压实膨润土加砂混合物的导热性能

压实膨润土加砂混合物的导热性能
彭帆;谈云志;李辉;钱芳红;明华军
【摘要】为研究压实砂—膨润土混合物的导热特性,采用基于瞬态热线法的热传导仪及压汞试验,分别测定了不同含砂量下混合物的导热系数及孔隙分布.试验研究结果表明:当含砂量小于20%时,砂—膨润土混合物的导热性能随掺入量增大而增强,但超过20%后会逐渐减少.通过压汞孔隙分析试验,发现掺入砂后,孔径0.5~1 μm 范围的大孔隙没有减少,反而导致更大孔隙出现,说明砂对孔隙无显著的充填效应.可见,掺砂可以提高膨润土导热性能,但存在孔隙率增大的不足.%To analyze the thermal conductivity of compacted bentonite-sand mixtures, a thermal probe based on transient hot wire method is employed to measure the thermal conductivity of different bentonite-sand mixtures,and the mercury intrusion porosimetry(MIP) is carried out to test the pore size distribution. The analytic results show that the thermal conductivity of the bentonite-sand mixture increases with the percentage of sand until it reaches 20%,then decreases for a higher sand content. According to the MIP results,it is found that the volume of the pore sizes that range from 0.5 μm to 1 μm does not decrease but increases instead after the mixing of sand. The sand does not have a significant filling effect. So rationally mixing sand can improve the thermal conductivity of bentonite,but it may increase porosity.
【期刊名称】《广西大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2018(043)001
【总页数】7页(P212-218)
【关键词】导热系数;膨润土;砂;孔隙结构
【作者】彭帆;谈云志;李辉;钱芳红;明华军
【作者单位】三峡大学特殊土土力学研究所,湖北宜昌443002;三峡大学特殊土土力学研究所,湖北宜昌443002;三峡大学特殊土土力学研究所,湖北宜昌443002;三峡大学特殊土土力学研究所,湖北宜昌443002;三峡大学特殊土土力学研究所,湖北宜昌443002
【正文语种】中文
【中图分类】TU411
0 引言
随着社会的发展，利用地下空间存储食品、能源和核废料等的需求不断扩大。

建设地下空间存储库，除需要满足岩体开挖、结构施工过程的稳定性要求，还要达到严格的防渗和隔(导)热标准。

依据存储功能的不同，构建的防渗体系也应做相应的调整。

如：核废料存储库中，核废料不仅释放放射性物质，还会长期释放出大量的热能。

Kwon等[1]指出核废料封存初期的热释放量大约500 W/m3，即使历经300年依然还具有约100 W/m3的释放能力，故必须考虑屏障材料要具有良好的导热性能。

然而，地下食品存储库，则需要防渗屏障具有隔热的功能，即降低防渗衬砌的导热性能，以维持食品存储库处于合理的保温环境[2]。

因此，注重地下存储空间防渗屏障的防渗性能外，还需要关注其导热性能。

膨润土因其良好的膨胀自愈能力，成为构建地下工程防渗屏障的首选材料。

研究发现，由于石英砂的热传导系数相对于膨润土而言比较高，故在膨润土中掺入适量的
石英砂，可显著提高其热传导性能，但当石英砂掺量达到某个临界值时，导热系数反而降低[3-4]。

