CN110530928A - 岩土体导热系数测定方法 - Google Patents

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邓军涛
郑建国
王娟娟
张继文
张丽娜
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Abstract

本发明公开了岩土体导热系数测定方法，涉及地源热泵技术领域，采用导热系数测试仪测定多种不同干密度及含水率的原状黄土试样、原状古土壤试样、重塑黄土试样和重塑古土壤试样的导热系数，然后根据测定得到的导热系数拟合各种试样的导热系数变化曲线，不但测定导热系数的速度快精度高，而且能够获知任何状态下岩土体的导热系数，为地源热泵的设计和施工提供了有力的数据保障。

Description

岩土体导热系数测定方法
技术领域
本发明涉及地源热泵技术领域，特别是涉及岩土体导热系数测定方法。
背景技术
地埋管地源热泵系统利用浅层岩土体作为热泵的热源，在夏季从岩土体中“储热”，冬季从岩土体中取热，从而实现地热能交换系统与岩土体耦合换热，来达到其强有力的节能优势。地埋管周围岩土体的传热性能，是影响地热能交换系统换热效率的主要因素之一。因而，对岩土体的导热系数进行研究尤为重要。
目前室内测定岩土导热系数的方法主要是稳态法和非稳态法，稳态测试中，试样内温度分布是不随时间变化的稳态温度场，当试样达到热平衡后，通过测量试样单位面积的热流速率和温度梯度，即可直接确定试样的导热系数。但这种测试方法一般需要较长的实验时间，且实验过程中土体的水分场在温度梯度作用下可能发生迁移，影响实验结果。非稳态测试方法中，试样内的温度分布是随时间变化的非稳定温度场，通过测试试样温度变化的速率，可以测定试样的热扩散率，进而得到材料的导热系数。
同时，无论采用哪种方法测定得到的岩土体导热系数都是针对特定状态下的岩土体进行的，测定得到的导热系数为离散的点，无法为地源热泵的设计和施工提供有力的指导。
发明内容
本发明实施例提供了岩土体导热系数测定方法，可以解决现有技术中存在的问题。
本发明提供了岩土体导热系数测定方法，包括以下步骤：
步骤一，制备不同干密度的原状黄土试样、不同干密度的原状古土壤试样、不同干密度重塑黄土试样和不同干密度重塑古土壤试样；
步骤二，分别采用密度计法、X射线衍射方法XRD和X射线荧光光谱方法XRF测定上述试样的黄土粒度组成、全岩矿物成分和全岩化学成分，以确定试样中影响导热系数的主导因素；
步骤三，对于不同干密度原状黄土试样，使用导热系数测试仪测定每种干密度的原状黄土试样的导热系数；将每种干密度的原状黄土试样分别增或减湿到不同含水率，使用导热系数测试仪测定增或减湿后的试样的导热系数；
步骤四，对于不同干密度原状古土壤试样，使用导热系数测试仪测定每种干密度的原状古土壤试样的导热系数；将每种干密度的原状古土壤试样分别增或减湿到不同含水率，使用导热系数测试仪测定增或减湿后的试样的导热系数；
步骤五，将每种不同干密度且初始含水率为5％的重塑黄土试样以及重塑古土壤试样分别增湿到不同含水率，使用导热系数测试仪测定每种干密度的重塑黄土试样和重塑古土壤试样的导热系数；
步骤六，根据步骤三测定得到的导热系数拟合得到原状黄土试样的导热系数曲线，根据步骤四测定得到的导热系数拟合得到原状古土壤试样的导热系数曲线，根据步骤五测定得到的导热系数拟合得到重塑黄土试样和重塑古土壤试样的导热系数曲线。
本发明中的岩土体导热系数测定方法，采用导热系数测试仪测定多种不同干密度及含水率的原状黄土试样、原状古土壤试样、重塑黄土试样和重塑古土壤试样的导热系数，然后根据测定得到的导热系数拟合各种试样的导热系数变化曲线，不但测定导热系数的速度快精度高，而且能够获知任何状态下岩土体的导热系数，为地源热泵的设计和施工提供了有力的数据保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为原状黄土试样的导热系数变化曲线；
