橡膠顆粒——廢鑄砂復合填料導熱系數實驗研究

帕爾哈提

(新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院)

1 前言

土體的導熱系數是每單位溫度梯度下，單位時間內通過土體單位面積的熱量，單位W/m·c，它是表示物體的導熱能力的重要指標。

由式(1)看出導熱系數公式的實質就是當溫度梯度為1℃/m時，每小時通過1 m2面積土體上的熱量。影響土體導熱系數的因素很多，主要包括固體顆粒組成、孔隙率、土體密度，溫度，含水量及水飽和度以及土中水的形態(固液態之分)等。因此，圍繞這些影響因素進行單因素試驗研究。

2 實驗原理和實驗儀器

2.1 試驗原理

本次試驗基于不穩定熱傳導原理，首先利用探頭給待測試樣引進一個熱源，然后通過探針表面和探針附近介質的溫度隨時間的變化來計算出導熱系數以及相關參數，可以一次性得到不同狀態下(凍結與否)輕質填料的導熱系數、比熱導溫系數的結果。

2.2 實驗儀器

本次試驗使用ISOMET便捷式熱特性分析儀對土體的熱參數進行測試，該儀器采用動態測量方法，有效縮短了測量導熱系數的時間，試驗測出來的數據通過顯示器可以顯示出來，或者通過RS232串行端口直接下載到電腦中。導熱系數試樣的尺寸統一采用φ×h=61.8 mm×20 mm，而且要確保試樣表面的光潔度，試樣養護與凍結過程當中用保鮮膜密封。每個試樣的測試不少于3次，取3個偏差不大的平均值做為測試結果。

3 試驗結果及分析

3.1 導熱系數結果

本試驗考慮的因素包括橡膠顆粒含量、水泥含量、含水率三個方面，分別測定7 d齡期，未凍結和28 d齡期，未凍結和凍結狀態下的導熱系數試驗結果如表1所示。

3.2 試驗結果分析

(1)水泥摻入比對導熱系數的影響

齡期為28 d未凍融條件下，橡膠顆粒摻入比為30%，含水率為25%時，水泥摻入比與導熱系數之間的關系呈線性關系 y=aebx，a=1.372 6，b=-0.028 6，并且可見隨著水泥含量的增加導熱系數會降低，當水泥摻入比在6% ～8%變化時，導熱系數在1.155～0.97 W/m·k范圍內變動，水泥含量越多越可以將廢鑄砂里面的空隙填充，使得試樣的空隙減少，密度增加，導熱性增加。另一方面，隨著水泥含量的增加，水泥與水的水化反應越充分，水化反應消耗的水分越多，剩余水分會少，試樣內水分的連續性降低，顆粒之間的水分逐漸被顆粒之間空氣代替，從而阻礙了顆粒之間的熱流傳播，試驗結果反映出后一種作用相對前一種大的特點。由表1看出隨著齡期的增加導熱系數變小，凍結以后的導熱系數增大。

(2)橡膠顆粒摻入比對導熱系數的影響

齡期為28 d未凍融條件下，水泥摻入比為12%，含水率為25%時的橡膠顆粒摻入比與導熱系數之間的關系呈多項式關系 y=ax+b，a=-0.0196，b=1.603，當橡膠顆粒摻入比在0～50%間變化時，導熱系數在1.655～0.603W/m·k范圍之內變化，隨著橡膠顆粒的增加，導熱系數會降低，當橡膠顆粒摻入比在0～30%之間變化時導熱系數會快速降低，超過30%后降低速度會緩慢。通過觀察7 d，28 d未凍融和28 d凍融1次后的橡膠顆粒摻入比與導熱系數之間的關系，無論是齡期的變化或凍融條件的變化，導熱系數會隨著橡膠顆粒摻入比的增加而下降，出現這種趨勢的原因:①橡膠顆粒的幾何外形是不規則，有棱角的形狀，膠結結構與橡膠顆粒周圍會出現很多空洞，這些空洞阻礙熱流的傳播;②隨著橡膠顆粒的增加，橡膠顆粒替代膠結材料的量越多，橫斷面處橡膠顆粒所占面積百分之比逐漸增大，由于橡膠顆粒的導熱系數遠遠小于膠結結構，這種特征直接影響膠結結構的導熱系數。

(3)含水率對導熱系數的影響

齡期為28 d，未凍融條件下，水泥摻入比12%，橡膠顆粒摻入比30%時的含水率與導熱系數之間的關系呈多項式關系 y=a ln(x)+b，a=0.8747，b=-1.896。通過觀察7 d、28 d未凍結和28 d凍結后的含水率與導熱系數之間的關系，很明顯，填料導熱系數隨著含水率的增加而增加，因為當含水率比較低時，水分首先在顆粒表面形成一層水化膜，使顆粒間形成點接觸，繼續增加含水量顆粒之間形成的水化膜厚度增大，顆粒之間形成面接觸，水分增加了顆粒之間的聯系，熱導率會繼續增大，當含水率達到一定的程度以后，顆粒之間接觸會很充分，繼續增加水分，顆粒之間形成的有效接觸面的增加不會很明顯，從而導熱系數的增加也不會很明顯，所以含水率15% ～25%時導熱系數的變化明顯，大于含水率25% ～30%范圍內的變化，而且由表1可見，在相同的含水率量情況下凍結了以后填料的導熱系數比未凍結的大，因為填料放進去凍的過程當中，填料里面的水逐漸變成冰，因為冰的導熱系數是水的4倍，所以凍結填料導熱系數會大于未凍填料的導熱系數。

表1 試樣的導熱系數數據

續表1

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