重塑黏土導(dǎo)熱系數(shù)影響因素灰色關(guān)聯(lián)分析

胡其志 程佳會 許兆棟

關(guān)鍵詞：重塑黏土;土壤源熱泵系統(tǒng);導(dǎo)熱系數(shù);瞬態(tài)平面熱源法;地熱能;灰色關(guān)聯(lián)分析

地熱能具有可再生、可持續(xù)、清潔（非二氧化碳排放）的特點，且是直接使用能源，因此隨著全球新資源需求的增加，地熱能的開發(fā)利用逐漸成為新興地區(qū)的新興產(chǎn)業(yè)[1]。地源熱泵系統(tǒng)是利用地下土壤常年溫度相對穩(wěn)定的特性，通過埋入建筑物周圍的地耦管與建筑物內(nèi)部完成熱交換的裝置，因此土壤傳熱性質(zhì)的研究顯得尤為重要。已有研究表明，土體導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素很多，包括干密度、含水量、飽和度以及土壤礦物成分等。眾多學(xué)者為明晰土壤導(dǎo)熱特性與其影響因素之間的關(guān)系做了許多有價值的研究工作?；矢t旺等采用熱探針法測定了不同含水率土樣的導(dǎo)熱系數(shù)，并對其變化規(guī)律進行了分析，結(jié)果表明，5種土樣的導(dǎo)熱系數(shù)均隨著含水率的增加呈非線性增加趨勢[2]。王鐵行等通過采用準穩(wěn)態(tài)法研究了黃土導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，隨著土體密度和含水率的增加，黃土的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容均呈增大趨勢，其中隨著含水率的變化尤為顯著[3]。王海波等采用ISOMET熱特性分析儀對粉土的重塑樣及原狀樣熱物理參數(shù)進行了測試，從土體三相構(gòu)成角度分析了粉土熱物理參數(shù)與孔隙率、飽和度的演化關(guān)系，得出孔隙率、飽和度與導(dǎo)熱系數(shù)呈非線性關(guān)系[4]。

目前，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對重塑土導(dǎo)熱系數(shù)影響因素進行分析的研究較少。本研究運用平板熱源法在室內(nèi)分析影響重塑土導(dǎo)熱性能的因素，并在此基礎(chǔ)上采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對影響重塑土導(dǎo)熱系數(shù)的因素進行研究，分析重塑黏土干密度、含水率、固結(jié)壓力等因素對導(dǎo)熱系數(shù)的影響程度，以期為土壤熱學(xué)參數(shù)的研究提供借鑒，為土壤源熱泵系統(tǒng)的實際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 導(dǎo)熱系數(shù)測試

1.1 試驗用土

試驗用土為取自湖北省武漢市某地區(qū)的黏土，通過室內(nèi)土工測試手段對其進行測試，得到該黏土的物理性參數(shù)（表1）。

1.2 試驗設(shè)備

本試驗主要利用DRE-Ⅲ多功能快速導(dǎo)熱測試儀完成，該儀器的熱阻范圍為0.000 005～0.500 000 m2·K/W，導(dǎo)熱系數(shù)測定范圍為0.005～100 W/（m·K），溫度測定范圍為室溫至120 ℃，可同時測得導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴散系數(shù)和比熱容。

該導(dǎo)熱測試儀基于TBS瞬態(tài)平面熱源法原理，主要利用Hot Disk探頭來測定土體的導(dǎo)熱系數(shù)。試驗時，將Hot Disk探頭放在2個具有相同條件的試樣之間，并保證導(dǎo)熱儀有一定的電流輸入和輸出，在這個過程中，探頭的溫度會發(fā)生變化，其變化情況受2個土樣導(dǎo)熱性能的影響。當探頭的溫度變化較小時，表示探頭產(chǎn)生的熱量被測試樣快速轉(zhuǎn)移了，說明被測試樣的導(dǎo)熱性能較好;當探頭的溫度變化較大時，則表示探頭產(chǎn)生的熱量發(fā)生了較少傳遞，說明被測試樣的導(dǎo)熱性能較差[5]。

