differential Scanning Calorimeter，DSC）可分为热流型和功率补偿型两种基本类型。本次实验采用差示扫描量热仪是DSC8000差示扫描热量仪（美国），DSC8000所特有的双炉体技术，采用功率补偿型原理，直接测量两个独立炉体之间的热流，在整个温度量程范围内都可测得最精确的能量数据，能够满足试验方面的高级要求。

2.2 烘箱

为了得到含水率极低（<1%）的矿物颗粒，试验采用烘箱。

2.3 试验材料

采用北方高纬度地区的粘土（最优含水率13.4%，最大干密度1.89g/cm3），将其放入烘箱内以105℃烘烤12小时，取出一部分作为矿物颗粒使用，剩余的土用于制備不同含水率（5.58%、17.21%、27.29%、33.57%）的土样，并通过击实次数来控制用于试验土样的压实度一致[4]。

2.4 试验方法

三线法通常用于精确的比热测量和理论分析，误差通常可控制在0.1%以内。但要注意，利用三线法时，只有热流平稳段的数据是有效数据，两端靠近等温程序的非稳定区的热流数据不能用于比热计算。为了确保试验数据的有效性，每一个样品做三个平行样。由于在降温冻结过程中受到冷却环境的限制，这会给相变区的比热数据带来一定的误差，因此，比热数据都是用升温过程的数据求得。

3 试验结果分析

3.1 冻土矿物颗粒比热试验测定结果

本次试验采用的是粘土样，图1所示为冻土矿物颗粒在-20℃～10℃温度区间的比热，从图中可以明显的看出，由于矿物颗粒当中含水率趋近于零，比热在相变温区的比热还是呈线性增长的趋势，冻土矿物颗粒比热的平均数为0.762，查阅既有文献，粘土样的冻土骨架的算术平均数是0.762，因此利用DSC法测量冻土骨架的比热是可行的。

3.2 含水率对冻土比热容的影响

为了探讨冻土这一复合多项体的比热随其含水率的变化，取粘土配制相同干密度不同含水率的试样进行试验，利用三线法所求冻土的比热如表1所示（每种含水率的土样都有三组平行试验，表中数据均是每种含水率下的平均值）。

从试验的结果来看，含水率较高（>6%）的冻土样在融化这一相变区间过程中，比热容会出现明显的上升趋势，直至到达一个峰值（如图2所示），在相变过程完成后，比热容恢复到正常状态。另外，在干密度一定的情况，冻土比热容随含水率的增大而增大。

4 结束语

利用差示热量扫描仪（DSC）法研究冻土的比热容，取部分粘土进行烘干，进行矿物颗粒比热容的测定;另外一部分配制干密度相同但含水率不同的试样进行试验，测得冻土的比热容。实验结果揭示：含水率较高（>6%）的冻土样在融化这一相变区间过程中，比热容会出现明显的上升趋势，直至到达一個峰值，在相变过程完成后，比热容恢复到正常状态。另外，在干密度一定的情况，冻土比热容随含水率的增大而增大。

因此，在实际工程中，应充分考虑含水率的变化，动态地选取热参数进行计算（尤其是在相变区间比热容突变的一段过程内）。当然，利用DSC法测量冻土比热容，还存在制样困难等一些问题，尚需进一步探索修正。

参考文献：

[1]刘宏伟，张喜发，冷毅飞.大兴安岭多年冻土骨架比热测定及经验值[J].低温建筑技术，2009（08）：96.

[2]谢定义，陈存礼，胡再强.试验土工学[M].高等教育出版社，2011.

[3]冷毅飞，孙友宏，杨凤学，等.量热法与测温法在冻土未冻水测试中的应用[J].吉林大学学报（地球科学版），2001（02）：8.

[4]王铁行，刘自成，卢靖.黄土导热系数和比热容的研究[J].岩土力学，2007（04）：4.

[5]徐学祖，王家澄，张立新.冻土物理学[M].北京科学出版社，2001.

[6]齐吉琳，马巍.冻土的力学性质及研究现状[J].岩土力学，2010，31（1）：133-143.