由于空气的导热系数远低于膨润土和水，故导热系数随膨润土混
合物的密实度增加而增大[5]。

可见，可通过控制掺砂率和压实度，既能满足渗透
性要求[6-14]，又能提高膨润土混合物的导热性能。

本文研究掺砂后，膨润土混合物的导热性能，从孔隙分布特性的角度构建混合物导热模型，讨论和分析其影响机制。

笔者主要讨论膨润土混合物压实后的初始状态导热性能，即试样处于非饱和状态。

由于浸水饱和后的导热性能，既受饱和度的影响，又受膨胀引起孔隙重分布的影响，其影响因素多，将另撰文讨论。

1 试验
1.1 试验材料
试验用膨润土为巩义市龙鑫净水材料有限公司提供。

样品为浅灰白色，X衍射图谱显示矿物成分如图1所示，膨润土矿物组成中蒙脱石占极大比例，因而决定其高
膨胀性、强吸附性、低渗透性等特点。

膨润土的基本性质，如表1所示。

膨润土
颗粒分布曲线见图2。

表1 膨润土的基本特性Tab.1 Basic properties of bentonite蒙脱石/%pH值膨
胀容/(mL·g-1)胶质价/[mL·(15g)-1]吸水率/%≥60～888.9～1025～50≥99250～350湿压强度/MPa初始含水量/%吸蓝量/[mmol·(100g)-1]Na2O/%比重/(kg·m-3)≥0.2317.3≥80≥1.282.76
图1 膨润土XRD衍射谱Fig.1 XRD pattern of bentonite
图2 颗粒分布曲线Fig.2 Particle size distribution
1.2 试样制备
1.2.1 压实膨润土
制样开始时，首先取适量标准细砂过2 mm筛，然后将石英砂和膨润土分别放入105 ℃烘箱和95 ℃烘箱中烘干至恒重，再根据掺砂质量分别为0%、5%、10%、20%、40%,将两者混合并充分搅拌均匀。

根据既定的试样体积、密实度，称取一定质量的上述干燥松散混合物，并倒入压实模具内以静压方式制作高2 cm、直径6.18 cm的环刀试样，采用体积控制标准，将试样缓慢压实至1.40 g/cm3。

整个试样分层压制，即先装一半试样质量，用1 cm厚的铁块填充进行压制，然后取出铁块放入薄塑料片隔断，再装另一半质量试样进行压实。

试样脱出环刀后，即得2个厚度为1 cm的圆饼状试样。

压实成型后的环刀试样，如图3。

1.2.2 试样干燥
将上述不同掺砂量试样分别切成若干边长为1 cm的方形土块。

再将土块置于装样铁笼并轻放入液氮(沸点-196 ℃)瓶中冷冻20 min，这时土中水从液态转为非结晶态。

然后利用冷冻干燥机将其抽真空24～36 h，可使土中非结晶态冰直接升华，
以尽量消除因失水引起土体微观结构的变化。

最后用经冻干干燥的土样开展压汞试验。

冻干设备组成如图4所示。

图3 压实成型试样Fig.3 Compacted samples
图4 液氮冻干设备Fig.4 Liquid nitrogen freeze drying equipment
1.3 试验原理
1.3.1 导热系数测试原理
瞬态热线法是基于Healy提出的理论，利用测量热丝的电阻来测量物质导热系数。

其理想模型：在无限大的均匀介质中伸入一无限细长的线热源，初始状态(t=0)时
二者处于热平衡状态，记此时的热线源与被测物温度为T0。

此时突然给定一恒定
阶跃热流作用于线热源，热量传递到周围物质引起温升，而往往线热源与周围物质的导热特性相差甚远，则可由线热源的温升推导周围被测物体的导热系数。

传热
控制方程如下：
2T,
(1)
式中：T，t时刻热线的温度；t，瞬时加热开始后的时间；α，周围物质热扩散系数，由数学变换α=λ/pCp；λ，周围物质导热系数，p与Cp分别为周围i物质的密度和定比热容，且α、λ、p、Cp等物性均为恒量。

假设在加热过程中被测物参数为定常值，任意时刻任意位置的温度记为ΔT，则有：ΔT(r，t)=T(r，t)-T0,
(2)
方程(1)可写为：
(3)
结合以下初始和边界条件：
ΔT(r，0)=0，t≤0,
(4)
(5)
(6)
式中：q为供给单位长度线热源的功率。

在模型中，当r02/4at足够小，可将式(3)简写：
(7)
其中：k=q/4πλ，为表曲线的斜率；D=kln(4a/r02C)，为表曲线的截距；C=eγ；γ为欧拉常数。

由试验获得的数据绘制ΔT～lnt曲线，周围被测物质的导热参数即可得：
(8)
(9)
1.3.2 孔隙测试原理
试验采用美国麦克公司研发的9500型测控仪，测量孔径为0.006～300 μm范围内的孔隙，而压汞实验日渐广泛应用于测量各种多孔材料的孔隙特征[15]。

其原理：通过外加特定的压力P，液态金属汞被压至样品的毛细孔中，根据外压力与毛细管力的平衡状态即可推得孔径大小。

假设土体中孔隙均为圆柱形，其所能够进入孔隙的孔径与所施加压力可由著名的瓦什伯恩方程推得：
(10)
式中：P为外加应力；Ts为汞的表面张力，0.484 N/m；θ为毛细管表面和汞之
间的接触角，140°；r为毛细孔的半径，μm。

