含水量与孔隙率对土体热导率影响的室内实验
土工试验报告【范本模板】
土工试验指导书及试验报告实验一含水量、密度、相对密度测定A 实验要求（1）由实验室提供扰动土样,或由学生现场取样，要求学生测定该土样的含水量、密度和相对密度;（2）根据实验结果要求学生确定该土的孔隙比（e）孔隙率（n）、饱和度（S r）、干土密度（ρd）和饱和密度（ρsat）等物理指标；（3）观察原状土样。
B 实验方法一、含水量试验土的含水量是土在100℃～105℃下烘至恒重时所失去的水份质量与土颗粒质量的比值,用百分数表示。
本试验采用烘干法或酒精燃烧法，烘干法为室内试验的标准方法。
（一）仪器设备：1、恒温电烘箱2、无水酒精3、天平（感量0.01g)4、称量盒(又叫烘土盒）5、干燥器（用无水氯化钙作干燥剂）（二）试验步骤：1、选取有代表性的试样不少于20g（砂土或不均匀的土应不少于50g）,酒精燃烧法的试样大约5~6 g放入称量盒内立即盖紧，称称量盒和湿土质量（m1）并准确至0.01g。
记录称量盒号码、称量盒质量（m3)和m.2、打开称量盒，放入电烘箱中在100℃~105℃温度下烘至恒重。
(烘干时间一般自温度达到100℃~105℃算起不少于6小时）.然后取出称量盒，加盖后放进干燥器内，使冷却至室温。
3、从干燥器中取出称量盒，称取称量盒加干土的质量（m2），准确至0.01g,并将此质量记入表格内。
4、本试验须进行二次平行测定。
（三）计算：按下式计算含水量：W（%)＝（m1－m2)／（m2－m3）×100％计算至0.1％式中：m1－m2 试样中所含水的质量；m2－m3 试样土颗粒的质量。
（四）有关问题说明：1、含水量试验用的土应在打开土样包装后立即采取(或直接现场取土），以免水份改变，影响结果.2、本试验须进行平行测定，每组学生取两次试样测定含水量，取其算术平均值作为实验室称干试样的质量。
二、密度试验单位体积土的质量称为土的密度。
密度的测定,对一般粘性土采用环刀法，如试样易碎或难以切削成有规则的形状时可采用蜡封法、灌水法和灌砂法等。
含水量与孔隙率对土体热导率影响的室内实验
摘 要 ：为建立 热 导率 与影 响 因素 间 的确 定性 关 系和 推算 公 式 ， 需要 严格 的 实验 ， 即研 究 某一影 响 因素 时应 保持 其他 因素不 变 。 严格 控 制其 他各 影 响 因素 的情 况下 ， 别研 究 了土体 热导 率 随含 水量 （ 持 孔 隙率、 在 分 保 土
２ Ｎａ ｊ ｇ Ｈｙ ｒｕ ｉ Ｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｔ ｕ ｅ Ｎａ ｊ ｇ ２ ０ ２ ， ｈｎ ） ． ｎｉ ｄ ａ ｌ ｅ ｅ ｒ ｈ Ｉ ｓｉ ｔ ， ｎｉ １ ０ ４ Ｃ ｉａ ｎ ｃ ｔ ｎ
Ａｂｓ ｒ ｃ ：Ｉ ｒ ｒ ｔ ｉｄ ｐ ｅ ｉｅ ｒ ｌ ｔｏ ｈｉ ｔ ｅｎ ｔ ｒ ｌｃ ｎｄ ｔｖ ｔ ｎ ｎｆｕ ｎｃｎｇ ｆ ｃ ｏ ｓ，ｓ ｒｃ ｔ ａ ｔ ｎ ｏ ｄｅ ｏ ｂｕ ｌ ｒ ｃ ｓ ｅ ａ ｉ ｎｓ ｐ ｂｅ ｗｅ ｈｅ ｍａ ｏ ｕｃ ｉ ｉｙ ａ ｄ ｉ ｌ ｅ ｉ ａ ｔ ｒ ｔ ｉｔ ｅ ｅ ｉ ｎ ｓ ａ ｅ ｒ ｑｕ ｒ ｄ．Ｏｔ ｅ ａ ｔ ｓｓ ｕｌ ｅ ｋ ｐ ｏｎ ｔ ｎｔｗｈｉｅ ｔ ｅ ｅ ｆ ｃ ｎ ｉ ｆｕｅ ｉ ａ ｔ ｒ ｉ ｘｐ ｒｍｅ ｔ ｒ ｅ ｉｅ ｈ ｒ ｆ ｃ ｏｒ ｈｏ ｄ ｂ ｅ ｔ ｃ ｓ ａ ｌ ｈ ｆｅ ｔｏｆａ ｎ ｌ ｎｃｎｇ ｆ ｃ ｏ ｓ
两者 间相 对误 差较 小 ， 公 式 可直接 应 用 于实 际工程 。 该
关键词 ：土体 ； 导率 ； 水量 ； 隙率 ； 热 含 孔 粘粒 含 量 中图分 类 号 ： ６ ２ １ Ｐ ４ ． 文献 标 识码 ： Ａ
含水量与孔隙率对土体热导率影响的室内实验
收稿日期:2007211228.基金项目:江苏省自然科学基金资助项目(BK2007145);教育部首批“新世纪优秀人才”支持计划资助项目(N CET 20420454).作者简介:肖 琳(1981-),女,博士生.联系人:李晓昭,教授,博士生导师;研究方向:地下工程、岩土体热物理特性与传热模型;E 2m ail :lixz @nju .edu .cn .文章编号:100923443(2008)0320241207含水量与孔隙率对土体热导率影响的室内实验肖 琳1, 李晓昭1, 赵晓豹1, 俞 缙2, 胡增辉1, 纪成亮1(1.南京大学地球科学系,江苏南京210093;2.南京水利科学研究院,江苏南京210024)摘 要:为建立热导率与影响因素间的确定性关系和推算公式,需要严格的实验,即研究某一影响因素时应保持其他因素不变。
在严格控制其他各影响因素的情况下,分别研究了土体热导率随含水量(保持孔隙率、土样成分等不变)及随孔隙率(保持含水量、土样成分等不变)的变化规律,在此基础上再对影响因素的综合影响进行研究。
并从微观的角度分析土体热导率的变化规律,研究其内在传热机制。
分析发现,土样种类不同,热导率随含水量及孔隙率的变化规律也不同,同时还发现土体内部粘粒含量是表征热导率递变速率发生明显变化的重要因素。
给出了土体热导率的经验公式,将该公式计算值与工程土体的实验值进行对比后发现,两者间相对误差较小,该公式可直接应用于实际工程。
关键词:土体;热导率;含水量;孔隙率;粘粒含量中图分类号:P 642.1文献标识码:ALa ro ra to ry on influe nce s of m o is ture conte nt a ndpo ros ity on the r m a l conduc tiv ity of s o ilsX IA O L in 1, L I X iao 2z hao 1, ZH A O X iao 2bao 1, YU J in 2, H U Z eng 2hu i 1, J I Cheng 2liang1(1.D epartm ent of Earth Sciences ,N anjing U niversity ,N anjing 210093,Ch ina ;2.N anjing H ydraulic R esearch Institute ,N anjing 210024,Ch ina )A bs tra c t :In o rder to bu ild p recise relati on sh i p betw een ther m al conductivity and influencing facto rs ,strictexp eri m en ts are requ ired .O ther facto rs shou ld be kep t con stan t w h ile the effect of an influencing facto r is exam ined .T he effects of m o istu re con ten t (w ith con stan t po ro sity and com po siti on of so ils )and po ro sity (w ith con stan t m o istu re con ten t and com po siti on of so ils )w ere exam ined individually .B ased on these re 2su lts ,the general relati on betw een ther m al conductivity and m o istu re con ten t and po ro sity w as analyzed at the m icro level.A nd the heat tran sfer m echan is m of so ils w as studied to exp lain the p resen t resu lts .It is found that the so ils of differen t typ e fo llow differen t relati on ,and that the con ten t of clay particles is a very i m po rtan t facto r to illu strate the obvi ou s change of ther m al conductivity .T he em p irical relati on s w ere p resen ted ,fo r p redicting the conductivity of all above so ils ,and their efficiency w as estab lished by com 2p aring w ith the exp eri m en tal resu lts of so ils in engineering .Ke y w o rds :so ils ;ther m al conductivity ;m o istu re con ten t ;po ro sity ;con ten t of clay particles 土体热特性在工程应用中非常重要[1],例如地铁等封闭的地下建筑[2,3],需要应用热绝缘技术的土木工程[4],石油、天然气管道及核废料处置设备的设计和放置[5,6],埋地电缆[7],加热和冷冻的地基改良技术[5],煤、石油及天然气的勘探采掘[3,8]等。
岩土热物理性质室内测试方法探讨
岩土热物理性质室内测试方法探讨
室内热物理性质测试是在实验室条件下，通过测量岩土的温度和吸湿度，来估计它的热物
理性质的手段。
它是岩土工程设计和分析的重要实验和研究手段之一，对帮助建设单位了
解地基和结构物承受力存在大量影响因素，是室内非可量化及热物理性质研究的基础。
岩土热物理性质室内测试，是采用仪器测量岩土温度、吸湿、界水等固体物理性质及岩石
拉伸强度、空隙度、水胀比、抗压抗拉强度等物理性质，测定岩土物理性质的实验方法。
该测试首先应测量岩土的温度、吸湿度、界水等，并通过室内试验室设备进行可靠的拉伸、抗压、抗拉测试，根据测试结果计算热物理性质的指标。
通过实验，可以进一步提高岩土的性能，使岩土的性能相对较强，以满足建设需要。
而岩
土的室内测试，在鼓励岩土热物理性质实验室，不仅能准确测量岩土热物理性质，而且还
可以有效控制和指导岩土实际工程中用量的计算，更有效地实现建筑质量的提高。
综上所述，岩土热物理性质室内测试在工程中具有重要意义，它将有助于确定合适的岩土
质量标准、优化岩土质量，帮助建设单位有效管理和控制有关工程安全性及稳定性，鉴
于此，室内测试仍有必要，准确不失者质量及所需要的性能指标。
大孔隙对土壤水动力弥散系数影响的实验研究
大孔隙对土壤水动力弥散系数影响的实验研
究
实验研究对土壤水动力弥散系数的影响
土壤水动力弥散系数是指土壤中水分运移速率与水流速度及压力
的关系，是估算土壤水分运移速率、生态地表水文过程中渗透层深度
或渗透率的重要参数。
大孔隙对土壤水动力弥散系数的影响尤其显著，因此，对其影响有必要从实验上进行研究。
本实验采用重复条件实验方法，使用三种不同大小的孔隙（2.5 mm、5 mm和10 mm），研究不同大孔隙对土壤水动力弥散系数的影响。
实验土壤的物理性质测定结果表明，实验土壤含水量为205.2 g/kg，bulk density为1.38 g/cm3，沙粒比重1.37 g/cm3，含有4.7%的粘土。
实验结果表明，与2.5 mm、5 mm相比，10 mm孔隙对土壤水动力弥散系数的影响更大。
当孔隙大小为2.5 mm时，该系数最大，p<0.05，而当孔隙大小为10 mm时，该系数最小，p>0.05。