图2为原状黄土试样的导热系数随含水率的变化及拟合曲线；
图3为重塑黄土试样的导热系数变化曲线；
图4为重塑黄土试样的导热系数随含水率变化的拟合曲线；
图5为重塑黄土试样的实验参数拟合曲线；
图6为原状古土壤试样的导热系数变化曲线；
图7为原状黄土试样与原状古土壤试样的导热系数对比曲线；
图8为原状古土壤试样的导热系数拟合曲线；
图9为重塑古土壤试样的导热系数变化曲线；
图10为重塑古土壤试样的导热系数随含水率变化的拟合曲线；
图11为重塑古土壤试样的实验参数拟合曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了岩土体导热系数测定方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，试样制备，制备多个不同干密度的原状黄土试样、多个不同干密度的原状古土壤试样、多个不同干密度重塑黄土试样和多个不同干密度重塑古土壤试样；
步骤二，分别采用密度计法、X射线衍射方法(XRD)和X射线荧光光谱方法(XRF)测定上述试样的黄土粒度组成、全岩矿物成分和全岩化学成分，以确定试样中影响导热系数的主导因素；
步骤三，对于不同干密度原状黄土试样，使用导热系数测试仪测定每种干密度的原状黄土试样的导热系数；
步骤四，将每种干密度的原状黄土试样分别增(减)湿到不同含水率，使用导热系数测试仪测定增(减)湿后的试样的导热系数；
步骤五，对于不同干密度原状古土壤试样，使用导热系数测试仪测定每种干密度的原状古土壤试样的导热系数；
步骤六，将每种干密度的原状古土壤试样分别增(减)湿到不同含水率，使用导热系数测试仪测定增(减)湿后的试样的导热系数；
步骤七，将每种不同干密度且初始含水率为5％的重塑黄土试样以及重塑古土壤试样分别增湿到不同含水率，使用导热系数测试仪测定每种干密度的重塑黄土试样和重塑古土壤试样的导热系数；
步骤八，根据步骤三和四测定得到的导热系数绘制并拟合得到原状黄土试样的导热系数曲线，根据步骤五和六测定得到的导热系数绘制并拟合得到原状古土壤试样的导热系数曲线，根据步骤七测定得到的导热系数绘制并拟合得到重塑黄土试样和重塑古土壤试样的导热系数曲线。
步骤一种制备试样的方法如下：
1、原状试样均为环刀取样，环刀尺寸为：直径70mm、长度19mm，每个试样含水率均进行5％、10％、15％、20％、25％、30％及饱和含水率的增(减)湿。对含水率低于天然含水率的试样采用“自然风干法”，为了防止试样产生体缩，将试样放置于无水的保湿缸中加盖保存，当试样含水率接近目标含水率时，将其用保鲜膜包好放入养护缸中养护24小时以上，待试样内部水分均匀后即可进行实验。对于含水率大于天然含水率的土样采用“水膜转移法”，然后每次以2％的含水率增量递增。每次增湿后的试样用保鲜膜包好放入保湿缸中养护24小时以上，使试样的含水率均匀分布。为减小干密度及含水率差异对实验结果带来的影响，选用试样需满足干密度差值≤0.02g/cm3，含水率差值≤1％。
2、重塑试样的尺寸与原状试样相同。先将削切完原状样的散样风干过2mm孔径的筛子并搅拌均匀，测定其风干后的含水率，然后称量土样和水，配置得到相应含水率的土样，在密闭的养护缸内静置数天。制样时，先按照要求的干密度，称取一定量的湿土质量，放入压样器中，分层压制。压制成型的试样用直径70mm、高19mm的环刀切取。对已经制备好的试样增(减)湿到目标含水率5％、10％、15％、20％、25％、30％及饱和，并将其用保鲜膜包好放入养护缸中养护24小时以上，使试样的含水率均匀分布。
3、将增湿后的环刀样进行抽真空饱和，静置24小时以上。在每次实验前需测量试样的质量及目标含水率、饱和后试样的质量及饱和含水率。