1.4 导热系数试验
导热系数试验步骤如下：
① 处理试样
测试之前，要把试样表面尽量打磨平整。

② 仪器连接
首先，扁口端插入计算机，方口端插入测试主机后面板；然后，将传感器连接到测
试主机后面板的传感器端口上；最后，分别连接测试主机和计算机电源线。

先开主机电源，后打开计算机电源。

③ 固定试样
准备干净纸和标配的500 g砝码。

在试验台面上平放干净纸后，将传感器探头平行轻插入重叠试样中间，为保证测量精确性，用标配砝码压住试样与探头，使其紧密贴合。

④ 试验测量
启动软件，静待温度平衡后，输入试样物理参数并设置适宜的的测试条件，最后开始正式导热测试。

⑤ 测量结束
回收样品，先取下砝码，然后取下上层样品，再取下传感器，最后收回下层样品。

严禁直接将传感器从试样中拔出。

(a) 主机
(b) 试样安装
图5 导热系数测试Fig.5 Thermal conductivity testing
2 导热系数特性
同密实度干燥试样导热系数随掺砂比例的变化规律，如图6所示。

图6 导热系数随含砂量变化Fig.6 Thermal conductivity vs sand content
图6表明，干燥试样密度控制在1.40 g/cm3时，膨润土原始状态的导热系数是0.49 W/(m·K)，掺入20%的细砂后导热系数增大到0.54 W/(m·K)。

当含砂量在0%～20%时，同密实度干燥试样的导热系数呈现上升的趋势，即砂—膨润土混合物材料的导热系数，随着含砂量的增加而增大。

当含砂量为40%时，同密实度干
燥试样的导热性能明显降低。

这说明当掺砂量合适时，加入砂粒骨料对于提高导热系数非常有效，但掺砂量过大会导致混合物材料的孔隙率增大。

从表2可知，空气的导热系数很小，故孔隙增多会引起混合物的导热系数变小。

表2 常见材料的导热系数Tab.2 Thermal conductivity of normal materials材料密度/(g·cm-3)导热系数/[W·(m·K)-1]土矿物2.652.5石英2.668.8水
1.00.56+0.0018T空气(101kPa)1.29～0.0000041T10.024+0.00007T
注1. T为温度，℃。

3 孔隙分布与传热模型
掺比Sa∶Be=5∶100和Sa∶Be=40∶100的膨润土混合物以及纯膨润土试样孔隙特征，如图7所示。

(a) 孔隙累计体积
(b) 孔隙分布密度
图7 砂—膨润土混合物孔隙分布Fig.7 Pore size distribution of bentonite-sand mixture
图7表明，掺入40%细砂混合物的累计孔隙体积曲线位于上方，累计体积达到0.53 cm3/g，孔隙增大且孔隙率明显增大。

掺砂量5%混合物同纯膨润土相比，没有明显改变孔隙体积的分布，且二者的主要孔隙体积分布在孔径1.8～2.5 μm 的孔隙范围内。

掺砂后的膨润土传热过程模型，如图8所示。

(a) 掺少量砂
(b) 掺大量砂图8 砂—膨润土混合物传热模型Fig.8 Heat transfer model of bentonite-sand mixture
当掺少量砂时，如砂主要悬浮于膨润土之中，如图8(a)，压实后砂粒之间不能形
成“架构”状态，但也没有形成充填作用而提高压实密度，但导热系数增大。

可见，掺砂后导热系数增大并非提高了压实密度，而是由于石英砂自身导热系数大，形成了优势传导路径。

当掺砂量增大后，砂粒在膨润土中起到骨架作用，如图8(b)，
压实后易形成搭接的“架构”状态，引起孔隙率增大，降低了导热性能。

4 结语
① 对于等密度烘干试样，导热系数一定范围内随含砂量增加而增大，主要由于砂
的导热系数大于膨润土，故掺砂后形成可供热量传导的优势路径所致。

② 等密度烘干试样导热系数增大到一定值后急剧减小，主要原因是掺砂量达到一
定比例后，容易形成“搭接”架构，形成了大量的中观孔隙，而空气的导热系数极低。

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