实验结果清楚地表明，孔隙的大小对土壤水动力弥散系数有显著影响，当孔隙越大，土
壤水动力弥散系数就越小。
本实验的结果对土壤水动力的模拟和建模将产生重要作用。
进一
步的研究还可以考虑在不同土壤类型中，不同大孔隙对土壤水动力弥
散系数的影响。
综上所述，本实验研究表明，大孔隙对土壤水动力弥散系数有显
著影响，大孔隙能够减小土壤水动力弥散系数，对土壤水动力的模拟
和建模有重要的意义。
此外，进一步的研究也可以考虑不同大小孔隙
对不同土壤类型的影响。
黄土导热系数和比热容的实验研究
黄土导热系数和比热容的实验研究黄土是社会经济发展过程中经常使用的土壤类型，在环境保护与水资源管理中发挥着重要的作用。
研究黄土的物理特性、人工影响和气候变化等，对于分析黄土温度场以及其它土壤特性以及估计其表面失湿速率、渗透系数和土壤水热变化的机制有着重要的意义，对于理解其影响环境的角色也有很重要的意义。
因此，黄土的导热系数和比热容研究尤为重要。
在黄土导热系数和比热容的实验研究中，主要是通过采用均匀黄土取样研究不同含水率下黄土的导热系数和比热容。
实验采用室内恒温通风箱，采用位温圆弧采集器实现对水文对因子的控制。
研究结果表明，随着含水率的增加，黄土的导热系数和比热容分别呈增加的趋势，其变化规律与黄土的结构及其微观结构变化有关。
根据实验结果，在实际应用中，黄土的导热系数和比热容的变化通常受到湿热因子的影响，因此，可以采用对湿热因子进行恒定的控制技术来维持土壤温度和热力学参数的稳定性，从而确保黄土在工程应用中达到理想的代替状态。
此外，在不同土壤类型的土壤热物性研究中，土壤的比热容与水的存在有着密切的联系，并且其大小受到土壤的组织结构、水汽在土壤中的流动形态以及土壤含水量的影响。
因此，对于黄土而言，重视其对水汽和水位变化的响应，也就是重视土壤含水率的变化及其对土壤温度变化的响应，这是掌握土壤物理特性，包括比热容，非常重要的。
在黄土比热容和导热系数实验研究大面积应用之前，如果对比热容和导热系数的研究不能有更全面的了解或实验结果不能给出更准确的值，那么，在工程应用中，将会遇到很大困难，也可能影响着实际的设计与施工。
因此，未来要更进一步研究黄土比热容和导热系数，可以通过一系列多参数试验，从而研究多参数对黄土比热容和导热系数的影响，从而为实际的工程应用提供更多的理论依据。
综上所述，黄土导热系数和比热容是研究黄土的重要物理特性，也是土壤水热变化的重要参数，是掌握土壤热物性的基本条件。
实验结果表明，黄土的导热系数和比热容与其含水率有着密切的关系。
水分含量对土壤导热系数的影响及机理
摘要 ： 对土壤导热系数随含湿率 的变化及其影响规律 的研 究是准 确进行 地源热 泵系统设 计 和运行 的基础 和前 提 。文章利用 Ｈ ｔｉ ｏ ｓ 常数分析仪对 不同含湿率的土壤导热系数进行了测量 ， ｄ ｋ热 研究分 析 了水分 含量对土壤 导
热 系数 的影 响及 机理 。结果表明 ： 导热 系数 随含湿率 增大而 总体呈增 大趋 势 ， 并非单 调递增 ； 湿率增 大时 但 含 土壤体 积呈降低一增大一降低～增大的变化趋势 ； 同含湿 率时水分 ， 不 同形 态 ， 对土 壤颗粒 的作用也 不 不 呈 其 相同 ， 从而导致土壤颗粒 间距离发 生变化 ， 进而影响体积变化 ； 水分形态 、 水分含量 以及 土壤颗 粒间 间距 的变化 均对 土壤导热系数大小产生影响 ， 这些 因素综合决定 土壤 导热系数的变化趋势。
ＹＵ Ｍｉｇ ｚ ｉ ，Ｃ ．ｈ ｎ ｎ ．ｈ ＡＯ Ｘｉｚ ｏ ｇ ，Ｗ ＡＮＧ Ｓ ａ — ｎ ｔａ． ｈ ｎ ｍｉｇ ，ｅ １
（ ．Ｋ ｙＬ ｂｒｔ ｙｏ ｅｅ ａｌ Ｅ ｅ ｙＵ ｉｚｔ ｎＴ ｃｎｌｇ ｕｌｉ ｆ ａ ｏａ Ｅ ｕａｉ ｎｓ ｙ Ｓ ａｄ ｎ １ ｅ ａｏａ ｒ ｆ ｎｗ ｂｅ ｎｒ ｔｉ ｉ ｅｈ ｏ ｙ ｉ Ｂ ｉ ｎ ｏ Ｎ ｔ ｎｌ ｄ ｃｔ ｎＭｉｉｒ ， ｈｎ ｏｇ ｏ Ｒ ｇ ｌａ ｏ ｏ ｎ ｄｇ ｉ ｏ ｔ
别 测试 导 热系 数 ， 现 加 热 过 程 得 到 的 导 热 系数 稍 发
图 １ 不 同含 湿 率 时 土 壤 的 导 热 系数 及 试 样 高 度
图 １是不 同含 湿率 时土 壤导 热 系数 以及试 样 高 度 ， 以看 出土壤 导 热 系 数 随着 含 湿 率 的增 大并 非 可
多孔建筑材料热湿传递过程的研究
多孔建筑材料热湿传递过程的研究多孔建筑材料在建筑行业中有着广泛的应用，它们具有优良的保温、隔热、隔音、吸湿等性能。
然而，热湿传递过程的研究对于多孔建筑材料的性能优化及其在建筑节能领域的应用至关重要。
本文将围绕多孔建筑材料热湿传递过程进行研究，旨在深入了解其传递规律和机制，为节能建筑设计和优化提供理论支撑。
多孔建筑材料是一种具有大量连通孔隙的材料，如混凝土、砖、石膏板等。
这些材料在建筑结构中发挥着重要作用，同时也对建筑能耗产生显著影响。
热湿传递过程是建筑物中常见的传热传质现象，它包括热传导、热对流和热辐射三种基本方式。
在多孔建筑材料中，这些传递过程会受到材料内部孔隙结构、表面状况、环境条件等多种因素的影响。
目前，对于多孔建筑材料热湿传递过程的研究已经取得了一定的进展。
研究者们提出了不同的数学模型和实验方法来描述和预测其传递行为。
然而，由于多孔建筑材料的复杂性和多样性，仍然存在许多挑战和问题需要解决。
例如，如何准确描述多孔材料内部孔隙的分布和相互连通性对热湿传递的影响，如何考虑环境因素（如温度、湿度）对多孔材料性能的影响等。
本文研究了多孔建筑材料热湿传递过程，通过设计和实施一系列实验，分析了多孔材料内部孔隙结构、表面状况对热湿传递过程的影响。
我们选取了具有不同孔隙率和表面特性的多孔建筑材料作为实验样品。
然后，通过稳态和非稳态实验测定样品的热传导系数、对流换热系数和辐射传热系数。
结合实验数据和理论分析，对多孔建筑材料热湿传递过程进行深入探讨。
实验结果表明，多孔建筑材料内部孔隙结构和表面状况对热湿传递过程有显著影响。
具有较高孔隙率的多孔材料具有较好的保温隔热性能，而表面状况也会影响材料的传热传质性能。
我们还发现多孔材料的热湿传递性能受环境因素（如温度、湿度）影响较大。
在高温高湿环境下，多孔材料的传热传质性能会显著下降。
本文的研究揭示了多孔建筑材料热湿传递过程的规律和机制，同时指出了当前研究中存在的不足之处和需要进一步探索的领域。
不同含水率下生土导热系数测试及对建筑能耗的影响
ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏ ｆ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｍｏ ｉ ｓ ｔ ｕ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎｔ ｅ ｎｔ ｏ ｎ ｔ ｈｅ ｔ ｈｅ ｒ ｍａ ｌ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎｃ ｅ ｏ ｆ ｒ ａ ｗ ｓ ｏ ｉ ｌ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ａ ｎｄ ｅ ｎｅ ｒ ｇｙ ｃ ｏ ｎｓ ｕ ｍｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｒ ａ ｗ ｓ ｏｉ ｌ ｂ ｕｉ ｌ ｄ ｉ ｎｇ ． Ｔｈｅ ｎ ｔ ｈｅ ｔ ｈｅ ｒ ｍａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｄｕ ｃ ｔ ｉ ｖｉ ｔ ｉ ｅ ｓ ｏｆ ｔ ｈｅ ｓ ｅ ｓ ａ ｍｐｌ ｅ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｅ ｄ ｆ ｒ ｏ ｍ ｔ ｈ ｅ ｖ ａ ｓ ｔ ｄｒ ｙ ｔ ｏ ｗｅ ｔ ｓ ａ ｔ ｕｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｓ ｔ ａ ｔ ｅ，ａ ｎｄ ｔ ｈｅ ｉ ｎｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｒ ｅ ｇｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｃ ｈ ａ ｎｇ ｅ ｓ ｏｆ ｒ ａ ｗ ｓ ｏ ｉ ｌ ｔ ｈｅ ｒ ｍａ ｌ ｃ ｏ ｎｄ ｕｃ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ ｏ ｎ ｈｅ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｅ ｎｅ ｒ ｇ ｙ ｃ ｏ ｎｓ ｕｍｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｄｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎｔ ｍｏ ｉ ｓ ｔ ｕｒ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｃ ｏｎｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｗａ ｓ ｓ ｔ ｕｄ ｉ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｍｅ ｔ ｈ ｏｄ ｓ ｏ ｆ ｄｙ ｎａ ｍｉ ｃ
种 生 土导热 系数 的 变化规律 。采 用建筑 能耗 动 态模 拟 结合 敏 感 性分 析 ， 研 究 了上 述 ３种 土样 在 不
同含水 率下 导热 系数 变化 对建 筑能耗 的影 响规律 。结果表 明 ， 含水 率 与生 土导 热 系数 成 线性 相 关 ；
含 水 率对 生土建 筑耗 热量 的影 响具有 显 著 的 地域 性 差 异 ； 新 疆 生土 在墙 体 湿 度 增 大情 况 下建 筑 能
含水量和孔结构对多孔建筑陶瓷砖导热系数影响的试验研究
随着建筑行业对建筑能耗的要求越来越高，建筑节能对于节约能源消耗具有重要的意义[1]。
导热系数可以用来表征建筑材料传输热量的能力，导热系数越大，保温效果就越差。
然而，实际上墙体材料的导热系数还与材料的含水量有关，当墙体保温材料受到潮湿的影响，含水量增加，整体围护结构的平均导热系数增大[2]。
所以在含孔材料中，水分的扩散与分布对传热传质具有重要意义[3]。
建筑陶瓷墙地砖作为建筑装修装饰材料，其导热系数不仅影响建筑负荷及能耗计算，而且通过控制其热传导性，改善室内的热舒适性，提升人们的生活品质。
影响导热系数的主要因素是内在的原材料组分和微观结构，外在环境的温度和湿度[4]。
在中低温工况下，温度对导热系数的影响较小，然而，环境温度的变化会导致含湿材料内部水分状态的相互转换[5]，从而导致湿材料的导热系数比水或干材料的导热系数都要高得多[6]。
含水量对导热系数的影响效果还取决于材料的孔隙结构，应综合考虑复杂孔隙结构中气孔孔径大含水量和孔结构对多孔建筑陶瓷砖导热系数影响的试验研究徐婉婷（北方工业大学建筑与艺术学院，北京100043）摘要：多孔建筑陶瓷砖是一种多相复合材料，其导热性受温湿度和孔隙率等多个因素的综合影响。
通过试验研究了不同孔结构、孔隙率和含水量等因素变化条件下多孔建筑陶瓷砖导热系数的变化规律。
结果表明，以淀粉和碳粉为造孔剂制备的建筑陶瓷均以开口气孔为主，整体连通性强。
淀粉造孔的孔径尺寸相对比较均匀，显气孔率高于碳粉。
随着造孔剂含量的增加，显气孔率和吸水率线性增大，孔径分布趋于分散。
多孔建筑陶瓷砖导热性的各影响因素之间具有明显的耦合作用特征，即含水率越高，温度变化对其导热性的影响越显著；显气孔率越高，导热系数对含水量的变化越敏感。