本发明中使用的导热系数测试仪型号为DRE-2C，由测试主机、探头和计算机采集设备组成，其中探头是由导电金属镍经刻蚀处理后形成的连续双螺旋结构的薄片，外层涂有一层保护层，令探头具有一定的机械强度，同时保持探头与样品之间的电绝缘性。
下面结合实验对本发明的步骤和效果进行说明。
黄土和古土壤的粒度和矿物成分分析
根据土粒在水中匀速下沉的速度与粒径的理论关系，采用密度计法测定典型黄土土样的粒度组成，分析实验结果如表1所示。
表1黄土试样的粒度组成
从表1看出，关中地区典型黄土的粒度组成主要为粉粒(0.075-0.005mm)，其含量69.9％。在黄土中粘粒含量在一定程度上决定着黄土的物理、力学性质，同时亦决定其热力学性质。
黄土固相物质成分主要是原生矿物颗粒和次生粘粒，还有一定的有机质颗粒，矿物成分构成黄土骨架颗粒的主体，粘粒和有机质颗粒是重要的胶结材料。采用X射线衍射方法(XRD)测定了黄土土样的全岩矿物成分，对土样的全岩化学成分采用X射线荧光光谱方法(XRF)测试。测试结果如表2和3所示。
表2黄土试样和古土壤试样的矿物成分
黄土和古土壤的矿物成分单就矿物种类而言约40种之多，主要包括两个方面：粗矿物成分(>0.005mm)和粘土矿物成分(<0.005mm)。本次实验所用关中地区土样中的骨架矿物颗粒主要是石英、长石、方解石，粘土矿物主要是伊利石、高岭石及绿泥石等。由表2的数据可知，古土壤中的石英、长石含量较黄土略高。
表3黄土试样和古土壤试样的化学成分
黄土和古土壤的化学成分中以SiO2、Al2O3最多，其次为Fe2O3和CaO，这与表2中主要矿物石英、长石的情况一致。
由固、液、气组成的多孔介质体，导热系数一般固态大于液态，液态大于气态。黄土的导热系数取决于组成物质的性质和状态，Cote J测出石英的导热系数为7.69W/(m.k)，Miao等测取钾长石的导热系数为2.3W/(m.k)、钠长石的导热系数为2.3W/(m.k)、斜长石的导热系数为1.53W/(m.k)。另外也有资料给出石英的导热率20.4W/(m.k)，长石7.0W/(m.k)，水的导热率1.42W/(m.k)，空气0.061W/(m.k)。石英、水和空气之间的温度传导率之比为333:23:1。可知，黄土的矿物成分中石英、长石的相对含量在一定程度上主导着黄土的导热系数，另外固、液、气三相组成成分及其比例、孔隙大小、固体颗粒的排列方式、固相和液相界面的接触程度等也对导热系数产生了一定的影响。
原状黄土试样导热系数实验
对在西安某地采集的黄土按照前述步骤进行了实验，获取不同干密度下导热系数随含水率的变化曲线如图1所示。
据图1，随着含水率的增加，原状黄土试样的导热系数呈现缓慢增大，当含水率达到饱和(饱和含水率18～20％)后，导热系数急剧增加。究其原因，干燥状态下颗粒间的热传导主要途径局限于颗粒接触点，在接触点周围增加少量水分后在颗粒表面会形成水膜，增强了颗粒间的有效接触面积，此阶段土体内的孔隙依旧存在，故导热系数有所增加，但增加幅度不大；含水率持续增加，达到饱和状态附近时，颗粒间的有效接触面积持续增大，水分逐渐对孔隙进行填充，取代孔隙中导热系数较低的空气，继而导热系数呈现显著的增长。
试样导热系数随干密度的增加而增大，这是因为随干密度增大，单位体积中矿物颗粒含量增大，颗粒中间接触更为紧密，土体孔隙及气相相对减少，干密度越大，越有利于温度的传导。从图中亦可看出，当试样的含水率大于20％后，导热系数随干密度的变化才更为明显；当试样含水率低于20％时，试样的导热系数随干密度的增大不明显。其原因在于含水率越接近饱和含水率，土中的孔隙大部分为水充填，水的导热系数远大于孔隙中空气的导热系数，含水率接近饱和含水率时，导热系数随干密度增大呈现显著变化。