1.3 試驗步驟

在實驗室將土料制備成重塑土試樣，開展重塑黏土的熱參數(shù)試驗。根據(jù)土工試驗標準，將土樣風(fēng)干，碾碎，過2 mm分析篩，烘干。取適量干土樣，分別配置成含水率為15%、20%、25%、30%的濕土，然后放置在玻璃缸中靜置24 h，備用。采用4種含水率濕土分別設(shè)計制作干密度為1.40 g/cm3、直徑為61.80 mm、高度為20.00 mm的環(huán)刀試樣，并對其進行熱參數(shù)試驗。為保證試驗的可靠性，每種干密度取8個環(huán)刀試樣設(shè)為一組并進行編號，以便采用雙面法進行測試。然后取固結(jié)壓力為0 kPa、干密度為1.40 g/cm3的土樣分別設(shè)計制作含水率為15%、20%、25%、30%的環(huán)刀試樣，并對其進行熱參數(shù)試驗;取固結(jié)壓力為0 kPa、含水率為20%的濕土分別設(shè)計制作干密度為1.30、1.40、1.50、1.60 g/cm3的環(huán)刀試樣，并對其進行熱參數(shù)試驗;最后取干密度為1.40 g/cm3、含水率為20%的土樣分5級施加軸向固結(jié)壓力（0、100、200、300、400 kPa），并對其熱參數(shù)進行測試。表2為實測試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 重塑黏土導(dǎo)熱系數(shù)隨影響因素的變化規(guī)律分析

2.1 重塑黏土導(dǎo)熱系數(shù)與影響因素的關(guān)系

土壤導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素有很多，其中土體的三相（固、液、氣相）組成方式是影響其導(dǎo)熱系數(shù)的因素之一，土壤中各組分的容量比例、固體顆粒的大小和排列以及固、液相間界面關(guān)系的不同，對土壤導(dǎo)熱系數(shù)的影響方式也不同。另外，不同地理位置、不同地下深度的土壤組成也不盡相同。因此，影響土體導(dǎo)熱系數(shù)的因素有土壤密度、含水率、孔隙率、飽和度以及土壤類型、地下水位深度等[6]。

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)隨影響因素的變化規(guī)律

根據(jù)表2中的導(dǎo)熱系數(shù)測定結(jié)果，分別繪制重塑黏土導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率、干密度、固結(jié)壓力等因素的變化曲線，結(jié)果如圖1至圖3所示。

結(jié)合表2、圖1至圖3可知，含水率是影響?zhàn)ね镣馏w性質(zhì)的一個重要指標，含水率大的土壤土體間孔隙較小，導(dǎo)熱系數(shù)相對較大。干密度是反映土體密實程度的一個物理性質(zhì)指標，該指標越大，導(dǎo)熱系數(shù)越大。固結(jié)壓力可反映不同深度黏土的應(yīng)力狀態(tài)，從測試結(jié)果可以看出，黏土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著固結(jié)壓力的增大而增大。由圖1可知，在干密度和固結(jié)壓力一定的條件下，隨著土樣含水率的增大，導(dǎo)熱系數(shù)呈增大趨勢。這主要是由于在固、液、氣三相中，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小，固體顆粒導(dǎo)熱系數(shù)最大，當含水率較大時，土體間的孔隙逐漸被水填充，導(dǎo)熱性能好的水替代了導(dǎo)熱性能差的氣體，使土體的導(dǎo)熱性能增強，但當含水率超過25%后，水幾乎充滿了土體間的孔隙，使得土體趨向于通過固、液二相傳熱，隨著含水率繼續(xù)的增大，土體導(dǎo)熱系數(shù)的增長趨勢減緩。這表明含水率是影響土體導(dǎo)熱系數(shù)的因素之一。

由圖2和圖3可知，隨著土體干密度、固結(jié)壓力的增大，黏土的導(dǎo)熱系數(shù)同樣呈增大趨勢，分析認為，這主要與土體內(nèi)的礦物成分含量有關(guān)，同一地區(qū)的黏土基本成分相同，單位體積不同干密度土壤的礦物成分含量不同，土體導(dǎo)熱能力隨著礦物質(zhì)含量的增大而增強，干密度越大，土體的礦物成分含量越大，土體的導(dǎo)熱系數(shù)也就越大。當固結(jié)壓力增大時，土體間的孔隙減小，土壤礦物質(zhì)顆粒之間的接觸面積增大，進而使導(dǎo)熱系數(shù)增大。這表明土體的含水率、干密度、固結(jié)壓力與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系密切。