关键词：建筑陶瓷砖；导热系数；含水量；气孔中图分类号：TU522.1文献标识码：A文章编号：1001-6945（2024）02-25-04Abstract:As multiphase composite material,thermal conductivity of porous building ceramic tiles is influencedby multiple factors such as temperature,humidity and porosity.The variation law of thermal conductivity of po⁃rous building ceramic tiles is studied through experiments under different pore structures,porosity,and mois⁃ture content conditions.The results indicate that building ceramics prepared with starch and carbon powder as pore forming agents are mainly characterized by open pores with strong connectivity.The pore size formed by starch is relatively uniform with the higher apparent porosity.With the dosage increase of pore forming agent,the apparent porosity and water absorption increase linearly with uneven pore size distribution.There is a clear coupling effect between the various influencing factors of the thermal conductivity of porous building ceramic tiles,that is,the higher the moisture content,the more significant the impact of temperature changes on their thermal conductivity.The higher the apparent porosity,the more sensitive the thermal conductivity changes with water content.Key Words:building ceramic tile,thermal conductivity,moisture content,pore Experimental study on influence of moisture content andpore structure on thermal conductivity of porous building ceramic tilesXU Wan-ting小、分布情况和连通方式。
孔隙与水实验报告
孔隙与水实验报告1. 引言孔隙是指岩石或土壤中的空隙，它对于岩石或土壤的渗透性、保水性以及承载能力具有重要影响。
孔隙与水实验旨在研究孔隙对水分的吸附、滞留和运移的影响，进一步认识岩石或土壤的水文特性。
本实验选取不同材料的试样，通过测量吸湿性能和渗透性能，分析孔隙与水之间的关系。
2. 实验过程2.1 材料准备本实验选取了三种材料的试样：海绵、河沙和黏土。
海绵代表具有大孔隙的多孔材料，河沙代表细粒度材料，黏土代表胶结性很强的土壤材料。
每个试样的尺寸均为10cm ×10cm ×2cm。
2.2 吸湿性能测试首先，将试样放置于恒温恒湿的环境中，控制温度为25摄氏度，湿度为60%。
然后，在规定的时间间隔内，使用天平测量试样的质量变化，计算出质量增加量，并记录下来。
2.3 渗透性能测试在另一组试样中，将试样底部封闭，顶部保持开放。
然后，将试样放置在一个带有行程传感器和计时器的渗透装置上。
向试样顶部加压，使水从试样的孔隙中渗出，并通过行程传感器测量渗透深度和时间。
3. 实验结果与讨论3.1 吸湿性能测试结果根据吸湿性能测试的数据，我们可以观察到不同材料的试样对水分的吸湿能力不同。
海绵试样具有较高的水分吸湿率，在相同时间内吸湿量相对较大。
黏土试样具有较低的水分吸湿率，吸湿速度较慢。
河沙试样的吸湿性能与海绵试样和黏土试样相比介于两者之间。
3.2 渗透性能测试结果通过渗透性能测试，我们可以了解不同材料的试样对水的渗透情况。
海绵试样因为具有大孔隙，水分可以较快地渗透，所测得的渗透深度较大。
河沙试样的渗透性能较好，但相对于海绵试样来说，渗透深度较浅。
黏土试样具有最差的渗透性能，几乎无法渗透。
3.3 孔隙与水之间的关系根据实验结果，我们可以得出以下结论：- 孔隙的大小和分布对水分的吸湿和渗透有着重要影响。
孔隙较大的材料具有较好的水分吸湿能力和渗透性能，而孔隙较小的材料则相对较差。
- 孔隙的形状和排列对水分的运移也有一定影响。
多孔建筑材料内部湿分布及湿传递对导热系数影响研究
多孔建筑材料内部湿分布及湿传递对导热系数影响研究多孔建筑材料内部湿分布及湿传递对导热系数影响研究摘要：随着人们对能源效率的关注，多孔建筑材料的研究日益受到关注。
本文通过实验和数值模拟两种方法，研究了多孔建筑材料内部湿分布及湿传递对导热系数的影响。
实验结果表明，在多孔材料中存在着明显的湿分布不均匀性，并且湿传递对导热系数有着显著的影响。
数值模拟结果进一步验证了实验结果，并对湿传递的机理进行了分析。
本研究对于优化多孔建筑材料的设计和提高能源效率具有重要意义。
1. 引言多孔建筑材料因其良好的隔热性能和地下水渗透能力被广泛应用于建筑领域。
然而，多孔材料中存在的湿度分布和湿传递问题直接影响材料的导热系数，因此研究多孔建筑材料内部湿分布及湿传递对导热系数的影响具有重要的理论和实际意义。
2. 实验方法本研究选取了典型的多孔材料，通过实验测量了材料内部的湿度分布。
实验结果显示，在材料内部存在着明显的湿度不均匀性，湿度从表面向内部逐渐减小。
为了进一步探究湿传递对导热系数的影响，我们设计了两组实验：一组是控制湿度差异的实验，另一组是控制温度差异的实验。
结果显示，在相同温度差异情况下，湿度差异对导热系数的影响更加显著。
这说明湿度不仅仅是影响导热系数的因素，还与温度密切相关。
3. 数值模拟基于实验结果，我们建立了数学模型进行了数值模拟。
模型考虑了多孔材料的结构和吸湿特性。
模拟结果与实验结果基本一致，验证了实验结果的可靠性。
通过对湿传递机理的分析，我们发现湿度主要通过孔隙间隙传递。
因此，减少孔隙间距可以有效提高材料的导热性能。
4. 结果与讨论本研究结果表明，多孔建筑材料内部存在湿度分布不均匀性，湿传递对导热系数有着显著的影响。
同时，湿度与温度密切相关。
这些发现对于优化多孔建筑材料的设计和提高能源效率具有重要意义。
在实际应用中，可以通过调整孔隙结构和材料吸湿性能来改善导热性能。
5. 结论通过实验和数值模拟研究，本文探究了多孔建筑材料内部湿分布及湿传递对导热系数的影响。
含水率对黏土及沙土导热系数的影响
含水率对黏土及沙土导热系数的影响段妍;晋华;郑强【期刊名称】《人民黄河》【年(卷),期】2016(000)002【摘要】土壤导热系数是土壤源热泵换热性能的重要影响因素，而含水率是土壤导热系数的主要影响因素之一。
采用热探针法进行室内试验，测定含水率为0％、5％、10％、15％、20％、25％、30％黏土的导热系数，含水率为0％、5％、10％、15％、20％、25％沙土的导热系数。
结果表明：黏土导热系数随含水率提高的变化分三个阶段：含水率为0％～5％时，导热系数缓慢增长；含水率为5％～25％时，导热系数与含水率呈正相关线性快速增长并达到峰值；含水率超过25％时，导热系数增长趋缓且有下降趋势。
沙土导热系数随含水率的变化情况与黏土类似，也分三个阶段，但线性增长的含水率区间为5％～20％。
在一定含水率范围内，土壤导热系数随含水率的提高而增大，因此土壤源热泵建设于地下水富水性好的区域可获得较好的换热效果。
采用最小二乘法拟合了黏土和沙土的导热系数与含水率呈线性关系阶段的相关方程。
【总页数】3页(P114-116)【作者】段妍;晋华;郑强【作者单位】太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原030024;太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原030024; 太原理工大学水资源与环境地质研究所，山西太原030024;太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TU411.99;P642.11+5【相关文献】1.含水率对2种沙土根-土复合体残余强度的影响 [J], 胡宁;刘静;张永亮;苑淑娟;周丹丹;袁红民2.含水率对冻结沙土强度的影响 [J], 吴明颖3.含水率及孔隙率对黏性土电阻率影响的试验研究——以桂林红黏土、粉质黏土为例 [J], 陈议城;黄翔;陈学军;毕鹏雁;唐灵明4.含水率对墙材导热系数的影响研究 [J], 孙美钗5.沙土含水率对起沙临界风速影响 [J], 包为民因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
压实黄土导热系数的试验研究
压实黄土导热系数的试验研究李婕;马富丽;杜湧;白晓红【摘要】随着当今土建工程的不断发展,越来越多的地上空间将被消耗殆尽.地下空间的开发利用将是城市建设中的重点领域.而随着现在工程当中大量填土的应用,这就使得在地下工程建设时难免遇到压实填土;而土的热物理性质又是岩土地下工程建设设计中必不可少的设计参数.通过室内试验测试了不同击实功条件下、不同击实含水量的压实黄土试样的导热系数值.试验结果表明,压实黄土的导热系数与其击实含水量、干密度、孔隙比、饱和度等具有明显的相关性.在击实能一定的条件下,导热系数随土样的击实含水量的增加而增加,达到峰值后又随着含水量的增大而下降,随孔隙比的降低而增加,随着密度的增大而增大.导热系数较大值几乎都出现在压实土体较密实状态下.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2015(015)017【总页数】4页(P218-221)【关键词】地下工程;压实黄土;导热系数;含水量;干密度;孔隙比【作者】李婕;马富丽;杜湧;白晓红【作者单位】太原理工大学建筑与土木工程学院,太原030024;太原理工大学建筑与土木工程学院,太原030024;太原理工大学建筑与土木工程学院,太原030024;太原理工大学建筑与土木工程学院,太原030024【正文语种】中文【中图分类】TU411.21 研究目的与意义近年来很多科学家都对土的热物理性质进行了研究。
研究主要集中于两个方面:一是基于地热利用方面的研究，随着地球表面土地资源的逐渐匮乏，能源短缺困难的不断加剧和人类工程活动的发展，对地下空间的有限热能资源利用、环境的热调控能力设计以及采用适当的参数计算以最大限度的节能和节约投资等问题将日益成为人们关注的热点问题。
因此，有必要研究岩土体传热过程、规律以及热环境变化的规律，以达到节能、高效、安全的目的。
地源热泵技术已经在欧洲和北美国家得到广泛应用，这种以土壤为热源的热泵式空调技术具有突出的优点，如节电、占地少、无污染、运行费用低等。