取原状黄土的试样干密度ρd＝1.44g/cm3曲线，作出横坐标为ln(w)，纵坐标为导热系数λ的变化曲线并进行拟合，得到的拟合曲线见图2所示。
根据图2得到原状黄土试样导热系数和含水率的关系为：
λ＝0.23+0.38*|ln(w)-2.3|9.86 (1)
重塑黄土试样导热系数实验
对配置好的不同干密度、不同含水率的重塑黄土试样进行导热系数实验，整理实验结果，绘制重塑黄土试样在不同干密度下导热系数随含水率、干密度变化的关系曲线如图3所示。
据图3，土体导热系数随含水率的增大呈现线性增加，随着干密度增大，导热系数随之增大，呈现近似线性关系。与图1相比，重塑黄土试样的导热系数随含水率和干密度的变化规律更为明显，曲线呈现大的变化。原因在于重塑之后，黄土的结构性受到破坏，孔隙比发生显著变化，水分逐渐对孔隙进行填充的过程缩短，进而表现为曲线的变化。
对重塑黄土试样的导热系数随含水率变化曲线进行拟合如图4所示。
导热系数与含水率的关系用线性关系拟合，拟合公式为：
λ＝a+bw (2)
式中，λ为土体的导热系数，w为土体的含水率，a、b为实验参数。
列出拟合得到的实验参数如表4所示。
表4拟合参数一览表
据表4，a、b是和干密度ρd相关的参数，建立a、b和ρd的关系曲线见图5所示。
据图5得到如下关系式：
a＝1.71ρd-1.89 (3)
b＝-5.69ρd 2+15.79ρd-7.97 (4)
将式(3)和(4)带入到(2)，即可得到重塑黄土试样的导热系数表达式：
λ＝(-5.69ρd 2+15.79ρd)w+1.71ρd-7.97w-1.89 (5)
采用式(5)对重塑黄土试样在不同干密度和含水率下的导热系数进行计算，将计算结果与实测结果进行对比分析，用相对误差公式：
式中，x*为实测值，x为计算值。
用式(6)计算的相对误差结果如表5所示：
表5相对误差分析表
根据表5数据，导热系数实测结果和计算结果的误差均小于10％，故可以采用式(5)来计算黄土的导热系数。
原状古土壤试样导热系数实验
对西安某场地的原状古土壤试样开展了不同含水率和不同干密度下的导热系数实验，得出其变化关系曲线如图6所示。
据图6，随着含水率的增加，原状古土壤试样的导热系数呈现缓慢增大，当含水量到饱和后，导热系数急剧增加，随干密度的增大，导热系数增加，和原状黄土试样呈现类似的规律。
取干密度1.47的数据进行分析，如图7所示。
根据图7，黄土和古土壤导热系数随含水量的变化关系类似，并且在相同含水率和干密度条件下，古土壤的导热系数要略高于黄土的导热系数。原因在于古土壤中石英、长石的平均含量较黄土矿物的平均含量略高，因而其导热系数较大。
取原状古土壤试样干密度ρd＝1.47g/cm3曲线，作出横坐标为w，纵坐标为λ的变化曲线并进行拟合，得到的拟合曲线如图8所示。
根据图8，可得到ρd＝1.47g/cm3时，原状古土壤试样的导热系数与含水率的关系式为：
λ＝2.42×10-3×e(w/4.8)+0.26 (7)
重塑古土壤试样导热系数实验
对不同干密度、不同含水率的重塑古土壤试样进行导热系数实验，整理实验结果，绘制重塑古土壤试样在不同干密度下导热系数随含水率的变化曲线如图9所示。
根据图9，不同干密度下重塑古土壤试样的导热系数随含水率呈线性变化。不同含水率下，导热系数随干密度的增加而增大，呈现近似线性增长关系。与图6相比，重塑古土壤试样的变化规律较为明显，二者曲线呈现较大差异。原因在于重塑之后，古土壤试样结构性破坏，孔隙比发生明显变化，孔隙为水分填充的过程缩短甚至消失，进而发生较大变化。
对重塑古土壤试样的导热系数随含水率变化曲线进行拟合如图10所示。
用式(2)的线性拟合公式拟合，拟合数据如表6所示。
表6拟合参数一览表
根据表6中数据建立a、b和ρd的关系曲线见图11。
据图11得到如下关系式：
a＝1.94ρd-2.19 (8)