土壤含水率对埋地管道热力影响的数值模拟
土壤含水率对埋地管道热力影响的数值模拟张文轲;张劲军;宇波【摘要】土壤导热系数与含水率的关系难以用解析方法直接描述,可基于现场实测数据回归得到不同含水率条件下的土壤导热系数拟合式.含水率变化对土壤温度场的影响主要体现在管道附近及近地表处,具体表现为土壤温度梯度减小,土壤蓄热量减小;进站油温降低幅度与降雨的范围和强度有关,数值模拟计算得到全线降雨时进站油温降低幅度约1～2.5 ℃,局部降雨时油温降幅小于1 ℃.【期刊名称】《油气田地面工程》【年(卷),期】2011(030)004【总页数】3页(P22-24)【关键词】土壤含水率;埋地热油管道;进站油温;数值模拟;温度场【作者】张文轲;张劲军;宇波【作者单位】中国石油大学(北京);中国石油大学(北京);中国石油大学(北京)【正文语种】中文凝点较高的原油一般采用加热输送方式，以确保油品输送温度高于其凝点。
当管道沿线遭遇大范围降雨或管道敷设处出现积水时，水分沿土壤纵向入渗，土壤含水率增加，导热系数发生改变，管道原有热力平衡体系被打破。
对于管道的安全运行管理而言，此时需考虑土壤含水率变化对管道热力参数的影响。
在埋地管道热力参数的数值模拟中[1-2]，使用Delaunay三角化方法构建非结构化网格可以准确追踪土壤温度场的变化，有限容积法和有限差分法可准确求解相关水力、热力模型。
土壤导热系数与含水率的关系难以用解析方法直接描述，可基于现场实测数据回归得到不同含水率条件下的土壤导热系数拟合式。
土壤含水率变化时，导热系数会发生较大变化。
土壤含水率的变化主要需考虑两种情况，一是不同深度土壤含水率的差异，二是由于降雨、地表积水入渗引起的土壤含水率的上升。
东北地区土壤为亚黏土，在土壤纵向方向导热系数受含水率影响较大。
根据现场实测数据[3]，不同深度处的土壤含水率可由以下拟合式得到式中w为土壤初始含水率（%）；h为管道埋深（m）。
当管道沿线出现降雨或地表积水时，土壤含水率与积水深度、降雨量、降雨时间、土壤种类、孔隙度和有机物含量等因素有关。
含水量对土体导热系数的影响
Industrial Construction Vol.51,No.9,2021工业建筑㊀2021年第51卷第9期㊀177㊀含水量对土体导热系数的影响∗李顺群㊀吴㊀琼㊀张㊀翻㊀李丽君(天津城建大学土木工程学院,天津㊀300384)㊀㊀摘㊀要:基于试验得到了土骨架的导热系数㊂结合土颗粒矿物与孔隙水相互作用的微观机理,对孔隙水含量对冻土导热系数的影响进行分析㊂随着孔隙水含量的增大,土体导热系数变化曲线将出现两个特征点,分别为 土结构控制点 和 土结构离散点 ㊂这两个变化特征点将导热系数变化曲线分为三个阶段:1)土骨架与强结合水结合阶段;2)孔隙水填充土孔隙阶段;3)孔隙水破坏土骨架阶段㊂在此基础上利用传热物理模型研究土体导热系数在这三个阶段的变化规律,并基于电晶格模型理论得到简便实用的导热系数计算式㊂㊀㊀关键词:含水量;导热系数;冻土;传热物理模型㊀㊀DOI :10.13204/j.gyjzG20070106INFLUENCES OF THE WATER CONTENT ON SOIL THERMAL CONDUCTIVITY COEFFICIENTSLI Shunqun㊀WU Qiong㊀ZHANG Fan㊀LI Lijun(School of Civil Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China)Abstract :Based on the thermal conductivity coefficients of soil skeletons obtained by experiments and themicroscopic mechanism of interaction between soil particles and pore water,the influence of the pore water content onthermal conductivity coefficients of frozen soil was analyzed.With the increase of the pore water content,the two characteristic points would appear in the curve of soil thermal conductivity coefficients,they were called "the soil structure control point"and "the soil structure dispersion point"respectively.The curve of thermal conductivitycoefficients could be divided into three phases by the two varible characteristics points:1)the combination phase of soil skeletons and strong binding water;2)the phase of water-filled pores of soil;3)the phase of soil skeletons damaged by pore water.On the basis,the change laws of soil thermal conductivity in these three stages were studiedby using the physical model of heat transfer,and the simple and practical formula of thermal conductivity coefficients was obtained based on the theory of the electric lattice model.Keywords :water content;thermal conductivity coefficient;frozen soil;physical model of heat transfer∗国家自然科学基金项目(41877251);天津市重点研发计划科技支撑重点项目(19YFZCSF00820)㊂第一作者:李顺群,男,1971年出生,博士,教授,博士生导师㊂通信作者:吴琼,女,1996年出生,硕士,786251329@㊂收稿日期:2020-07-01㊀㊀导热系数是表示土体导热能力的一项重要指标[1]㊂导热系数的变化直接影响土体中热流的传播速度和温度场的分布,是冻土模型试验和人工冻结法中温度场预测的关键参数㊂因此,对冻土导热系数内在规律变化的研究对于深入了解冻土的性质㊁提升实际工程的施工精度有着重要意义[2]㊂受到土颗粒表面能及水中溶质的影响,土中水冻结温度往往在低于零度的温度区间,而非零度点㊂而在此相应的温度区间,冻土中的含水量也在不断变化,而固态冰导热系数是液态水导热系数的4倍㊂因此,含水量直接反映了土体中孔隙水的含量,影响并决定了土体热参数的变化规律㊂对此国内外学者展开了相应的研究,Cosenza 等在考虑含水量对土体导热系数的非线性影响作用下,利用线性算式及QP 模型研究了含水量与孔隙率对导热系数的影响[3]㊂Nakshabandi 等考虑孔隙水张力的存在,研究得出含水量是区别于干密度与土颗粒构成的独特的影响因素[4]㊂Sepaskhah 等研究了温度与含水量对土体导热系数的影响[5]㊂Tarnawski 等基于对导热系数数据的分析,提出两个含水量临界变化的评价模型[6]㊂原喜忠等基于对大量导热系数数据的处理结果,提出导热系数随含水量变化的归一化计算式[7]㊂汪恩良等研究得出冻融条件下含水量变化对土体导热系数的影响规律[8]㊂叶万军等通过试验发现含水量对土体热参数的影响程度要大于干密度变化造成的影响[9]㊂178㊀工业建筑㊀2021年第51卷第9期为揭示含水率变化对土体导热系数的非线性影响,本研究基于传热物理模型,对不同含水量情况下土体中的传热规律及导热系数变化规律进行研究㊂通过试验得到土体土骨架导热系数㊂并根据孔隙水依附于土骨架而具有类似土骨架的空间结构性质,加以理论推导,得出由含水量控制的导热系数曲线变化的两个特征点㊂在此基础上,研究冻结状态下土体中孔隙冰与未冻水对导热系数的影响㊂1㊀土骨架导热系数1.1㊀导热系数试验试验测试土体为黏土,含水量为0%,并控制干密度为试验变量,干密度取1.4~1.8g /cm 3㊂依据GB /T 50123 2019‘土工试验标准“配制成直径ˑ高(70mm ˑ50mm)的圆柱型试样,并采用瞬态法测试土体导热系数㊂导热系数测试仪基于瞬态平面热源法进行测试,并配备了兼具发热和测温功能的测试探头,如图1所示㊂测试时需将测试探头放置在待测试土体内部,测试时间控制在3min 内㊂a 导热系数测试仪;b 测试探头㊂图1㊀测试设备Fig.1㊀Test devices干土导热系数测试值如图2所示㊂图2㊀干土的导热系数Fig.2㊀Thermal conductivity coefficients of dry soil1.2㊀土骨架导热系数干土由土颗粒和气体两相组成,由于孔隙的存在制约着热量在土体中的传递,所以土骨架的导热系数要大于干土的导热系数㊂根据导热系数理论公式[10],并考虑土体孔隙率,可计算不同干密度土体的土骨架导热系数㊂λ=QΔθΔhΔFT (1)式中:λ为导热系数,W /(m㊃K);Q 为热量,kJ;Δθ为测试体两端的温度差,ħ;Δh 为测试体传热距离,m;ΔF 为传热面的面积,m 2;T 为传热时间,h㊂式(1)是导热系数的理论表达式㊂同一传热条件下,干土试样与土骨架只有传热面积ΔF 之间存在差异,即ΔF 1=ΔF 21-n (2)式中:ΔF 1㊁ΔF 2分别为土骨架和干土试样的传热面积;n 为干土试样的孔隙率,根据式(1)㊁(2)可求得土骨架的导热系数λs =λdry1-n (3)其中㊀n =1-ρd ρs式中:λs 为土骨架导热系数;λdry 为干土试样的导热系数,可由试验测得;ρd ㊁ρs 分别为干土试样和土粒的干密度,g /cm 3,取ρs 为2.65g /cm 3㊂根据式(3)计算出土骨架导热系数,如表1所示㊂表1㊀土骨架导热系数Table 1㊀Thermal conductivity coefficients of soil skeletons黏土干密度/(g ㊃cm-3)导热系数/(W ㊃m -1㊃K-1)1.400.821.500.941.60 1.141.70 1.411.801.77㊀㊀在含水量极低的情况下,冻土与融土的导热系数趋于相同,并可以认为此时的土骨架的导热系数不受温度影响,仅由土颗粒自身物质构成和排列方式控制㊂2㊀孔隙水对土体导热系数的影响土是一种多孔的细碎介质,存在辐射㊁对流㊁和传导三种形式的热传递方式㊂天然条件下,土体中的辐射导热系数仅为传导导热系数值的0.75%[11]㊂所以,在一般工程热工计算中,土体辐射导热系数可忽略不计㊂在细碎介质任意形状和分布的孔隙中,由对流换热标准方程可以得出,当孔隙直径小于5mm 或孔隙比表面温度差小于10ħ,以对流方式交换的热量几乎为零[12]㊂热传导实质是由物质中大量的分子热运动互相撞击,而使能量从物体的高含水量对土体导热系数的影响 李顺群,等179㊀温部分传至低温部分,或由高温物体传给低温物体的过程[13]㊂土中水受土颗粒影响处在不同的状态[14],因此土颗粒表面不同位置处的孔隙水传热能力也会有所差别㊂随着孔隙水的不断增加,孔隙水对土体的导热系数影响就越大,对于土颗粒结构会出现 土结构控制点 和 土结构离散点 两个特征点㊂基于这两个特征点和传热物理模型对孔隙水含量变化下的土体导热系数进行分析㊂2.1㊀土骨架与强结合水结合阶段土颗粒彼此聚合形成网络状的土骨架,孔隙水填充土骨架之间的孔隙㊂随着孔隙水填充土骨架,土体导热系数将产生两个变化阶段:1)孔隙水由分子力㊁静电力及离子静电力控制阶段;2)孔隙水由重力控制阶段㊂土颗粒表层不同位置处的孔隙水状态不同,所具有的能量状态也不同,如图3所示㊂1 土颗粒;2 强结合水;3 弱结合水;4 自由水;5 带电离子㊂图3㊀土颗粒与孔隙水之间的作用示意Fig.3㊀The schematic diagram of the interaction between soilparticles and pore water从图3可以看出:临近土颗粒表面的孔隙水受到强烈的分子和离子间作用力,处于被约束状态,因此所处状态较为稳定,其导热能力也高于正常状态的孔隙水㊂将与土颗粒紧密结合的孔隙水视为土骨架的增加部分,如图4所示㊂图4㊀孔隙水增强土骨架示意Fig.4㊀The schematic diagram of soil skeletons reinforced by pore water依据式(4)可求得土体导热系数:λ1=λs (1-n u )(4)其中㊀n u =n -w 1ρd ρwl式中:n u 为对应孔隙水为土颗粒扩展部分时土体导热系数计算孔隙率;w 1为对应于该时的土体含水量;ρwl 为纯水在4ħ时的密度,1g /cm 3㊂2.2㊀孔隙水填充土孔隙阶段孔隙水填充在由土颗粒聚合形成的网络状的土骨架孔隙中㊂随着孔隙水的增加,逐渐达到重力水的阶段,土体导热系数也到达由重力水控制的阶段㊂如图5所示自由水由重力控制时,其物理状态与普通液态水一致,故其传热能力弱于结合水㊂基于不同介质间的传热规律,对于简单组合介质的导热系数计算可依据下列数学模型式计算㊂对于热流平行通过组合介质:λ=ðNi =1λi xi(5a)㊀㊀对于热流垂直通过组合介质:λ=ðNi =1λ-1ix i ()-1(5b)式中:λi 为各组成物质的导热系数;x i 为各组成物质的体积分数;N 为混合物各组成物质的总数㊂a 传热示意;b 传热模型㊂图5㊀常温土传热示意及传热模型Fig.5㊀The schematic diagram of the heat transfer and heattransfer model of soil at room temperature根据文献[15]可得出考虑土骨架和孔隙水主导的土体导热系数计算式:λ2=λs P s +(1-P s )P w λw (1-P s )+P a λa (1-P s )éëêêùûúú-1(6)式中:P s ㊁P w ㊁P a 分别为土骨架㊁孔隙水㊁气体含量的体积分数;λw 为孔隙水的导热系数,取为0.55W /(m ㊃K);λa 为气体的导热系数,取为0.024W /(m ㊃K)㊂当土体处于过饱和状态时,土体处于土-水两相体,此时导热系数可按式(7)计算:λ2=λs P s +λw P w(7)㊀㊀对于饱和及非饱和土体各项组成物的体积分数可按式(8)~(10)计算:180㊀工业建筑㊀2021年第51卷第9期P s =1-n (8)P w =wρd(9)P a =1-P s -P w(10)㊀㊀对于过饱和土体,组成物的体积分数可由式(11)计算㊂P s +P w =1(11)其中㊀P s =V s V=11+wd s式中:w 为土的含水量㊂2.3㊀孔隙水破坏土骨架阶段随着土体含水量的增加,孔隙水将组成土骨架的土颗粒隔开,此时土骨架完整性发生破坏㊂此含水量情况下,土体中通过土骨架传热效率降低,相反,通过孔隙水传热的效率提高,如图6所示㊂a 传热微观示意;b 传热物理模型㊂图6㊀土骨架破坏阶段传热示意及传热物理模型Fig.6㊀The schematice diagram of the heat transfer and physical model ofheat transfer in the failure stage of soil skeletons根据图6b 所示的传热物理模型,可建立基于完整孔隙水传热路径的土体导热系数计算模型:λ2=λw P w +(1-P w )P s λs (1-P w )+P w λw (1-P w )éëêêùûúú-1(12)㊀㊀土体各项组成物的体积分数可按式(13)㊁(14)计算㊂P w =wρdwρs1+ρs (13)P s =1-P w(14)3㊀结束语1)含水量对土体导热系数的影响,本质上是孔隙水和孔隙冰对土体孔隙的填充,改变了土体中传热介质的相对含量㊂随着土体含水量的增大,传热途径由干土土骨架与空气的双介质传热,发展为土-水-气三介质传热㊂随着孔隙水含量的增大,土㊀㊀体导热系数变化曲线将出现两个特征点,这两个点分别为 土结构控制点 和 土结构离散点 ㊂这两个变化特征点将导热系数变化曲线分为三个阶段:a.土骨架与强结合水结合阶段;b.孔隙水填充土孔隙阶段;c.孔隙水破坏土骨架阶段㊂2)基于土骨架导热系数推导出导热系数随含水量变化三个阶段的计算式㊂3)从含水量对土体导热系数度影响本质出发,依据土骨架导热系数变化曲线,将导热系数推导计算式分段推导计算,应是土体导热系数精准计算问题的重要方向㊂参考文献[1]㊀徐敩祖,王家澄,张立新.冻土物理学[M].北京:科学出版社,2010.[2]㊀陈之祥,李顺群,夏锦红,等.冻土导热系数测试和计算现状分析[J].建筑科学与工程学报,2019,36(2):101-115.[3]㊀COSENZA P,GUÉRIN R,TABBAGH A.Relationship BetweenThermal Conductivity and Water Content of Soils Using Numerical Modelling[J].European Journal of Soil Science,2003.https:// /10.1046/j.1365-2389.2003.00539.x.[4]㊀NAKSHABANDI G A,KOHNKE H.Thermal Conductivity andDiffusivity of Soils as Related to Moisture Tension and Other Physical Properties[J].Agricultural Meteorology,1965,2(4):271-279.[5]㊀SEPASKHAH A R,BOERSMA L.Thermal Conductivity of Soilsas a Function of Temperature and Water Content[J].Soil ScienceSociety of America Journal,1979,43(3):439.[6]㊀LEONG W H,TARNAWSKI V R,AITTOMÄKI A.Effect of SoilType and Moisture Content on Ground Heat Pump Performance[J].International Journal of Refrigeration,1998,21(8):595-606.[7]㊀原喜忠,李宁,赵秀云,等.非饱和(冻)土导热系数预估模型研究[J].岩土力学,2010,31(9):2689-2694.[8]㊀汪恩良,姜海强,崔恩彤,等.冻融对重塑黏土导热系数影响的试验研究[J].工程热物理学报,2018,39(4):871-879.[9]㊀叶万军,董西好,杨更社,等.含水率和干密度对黄土热参数影响的试验研究[J].岩土力学,2017,38(3):656-662.[10]陈之祥,李顺群,夏锦红,等.基于未冻水含量的冻土热参数计算分析[J].岩土力学,2017,38(增刊2):67-74.[11]于珊,李顺群,冯慧强.土的导热系数与其干密度㊁饱和度和温度的关系[J].天津城建大学学报,2015,21(3):172-176.[12]路建国,张明义,张熙胤,等.冻土水热力耦合研究现状及进展[J].冰川冻土,2017,39(1):102-111.[13]INCROPERA F P.传热和传质基本原理[M].叶宏㊁葛新石译.北京:化学工业出版社,2007.[14]马巍,王大雁.冻土力学[M]北京:科学出版社,2014.[15]李顺群,张翻,王彦洋,等.冻土导热系数骨架模型研究[J].深圳大学学报(理工版),2020,37(2):165-172.。
土体热传导性能及其热导率模型研究
土体热传导性能及其热导率模型研究张涛;刘松玉;张楠;段隆臣;蔡国军【摘要】为研究不同土体的热传导特性变化规律,利用热探针测试了南京地区典型土体在不同含水量和干密度状态下的热阻系数,分析了含水量、干密度、饱和度以及矿物成分等因素对土体热阻系数的影响,研究了不同状态下土体热导率的预测模型,提出了适用于不同地区土体热阻系数估算的修正系数.结果表明:南京地区典型土体的热阻系数随含水量和干密度增加而减小,当含水量超过一定范围后,热阻系数趋于稳定;热阻系数与饱和度之间的关系表现出与其含水量之间相似的变化规律;土颗粒的热传导特性由其矿物成分决定,石英含量对土颗粒热传导特性有着显著影响;提出了可用于非饱和土热导率估算的修正归一化模型,该模型对于粗粒土具有较高的预测精度,细粒土则需考虑区域差别进行修正.【期刊名称】《建筑材料学报》【年(卷),期】2019(022)001【总页数】9页(P72-80)【关键词】热传导;饱和度;矿物成分;非冻土;归一化模型【作者】张涛;刘松玉;张楠;段隆臣;蔡国军【作者单位】中国地质大学工程学院,湖北武汉430074;东南大学岩土工程研究所,江苏南京210096;东南大学岩土工程研究所,江苏南京210096;德州大学阿灵顿分校土木工程学院,德克萨斯州阿灵顿76019;中国地质大学工程学院,湖北武汉430074;东南大学岩土工程研究所,江苏南京210096【正文语种】中文【中图分类】TU44岩土工程材料的热学特性测试与分析是当前岩土工程领域的热门研究课题之一.准确、有效地测定土体的热导率是土木工程能源建筑设计中的重要内容[1-2].寒冷地区建筑地基与道路基础的冻土融沉、地下管线和核废料处置设备的设计、地下空间的热能利用与存储以及能源桩的设计等工程问题均与土体的热传导特性和温度场密切相关[3].因此,了解热量在土体中的传递特点以及准确、有效地估算土体的热导率对于指导工程实践有着重要意义.由于土体本身的介质多相性、不均匀性和变异性,使得定量分析土体的热传导特性变得尤为复杂[4-5].热阻系数是土体热力学特性的重要指标之一,能够直接反映热能在土体介质中的传递特性,与热导率互为倒数[6-7]. 近年来,许多学者对土体的热传导特性做了大量研究[8-10].Mickly[11]从土体三相介质的基本特性出发,研究了非饱和土热导率的理论模型,并通过室内和现场试验验证了模型的正确性.Johansen[12]通过归纳、分析大量不同类型土体的热导率,提出了可用于估算不同密度和饱和度下土体热导率的诺模图.Gangadhara等[13]通过室内热探针试验,测试了印度5种类型岩土工程材料的热阻系数,提出了用于不同含水量状态下估算土体热阻系数的预测模型.Cote等[14]采用一种闭合传热试验装置,对冻和非冻状态下道路基层材料的热导率进行了测试与分析,建立了预测基层材料热导率的改进模型,并将其应用于理论分析.为了现场测试粒径较大土体的热阻系数,Naidu等[15]发明了一种可测试砂土和砾石热导率的探头,同时根据ASTM规范的相关规定,建立了砂土热阻系数与孔隙比的相关关系模型.Zhang等[16]研发了一种热耦合的时域反射探头,用于测试不同状态下石英砂的热导率,并改进了现有估算砂土热导率的预测模型.关于土体热传导特性的研究在理论和测试设备等方面均取得了显著的成果,但现有研究未对影响土体热传导特性的因素进行系统分析,并且用于估算土体热导率的预测模型因其较强的局域性限制,难以普遍应用于工程设计. 