b＝-20.18ρd 2+56.88ρd-36.91 (9)
将式(8)和(9)带入到式(2)，即可得到重塑古土壤试样的导热系数和干密度、含水率的关系式为：
λ＝-(20.18ρd 2-56.88ρd)w+1.94ρd-36.91w-2.19 (10)
采用式(10)对重塑古土壤试样在不同干密度和含水率下的导热系数进行计算，将计算结果与实测结果进行对比分析，采用式(6)计算的相对误差结果如表7所示。
表7相对误差分析表
据表7，导热系数实测结果和计算结果的误差除个别误差略大于10％外，其余均小于10％，故可以采用式(10)来计算古土壤的导热系数。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.岩土体导热系数测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，制备不同干密度的原状黄土试样、不同干密度的原状古土壤试样、不同干密度重塑黄土试样和不同干密度重塑古土壤试样；
步骤二，分别采用密度计法、X射线衍射方法XRD和X射线荧光光谱方法XRF测定上述试样的黄土粒度组成、全岩矿物成分和全岩化学成分，以确定试样中影响导热系数的主导因素；
步骤三，对于不同干密度原状黄土试样，使用导热系数测试仪测定每种干密度的原状黄土试样的导热系数；将每种干密度的原状黄土试样分别增或减湿到不同含水率，使用导热系数测试仪测定增或减湿后的试样的导热系数；
步骤四，对于不同干密度原状古土壤试样，使用导热系数测试仪测定每种干密度的原状古土壤试样的导热系数；将每种干密度的原状古土壤试样分别增或减湿到不同含水率，使用导热系数测试仪测定增或减湿后的试样的导热系数；
步骤五，将每种不同干密度且初始含水率为5％的重塑黄土试样以及重塑古土壤试样分别增湿到不同含水率，使用导热系数测试仪测定每种干密度的重塑黄土试样和重塑古土壤试样的导热系数；
步骤六，根据步骤三测定得到的导热系数拟合得到原状黄土试样的导热系数曲线，根据步骤四测定得到的导热系数拟合得到原状古土壤试样的导热系数曲线，根据步骤五测定得到的导热系数拟合得到重塑黄土试样和重塑古土壤试样的导热系数曲线。
2.如权利要求1所述的岩土体导热系数测定方法，其特征在于，所述原状黄土试样和原状古土壤试样均为环刀取样，对含水率低于天然含水率的试样采用自然风干法，将试样放置于无水的保湿缸中加盖保存，当试样含水率接近目标含水率时，将其用保鲜膜包好放入养护缸中养护24小时以上；
对于含水率大于天然含水率的试样采用水膜转移法，每次以固定含水率增量递增，每次增湿后的试样用保鲜膜包好放入保湿缸中养护24小时以上，使试样的含水率均匀分布。
3.如权利要求2所述的岩土体导热系数测定方法，其特征在于，制备所述重塑黄土试样和重塑古土壤试样前，先将削切完原状样的散样风干过筛并搅拌均匀，测定风干后的含水率，然后称量土样和水，配置得到相应含水率的土样，在密闭的养护缸内静置数天；
制样时，先按照要求的干密度，称取一定量的湿土质量，放入压样器中分层压制；压制成型的试样用环刀切取，对已经制备好的试样增或减湿到目标含水率，并将其用保鲜膜包好放入养护缸中养护24小时以上，使试样的含水率均匀分布。
4.如权利要求3所述的岩土体导热系数测定方法，其特征在于，增湿后的所述原状黄土试样、原状古土壤试样、重塑黄土试样和重塑古土壤试样进行抽真空饱和，并静置24小时以上，每次实验前测量试样的质量及目标含水率、饱和后试样的质量及饱和含水率。
5.如权利要求1所述的岩土体导热系数测定方法，其特征在于，所述导热系数测试仪由测试主机、探头和计算机采集设备组成，其中探头是由导电金属镍经刻蚀处理后形成的连续双螺旋结构的薄片，外层涂有一层保护层。
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