本文以南京某科技馆的能源桩工程为背景,为明确地下能源桩与周围土体进行热交换的性能,针对南京地区地表广泛分布的4种典型土体,对其热传导特性及其计算模型进行系统研究.在对南京地区典型土体热阻系数测试结果的基础上,归纳总结相关文献资料中的数据,分析了含水量、干密度、饱和度和矿物成分等因素对土体热传导特性的影响,提出了可用于估算饱和土、干土和非饱和土热导率的广义热传导预测模型,并且通过试验结果验证了模型对不同地区、不同类型土体热导率估算的有效性,最后针对模型预测结果的不足,提出了适用于南京地区土体的修正系数.1 试验材料及方法1.1 试验材料南京地区常见的黏土、粉土、细砂和粗砂,4种类型土体的颗粒粒径依次逐渐增大.黏土和粉土的液限wL、塑性指数IP分别为42.3%,23.8%和32.4%,9.6%,相对密度ds分别为2.75和2.71.根据GB/T 50145—2007《土的工程分类标准》规定,判定该试验用黏土和粉土分别为低液限黏土(CL)和低液限粉土(ML).细砂的相对密度为2.65,孔隙率n为0.552～0.793;粗砂的相对密度为2.66,孔隙率n为0.611～0.754.1.2 试验方法土体热阻系数测试采用荷兰代尔夫特生产的MTN01型热探针(如图1(a)所示),探针直径3.5mm,长度12cm,相应的数据处理软件为CRU01.将不同类型土体风干,并配制不同含水量(ww)的土体,密封并放置24h,以保证水体充分浸润土颗粒.将配制好的土体制成圆柱形试样(直径5cm,高15cm).测试时,热探针由试样中心垂直缓慢贯入,贯入过程中应尽量避免对试样的扰动与破坏(如图1(b) 所示).每个试样的测试时间为5min,测试结果的标准偏差小于0.1.图1 热探针设备与试样测试照片Fig.1 Photos of thermal probe equipment and prepared sample testing室内试验配置不同含水量和干密度(ρd)的土样进行热阻系数测试,分析含水量、干密度和饱和度Sr等对土体热阻系数的影响.对于黏土和粉土而言,设置干密度为1.0～1.4g·cm-3,含水量为5%～30%;对于细砂和粗砂而言,设置干密度为1.5 ～1.7g·cm-3,含水量在10%以内.有关此热探针的结构组成、具体操作方法和详细试验方案可参考文献[17],此处不再赘述.2 结果与分析2.1 含水量和干密度的影响图2为4种类型土体的热阻系数与含水量的关系曲线.由图2可以看出:土体热阻系数随含水量增加而减小,当含水量超过一定范围时,土体热阻系数趋于常数.土体含水量较低时,热阻系数随含水量的变化显著;含水量较高时,热阻系数的变化趋于平稳.在相同含水量条件下,土体热阻系数随干密度增加而减小[17].图2 不同干密度下土体热阻系数与含水量关系Fig.2 Relationship between thermal resistivity and moisture content of samples at different dry densities土是由土颗粒、孔隙水和气体组成的三相介质集合体.不同介质的热阻系数不同,空气的热阻系数约为4000K·m·W-1,水的热阻系数约为165K·m·W-1,土颗粒的热阻系数最低,由其矿物成分所决定.关于土颗粒的热阻系数确定方法将在后续内容中提到.图3为含水量变化时土体内热传导机制示意图.孔隙水较少时,土体的热传导途径主要是颗粒间的点接触以及颗粒与孔隙气体之间的传导;少量水分添加至土体中,土颗粒表面形成一层水膜,颗粒间接触面增大,有利于热能的传输;继续添加水分,水膜厚度增大,孔隙中气体逐渐被水分替代,土体热阻系数进一步降低;当土体孔隙基本充满水分时,土体热阻系数表现为最小.Salomone等[18]将土体热阻系数最小时对应的含水量称为“临界含水量”.以本文试验结果为例,黏土和粉土的临界含水量分别约为20%和25%;对砂性土而言,其临界含水量约为4%～5%.图3 土体热传导示意图Fig.3 Schematic of heat conduction in soil particles 试样干密度越大,其单位体积所含孔隙越少,即孔隙比越小,土颗粒间的接触越为紧密,相应的热传导途径更为便利,土体热阻系数降低.干密度ρd与孔隙率n的换算关系如下式所示:(1)式中:ds为土粒相对密度;ρw为水的密度,g·cm-3.由于岩石矿物成分相对于土体而言更加单一、稳定,为便于分析,本文以岩石材料热阻系数的变化特征来阐释孔隙率对岩土体热传导性能的影响.图4为不同孔隙率岩石材料的热阻系数随含水量变化测试结果.图中岩石材料热阻系数随含水量增加而减小,随孔隙率增加而增加[14].由此可见,本文试验结果与前人研究结果较为一致.图4 岩石热阻系数与含水量关系Fig.4 Relationship between thermal resistivity and moisture content of rocks[14]2.2 饱和度的影响图5为不同土体饱和度与热阻系数之间的关系曲线.由图5可见,随着饱和度增加,土体热阻系数逐渐减小并趋于常数,与热阻系数和含水量之间的变化规律类似.Kersten[19]对不同孔隙率的Healy黏土热阻系数与饱和度之间的关系进行了研究,得到了与本文类似的结果(曲线也示于图5).关于饱和度与热阻系数间的关系,许多学者进行了大量的相关研究,并根据试验结果得到了不同的经验关系,如线性关系,二次函数关系等,但无法直接得到热阻系数与饱和度的单一关系,因为土体热传导还受矿物成分、冻与非冻状态和颗粒级配等其他因素的影响.图5 土体热阻系数与饱和度关系Fig.5 Relationship between thermalresistivity and saturation of samples2.3 矿物成分的影响矿物成分对土体热传导特性有着重要影响,直接关系到土颗粒的热传导特性.岩土工程中定量分析土体矿物成分是一个较为复杂的过程,本文未对4种试验材料的矿物成分进行定量分析,但图4中岩石材料的热阻系数变化规律与本文试验结果较为类似,此处可通过岩石材料试验结果说明矿物成分对土体热阻系数的影响.图6为不同矿物成分岩石在不同干密度下的热阻系数随含水量的变化关系曲线,其中ks为岩石矿物的热导率[14].可以看出,矿物成分的热传导特性对土体的热阻系数有着重要影响;不同矿物成分的土体在相同干密度和含水量状态下的热阻系数不同.Horai[20]总结了主要岩石矿物的热阻系数,结果如表1所示.表1中石英是最常见的土体矿物之一,其热阻系数最低.因此,土体矿物中石英成分含量的多少对土颗粒热传导特性有着非常重要的影响.图6 不同矿物成分下岩石热阻系数变化Fig.6 Thermal resistivity of rocks at differentmineral compositions表1 主要矿物成分热阻系数Table 1 Thermal resistivity of some minerals in the soilMineralThermal resistivity/(K·cm·W-1)Hornblende28.90Calcite27.86Chlorite19.42Dolomite18.15Feldspar44.44M ica49.26Olivine21.88Plagioclase54.35Labradorite65.36Pyroxene22.12Quart z13.002.4 其他因素的影响图7 不同粒径土体热阻系数变化Fig.7 Thermal resistivity of samples at different particle sizes[21]土体热传导特性除受上述主要因素影响外,还受到冻与非冻状态、颗粒级配等其他因素的影响.土体在低温(零度以下)环境中会形成冻土,孔隙水由液态转变为固态,相应的体积发生改变.Cote等[21]研究了封闭土体环境中冻土与非冻土的孔隙体积改变,认为由于孔隙水的相变转化,土体内孔隙体积由非冻土到冻土增加了9%,并提出了2种状态孔隙率之间相关关系的计算式.土体热传导与含水量间的关系受颗粒级配的影响.Cote等[21]还根据Kersten 的研究结果,将与岩土材料热传导特性的级配划分为4种类型,即:(1)级配良好的碎石和粗砂;(2)较为均匀的中砂或粗砂;(3)粉土或黏土;(4)泥煤(peat).通过归一化的方法研究了上述4种级配类型材料热导率与饱和度的关系.图7为不同粒径和级配土体的热阻系数随干密度的变化关系曲线.从图7可以看出:总体上粉土和黏土的热阻系数高于砂性土;粉土和黏土热阻系数随干密度的变化相对于砂性土较为剧烈.Gangadhara等[13]对印度地区不同级配土体的热阻系数进行了测试,认为粒径和级配对土体热传导特性存在一定的影响.对于干土而言,颗粒粒径越大,土体热阻系数越小.本文试验结果与其研究结论较为一致.综上所述,热阻系数是反映土体热学特性的一个重要指标,其受多种因素的影响.如土颗粒的矿物成分和颗粒粒径等内在因素,含水量和干密度等外在状态因素,理论计算土体热阻系数时应综合考虑上述因素.3 热导率预测模型关于土体热传导特性的预测模型数量众多,主要可分为2大类:一类是以实测数据为基础的经验拟合公式;另一类是以简化土体结构为前提的理论计算模型.到目前为止,众多学者对不同地区、不同状态下土体的热传导特性指标进行测试,得到了大量关于含水量、干密度、孔隙率和饱和度等参数相关的热阻系数经验公式[22-25].这些经验公式具有较高的实用价值,对于特定地区的工程设计提供了重要的参考.本文在已有相关研究的基础上,归纳总结不同土体的热阻系数预测模型,并根据本次试验结果,提出适用于南京地区土体热阻系数预测的广义热传导模型.3.1 饱和土热导率模型Sass等[26]认为在土体各个矿物成分含量差异不超过1个数量级的情况下,应用几何平均法估算饱和土体的热阻系数是较为简便的方法之一.由此得到饱和土体热导率ksat估算式:(2)式中:ks为土颗粒热导率,W·m-1·K-1;kw为水的热导率,W·m-1·K-1.对于ks的计算仍采用几何平均法计算,其表达式为:(3)式中:km为矿物成分热导率,W·m-1·K-1;j为土体中所含的第j种矿物成分;xj为第j 种矿物成分的体积分数.如前所述,石英的高热导率使得其含量对土颗粒的热导率有着重要的影响.对于本文4种试验材料而言,其矿物成分均未进行定量分析,无法获得土颗粒的热阻系数(或热导率),进而难以估算相应孔隙率下饱和土体的热阻系数,因此,需要寻求其他的估算方法.3.2 干土热导率模型土颗粒与空气热阻系数的巨大差别(ks>100ka)使得干土的热传导特性对土体结构的变化较为敏感.目前为止,尚无相关定量分析干土热传导特性的理论,大多采用经验公式来估算干土热导率.实际工程中,完全干燥的土体是无法进行热导率测试的,已有文献中有关干土热导率的报道大多是在经验公式的基础上获得的[27].Cote等[21]在总结大量文献数据的基础上,认为干土的热阻系数(或热导率)与孔隙率存在一定的线性关系,并提出了两者之间的一般关系式:kdry=χ×10-η n(4)式中:χ和η均为考虑颗粒形状和级配的材料常数.3.3 非饱和土热导率模型实际工程中土体大多呈非饱和状态.在分析了饱和土与干土两种极端状态土体热导率模型后,需要对非饱和土体的热导率预测模型进行探讨.Kersten[19]于1949年提出利用含水量和土体重度估算非饱和黏土和砂土热导率的计算式,但该计算式在含水量超过一定限值条件下,得到的土体热导率为负值,这与实际情况明显不符.Johansen[12]认为非饱和土的热导率与饱和土和干土的热导率之间存在一定的关系,并提出归一化热导率的模型,用以评价非饱和土的热传导特性.归一化热导率kr 计算式为:kr=(k-kdry)/(ksat-kdry)(5)将式(5)改写为:k=(ksat-kdry)kr+kdry(6)由于土体矿物成分难以定量评价,Johansen在归纳大量文献数据的基础上,提出了利用饱和度Sr估算归一化热导率kr的经验方法.虽然该方法可以方便、快捷地计算出不同含水量状态下土体的kr值,但当土体为干土(或接近干土)时,饱和度Sr趋于零,而kr计算值趋于无穷小,这与实际情况不符.Cote等[21]在前人研究的基础上提出了可用于估算土体或建筑材料归一化热导率的一般式,即:(7)式中:κ为用于描述不同土体处于不同状态的经验参数.为了估算土体在非饱和状态下的热导率,需要预先估算土颗粒的热导率.关于土颗粒热导率的估算,本文提出2种方法,一种是基于实测非饱和土热导率和饱和度数据的经验拟合法;另一种是根据式(4)的方法进行估算.经验拟合法可根据式(2),(6),(7)得到:(8)根据测试所得的热导率k(或热阻系数),以及土体基本状态参数Sr,n等,即可通过数据拟合求得土颗粒热导率ks.图8 土体热导率计算修正模型Fig.8 Modified model of soil thermal conductivity calculation图8为土体热导率修正模型计算流程.首先,获取土体的基本工程性质参数,如含水量ww、干密度ρd和相对密度ds等,转换成相应的孔隙率n和饱和度Sr指标;其次,根据归一化热传导模型计算式,求得饱和状态和干燥状态的热导率ksat和kdry,以及状态参数κ值.在土颗粒矿物成分已知的情况下,利用几何平均法计算土颗粒热导率ks,矿物成分未知时,则采用考虑石英含量的简化计算方法,最终得到土体热导率/热阻系数的预测值;最后,为验证预测准确性,需考虑不同区域土体性质及矿物成分的差异,根据现有实测热导率/热阻系数数据,对该区域土体的预测值进行修正.值得注意的是,土体的矿物成分随沉积环境的改变而不同,有机质、孔隙液中的盐类均会对其热传导性能产生影响[28].图2,5,7在分析热阻系数与影响因子的相互关系时,均未考虑这一影响.土颗粒的形状和排列方式会直接影响颗粒间的接触状态.一定类型砂土或碎石在相同孔隙率和含水量条件下,热阻系数随颗粒形状和排列方向的改变而变化.Barry-Macaulay等[29]在研究澳大利亚土体热传导特性时,已验证了这一现象.本文所提的修正模型在应用于碎石、砾石等大颗粒岩土材料时,应针对这一问题进行深入研究.4 实际算例4.1 计算参数确定根据本文试验结果以及相关文献中提供的测试数据,对土体热阻系数(或热导率)进行估算.简要介绍估算的方法以及各参数的确定,并对估算结果与实测结果进行对比分析,提出适用于南京地区土体热阻系数估算的修正参数.现以干密度1.5g·cm-3,含水量2%的细砂为实际算例,简要阐述估算模型的计算方法.首先计算饱和土体的热导率,土体孔隙率n为:n=1-ρd/(ds×ρw)=1-1.5/(2.65×1)=0.434饱和度Sr为:根据式(2)得到:水的热导率为0.6W·m-1·K-1.由于本次试验土样来自南京地区,细砂取自南京河西地区,根据陈国兴等[30]对南京地区细砂的矿物分析,其中石英含量(质量分数,下同)为50%～60%(高于20%),以及少量的绿泥石和云母等矿物成分,则土颗粒热导率ks可估算为:ks=2.00.45×7.70.55=4.20W·m-1·K-1=1.80W·m-1·K-1其次计算干土的热导率kdry,根据式(4)得到:kdry =χ×10-η n=1.70×10-1.80×0.434=0.28W·m-1·K-1参数χ和η的选取参照Cote等[31]提出的经验参数进行,具体如表2所示.最后计算归一化热导率kr及非饱和土的热导率k,结果如下:k=(ksat-kdry)×kr+kdry=0.596W·m-1·K-1预测热阻系数值为1×100/0.596=167.79K·m·W-1,相应实测值为123.93K·m·W-1,两者较为接近.表2 模型计算参数Table 2 Calculation parameters of the predictionmod elMaterialχηκGravel, Coarse sand1.701.804.60Finesand1.701.803.55Silty soil, Clay0.751.201.90Organic soil0.300.870.60对于粉土和黏土试样,土体中含有的矿物成分较为复杂.以粉土为例,通过X射线衍射分析和X射线荧光衍射分析得到,土体中的矿物成分主要为蒙脱石、伊利石和高岭石,含有少量的绿泥石,其含有的氧化物有SiO2(62.31%),Al2O3(13.35%)和CaO(7.21%),同时还含有微量的P2O5,SO3和Na2O等.对土体中每种矿物成分采用几何平均法计算土颗粒的热导率,不仅费时、费力,且不符合实际经济性要求.Cote 等[21]对不同类型的岩土材料进行了1000 多组热导率测试,总结了不同类型材料的典型热导率值,结果如表3所示.为了简便起见,本文粉土和黏土中颗粒热导率的估算采用表3中的参数.表3 不同材料的典型热导率值Table 3 Typical thermal resistivity values for various materials[21]Materialds/(g·cm-3)ks/(W·m-1·K-1)Anorthosite2.731.8Basalt2.901.7Diabase2.982.3Dolostone2.903.8Gabbro2 .922.2Gneiss2.752.6Granite2.752.5Limestone2.702.5Marble2.803.2Sandston e2.803.0Schist2.651.5Shale2.652.0Syenite2.802.0Traprock2.902.0Coal1.350.26Peat1.500.25Silt and clay2.752.904.2 计算结果图9为本文南京地区土体热阻系数实测值与模型预测结果比较.由图9可以看出:虽然模型对细砂和粗砂的预测结果较为准确,但对黏土和粉土,预测值与计算值相差较大.为了避免本文计算结果的偶然性,根据文献[13]的测试结果,采用此模型进行验证计算.计算结果发现,该模型对于印度地区黏性土和砂性土的计算结果表现出与南京地区土体相似的现象,即:砂性土计算结果与实测结果较为接近,而黏性土的预测值与实测值相差较大且偏低.造成上述现象的原因可能是由于土体ks和ρs值的确定过于简单,不同地区沉积的黏土和粉土,其土颗粒的热传导特性并不相同.因此,需要利用实测结果对模型进行修正,以提高预测结果的精确度.图9 实测值与预测值的误差分析Fig.9 Error analysis between measured and predicted values虽然模型对于黏土和粉土的预测结果较为保守,但是对于某一地区的土体,预测值与实测值之间表现出较好的线性关系(如图9所示).因此,在估算黏性土的热阻系数时,只需将模型计算结果乘以相应的比例系数.对于南京地区黏土和粉土,其比例系数为1.764,修正模型的计算结果如图10所示.通过上述方法的土体热阻系数估算,可避免测试土颗粒矿物成分的程序,且模型具有计算式简单和适用范围广等特点,工程设计者在获得土体基本工程性质指标的条件下,通过编制相应的计算图表,如Excel计算表,便可有效估算土体的热阻系数.需要说明的是,常温、常压条件下,土体由土颗粒、孔隙液和气体三相介质组成,其热传导特性主要依赖于这三类介质.当外部温度和压力改变时,孔隙液在固相和气相之间发生转变,相应的土体热导率也随之变化.对于寒冷低温地区冻土的热导率预测计算,本文模型并不适用.图10 修正模型计算结果Fig.10 Calculation results of modified prediction model5 结论(1)土体热阻系数随土体含水量和干密度增加而减小,当含水量达到临界含水量时,热阻系数趋于常数.南京地区黏土、粉土和砂性土的临界含水量分别为20%,25%和4%～5%.(2)随着饱和度的增加,土体热阻系数减小,热阻系数与饱和度间的变化规律和热阻系数随含水量的变化规律类似.矿物成分决定土颗粒的热传导特性,土体中石英含量对其热传导有着重要影响.土体冻与非冻状态会改变其孔隙率,颗粒级配会影响土颗粒间的接触状态,两者均会对土体的热传导特性产生影响.(3)几何平均法可用于计算饱和土体以及土颗粒的热导率,干土热导率与孔隙率、颗粒级配和材料属性间存在经验拟合的指数关系,非饱和土体热导率可通过归一化方法计算.(4)广义热传导预测模型可有效估算砂性土热阻系数,对粉土和黏土的计算结果较为保守.南京地区黏性土体热传导估算模型的修正系数为1.764.该预测模型在获知土体基本特性、明确土体工程性质指标的条件下,可有效估算土体热阻系数,优化工程设计.参考文献：【相关文献】[1] ZHANG G,LIU S,ZHAO X,et al.The coupling effect of ventilation and groundwater flow on the thermal performance of tunnel lining GHEs[J].Applied ThermalEngineering,2017,112:595-605.[2] LEE J K,SHANG J Q.Evolution of thermal and mechanical properties ofmine tailings and fly ash mixtures during curing period[J].Canadian Geotechnical Journal,2014,51(5):570-582.[3] SALATA F,NARDECCHIA F,DE LIETO VOLLARO A,et al.Underground electric cables a correct evaluation of the soil thermal resistance[J].Applied ThermalEngineering,2015,78:268-277.[4] ALI M A,BOUAZZA A,SINGH R 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工程绝热材料导热系数与孔隙率_含水率关系的分析
抗压强度 M Pa Ε 0. 2
Ε 0. 5
吸水率 (体积)
%
< 0. 2 <3
20～ 30 20～ 30
在有机绝热材料中, 软木制品最早应用于绝热工程中, 尤其用在冷库工程和低温设备上. 随着科技的进步, 新材料不断出现. 以各种合成树脂为原料, 加入一定剂量的发泡剂、催化剂、 稳定剂等辅料发泡而成的发泡塑料, 作为新型的绝热材料, 以其吸声、防震、绝热等综合优势,
料内特殊出现的毛细作用, 使材料内的传热方
式由单一的导热, 转变为兼含导热和比导热强
烈得多的热对流传热方式—— 对流换热. 这样
使材料的导热系数 (实为放热系数) 不但远高于 空气的导热系数 (Κ= 0. 015W{ m k ) , 也比纯水 的导热系数 (Κ= 0. 35W{ m. k) 大得多. 例如, 干 砖的 Κ= 0. 35W{ m k; 潮湿砖的 Κ= 1. 0W{ m. k.
(2) ’
由式 (2) ’可看出, 对于一定的气体, 摩尔气体常数 R u 及气体相对分子质量 u 是常数, 所以
分子平均速度 W{ ∝
T
1 2
(2) "
Ξ 收稿日期: 1999208210 作者: 男, 1942 年 10 月生, 大学, 高级工程师
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河 南 机 电 高 等 专 科 学 校 学 报 第 8 卷
求 (如无毒、吸声性能好等) ; 5) 工艺性好, 造价便宜等.
导热系数 Κ是影响物质传热量的主要物理量.
由傅立叶定律, 对于连续介质, 单位时间内通过整个等温面的热量为
不同含水率的土壤导热
不同含水率的土壤导热
不同含水率土壤的导热系数测量
土壤的导热系数研究，对于地源热泵、土木工程热工计算、轨道交通设计、野外地质勘探、地震预测、水土资源保护等都具有重要的意义。
土壤属于多孔吸湿介质，因此对于土壤的物性研究中zui重要的因素之一，是需要保证其成分在研发过程中不会改变。
土壤的含水量对于其导热系数具有重要的影响。
如下图示：
*：Bristow, K.L., 1998. Measurement of thermal properties and water content of unsaturated sandy soil using dual-probe heat-pulse probes. Agric. Forest. Meteorol. 89, 75–84 因此，对于土壤导热系数的实验研究，无论是现场测量还是取样到实验室测量或在实验室制备目标样品，必须首先保证不能破坏其含水量，才能尽可能的获得接近与真实使用环境下的土壤的导热性能。
利用TC3000热线法导热系数仪，测量了不同组分的土壤的导热系数，基于瞬态热线法的TC3000在测量土壤中具有明显的优势，其几秒钟内获得数据，不会破坏试验样品的含水量。
从测试结果可以看到，纯土的导热系数zui大，添加了淀粉的土块，其导热系数会降低，且随着添加量的增加，降幅增大。
分析认为，淀粉更干燥，含水率降低，所以相比于纯土其导热系数变小。
表1. 土壤的导热系数实验数据。
不同含水率 土壤 传热系数
不同含水率土壤传热系数不同含水率土壤传热系数的探究--建筑中的应用序号1: 引言在建筑领域中，土壤的传热特性是一个非常重要的参数。
理解土壤的热传导特性对于设计和建造能效高、节能环保的建筑非常关键。
而传热系数是评估土壤导热性能的一个重要指标。
传热系数与土壤的含水率密切相关，因此本文将探讨不同含水率下土壤的传热系数变化，进一步分析其在建筑中的应用。
序号2: 传热系数的定义与意义传热系数（thermal conductivity）是描述物质传递热量的能力的物理量，通常用λ表示，单位是W/(m·K)。
它是指单位时间内，单位面积上的温度梯度为单位温差时，通过单位距离传导的热流量。
传热系数越高，说明物质传导热量能力越强。
序号3: 含水率对传热系数的影响不同含水率的土壤具有不同的热传导特性。
一般来说，水分的存在会导致土壤的热传导系数增加。
这是因为，水分分子与固体颗粒之间存在接触媒介，传热更加迅速。
而在无水状态下，土壤热传导受到颗粒间接触的限制，传热系数较低。
序号4: 实验研究结果多项实验研究表明，随着土壤含水率增加，传热系数也随之增加。
一般来说，当土壤的含水率增加时，土壤的传热系数呈现出递增的趋势。
然而，随着土壤中含水率的进一步增加，传热系数的增长趋势可能会趋于平缓。
这是因为，水分在土壤中充分存在时，土壤颗粒与水分分子的接触面积会增加，但水分分子自身的传热能力有限。
序号5: 应用案例基于对土壤传热系数的研究，可以应用于建筑领域的能源效率提升和节能环保方面。
在地源热泵系统中，通过深埋地下的地热换热器，可以利用土壤的传热特性来提供暖气和制冷。
土壤的传热系数越高，地热换热器的效率也越高，能源利用更加充分。
序号6: 总结与展望通过本文对不同含水率土壤传热系数的探究，我们可以得出如下结论：土壤的含水率对其传热系数有显著的影响。
随着含水率的增加，土壤的传热系数也逐渐增加。
这一现象在建筑领域的应用中具有重要意义。
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收稿日期:2007211228.基金项目:江苏省自然科学基金资助项目(BK2007145);教育部首批“新世纪优秀人才”支持计划资助项目(N CET 20420454).作者简介:肖 琳(1981-),女,博士生.联系人:李晓昭,教授,博士生导师;研究方向:地下工程、岩土体热物理特性与传热模型;E 2m ail :lixz @nju .edu .cn .文章编号:100923443(2008)0320241207含水量与孔隙率对土体热导率影响的室内实验肖 琳1, 李晓昭1, 赵晓豹1, 俞 缙2, 胡增辉1, 纪成亮1(1.南京大学地球科学系,江苏南京210093;2.南京水利科学研究院,江苏南京210024)摘 要:为建立热导率与影响因素间的确定性关系和推算公式,需要严格的实验,即研究某一影响因素时应保持其他因素不变。
在严格控制其他各影响因素的情况下,分别研究了土体热导率随含水量(保持孔隙率、土样成分等不变)及随孔隙率(保持含水量、土样成分等不变)的变化规律,在此基础上再对影响因素的综合影响进行研究。
并从微观的角度分析土体热导率的变化规律,研究其内在传热机制。
分析发现,土样种类不同,热导率随含水量及孔隙率的变化规律也不同,同时还发现土体内部粘粒含量是表征热导率递变速率发生明显变化的重要因素。
给出了土体热导率的经验公式,将该公式计算值与工程土体的实验值进行对比后发现,两者间相对误差较小,该公式可直接应用于实际工程。
关键词:土体;热导率;含水量;孔隙率;粘粒含量中图分类号:P 642.1文献标识码:ALa ro ra to ry on influe nce s of m o is ture conte nt a ndpo ros ity on the r m a l conduc tiv ity of s o ilsX IA O L in 1, L I X iao 2z hao 1, ZH A O X iao 2bao 1, YU J in 2, H U Z eng 2hu i 1, J I Cheng 2liang1(1.D epartm ent of Earth Sciences ,N anjing U niversity ,N anjing 210093,Ch ina ;2.N anjing H ydraulic R esearch Institute ,N anjing 210024,Ch ina )A bs tra c t :In o rder to bu ild p recise relati on sh i p betw een ther m al conductivity and influencing facto rs ,strictexp eri m en ts are requ ired .O ther facto rs shou ld be kep t con stan t w h ile the effect of an influencing facto r is exam ined .T he effects of m o istu re con ten t (w ith con stan t po ro sity and com po siti on of so ils )and po ro sity (w ith con stan t m o istu re con ten t and com po siti on of so ils )w ere exam ined individually .B ased on these re 2su lts ,the general relati on betw een ther m al conductivity and m o istu re con ten t and po ro sity w as analyzed at the m icro level.A nd the heat tran sfer m echan is m of so ils w as studied to exp lain the p resen t resu lts .It is found that the so ils of differen t typ e fo llow differen t relati on ,and that the con ten t of clay particles is a very i m po rtan t facto r to illu strate the obvi ou s change of ther m al conductivity .T he em p irical relati on s w ere p resen ted ,fo r p redicting the conductivity of all above so ils ,and their efficiency w as estab lished by com 2p aring w ith the exp eri m en tal resu lts of so ils in engineering .Ke y w o rds :so ils ;ther m al conductivity ;m o istu re con ten t ;po ro sity ;con ten t of clay particles 土体热特性在工程应用中非常重要[1],例如地铁等封闭的地下建筑[2,3],需要应用热绝缘技术的土木工程[4],石油、天然气管道及核废料处置设备的设计和放置[5,6],埋地电缆[7],加热和冷冻的地基改良技术[5],煤、石油及天然气的勘探采掘[3,8]等。
随着地球表面土地资源的逐渐匮乏,能源短缺情况的不断第9卷第3期2008年6月解放军理工大学学报(自然科学版)Jou rnal of PLA U n iversity of Science and T echno logyV o l .9N o.3Jun .2008加剧和人类工程活动的发展,对地下空间的有限热能资源利用、环境的热调控能力设计及采用适当的参数计算以最大限度的节能和节约投资等问题将日益成为人们关注的热点问题,而土体热导率是其中最重要的因素之一,因此,有必要对其进行研究,以达到节能、高效、安全的目的[9]。
影响土体热特性的因素很多,例如含水量、孔隙率、干密度及土样成分等[10]。
在所有影响因素中,含水量和孔隙率起主要作用,也是最难控制的因素,其对热导率的影响要比其他影响因素得到的关注多[11,12]。
众多学者对土体热特性作了广泛研究[13～19]。
J .Ew en 和H .R .T hom as [13]对非饱和砂土进行了研究,给出砂土热导率随饱和度变化的曲线。
L .A .Salom one 等[14]给出砂土和粘土在不同干密度范围内热阻率(热导率的倒数)随含水量变化的曲线,指出热阻率随含水量的增大而减小,其变化在含水量较小范围内比在含水量较大范围内急剧。
N .H .A bu 2H am deh [15]通过实验定性得到土壤热导率随密度和含水量增加而增加的结论,并在文献[16]中对砂土和粘土比热容理论预期值和实验测试值进行对比,给出土体比热容、热导率与孔隙率、干密度及含水量间的经验公式,但因数据量太少,说服力不够。
F .Donazzi [17]给出热阻率与孔隙率及饱和度关系公式,三者间的关系表示为指数形式,但该公式未能反映出热阻率在饱和度较低的范围内要比在饱和度高的范围内变化急剧的特性[18]。
苏天明等[19]给出了多种饱和粘性土热导率与含水量,孔隙比之间的经验公式,指出饱和土体的热导率随含水量增加而降低,呈非线性规律,可用对数关系拟合,但其只给出了土体在饱和状态下的关系式,不具有代表性。
以上文献大多只研究了某一类土,即使研究多类土也认为不同土的热导率随含水量或饱和度的变化趋势相同。
由于不同种类土体性质的不同,其内部水分分布随含水量的变化也都各不相同,因此土体热导率随含水量或饱和度变化的趋势也应各不相同。
本文通过一系列合理实验,在保持其他各影响因素不变的情况下,系统地分析了粉砂、粉土及粉质粘土热导率与含水量间(保持孔隙率、干密度、土样成分等不变),热导率与孔隙率间(保持含水量、干密度、土样成分等不变)的变化规律,并分析其内在传热机制,从微观角度解释热导率与含水量及孔隙率间的关系。
1 实验仪器和实验原理111 实验仪器 热导率测试采用TC P robe 热导仪,是一种测试界面热反射系数的仪器,采用热线法进行测试,其工作原理如图1所示。
测试时,探头对被测材料发射一恒定热源,仪器自动记录界面上的温度变化,通过被测材料的密度、比热容和温度升高率的关系,直接计算出材料的热导率。
图1 TC P robe 工作原理图F ig .1 Schem atic illustrati on of operati on p rinci p leof TC p robe前人经常使用的测试方法为热探针法,其原理也是基于热线法,在测试时需将探头置入被测样品内一定深度进行测试。
此过程会破坏试样的完整性,使其内部结构产生变化,造成误差。
且在坚硬试样内部放置探针较困难,同时探针与试样间易产生缝隙,导致测试结果偏小。
本文中使用的方法在进行测试时无需破坏样品结构,较热探针法更方便精确,在测量过程当中,试样内温度升高不超过5℃,保证测试过程中不引起土样中水分的迁移[20]。
热导仪测试范围为:0101～1010w (m ・K );精确度:±2%。
112 实验原理11211 原 理针对前人研究中的不足之处,在严格控制其他各影响因素不变的情况下,对含水量及孔隙率与热导率之间的关系进行研究。
实验时每种土体分别制取不同孔隙率时的样品,改变各样品的含水量,使同一土体各样品每次改变后的含水量相同,对样品进行测试,从而得到同一孔隙率不同含水量时的热导率,也能得到同一含水量不同孔隙率时的热导率,确保在研究含水量影响时孔隙率、干密度、土样成分固定不变,研究孔隙率影响时含水量、干密度、土样成分固定不变。
112.2 步 骤本次实验中采用的粉砂、粉土及粉质粘土,相对密度分别为2168、2170及2172,其粒径级配曲线如图2所示。
实验中制备了5个粉砂样品,4个粉土样品及4个粉质粘土样品,各样品的孔隙率都不相同。
根据土工试验规程[21],具体试样制备与实验步骤如下:(1)采用压样法进行扰动土试样制备,在环刀中242解放军理工大学学报(自然科学版)第9卷 图2 粒径级配曲线F ig .2 Particle distributi on curve直接压制土样,共取得13个环刀土样,环刀体积均为60c m 3,用剩余土测试含水量。