熱作用下回填材料的收縮特性研究

杜紅普，申芙榮，李 敏

（1.河北工業大學 能源與環境工程學院，天津 300401；2.河北工業大學 土木工程學院，天津 300401；3.河北省土木工程技術研究中心，天津 300401）

0 前言

溫度上升，將引起土中固、液相組分的體積膨脹，誘發孔隙液向混合物邊界的排出趨勢，改變混合物中的孔隙壓力、應力與應變場.力與熱的相互作用在地下建筑、道路、土壩等巖土工程領域以及儲熱系統中均有體現，尤其是隨著儲熱品質的提高，熱作用不僅制約著濕份遷移，而且對巖土介質的強度、變形均有一定的影響.伴隨著熱濕遷移研究成為主流的同時，針對收縮、形變引起孔隙結構變化的力學特性也逐步引起人們的重視.

Reuss[1]研究認為，當儲熱溫度高于60℃后，埋地換熱器附近的土層在克服不同深度地應力后引發局部孔隙結構的改變，進而大大削弱其傳熱速率.Sanavia和Hu[2-3]指出水分遷移對干燥收縮和土壤熱導率的影響顯著.Morit[4]借助室內和現場大尺度的軟粘土儲能試驗，研究了熱作用（最高排熱溫度70℃）引起的粘土變形模型.Saxe[5]通過長期對間歇性取、排熱監測，認為土壤高溫區會發生熱應變，導致結構穩定性受到影響.作者 [6]在開展儲熱試驗過程中也發現熱源面出現干涸裂隙，需進一步考慮儲熱中的力學問題.

然而，目前土層儲熱的熱力分析多傾向定性提出而未能形成系統研究體系，直接針對土壤儲熱過程中熱濕作用下變形位移場的研究尚十分有限.具體應用工程中，Wang[7]考慮了地源熱泵與太陽能—地下高溫儲熱的聯合應用，對該系統的熱濕參數進行實時采集，綜合分析了不同儲熱策略下的運行特性.而關于熱作用下形變研究多集中在農業地表干裂和巖土工程開裂問題上.Hu[3]采用多尺度多物理場方法，模擬研究了收縮過程中的孔隙率變化.Sabnis[8]考慮外界環境中不同濕度條件下的粘土力學特性，對收縮應變、彈性模量及拉伸強度等參數進行分析.目前針對儲熱系統中的回填材料熱縮特性，專門描述較少.圖1給出了常用回填材料在60℃排熱條件下3 d后的干縮現象，可以看出，最左側的粘土發生變形量最大，尤其是靠近埋管的區域，存在不同方向裂縫，相比而言，砂加膨潤土及砂出現干裂的程度較小，尤其是砂無明顯的裂隙.這主要是由于高飽和度下砂呈流態，使得回填較為密實，而砂加膨潤土中，2種材料的粘聚程度存在差異，膨潤土自身的濕變性很強，在一定程度上加劇了混合材料的離散性，這也是在工程實踐中常遇到的問題.

本文針對上述3種材料，結合室內土體收縮試驗及極差分析方法，研究土樣類型、干密度及溫度3因素影響下的形變差異特性.

圖1 不同回填材料失水收縮現象Fig.1 Shrinkageof backfillmaterials

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

試驗土樣分砂、粘土和砂加膨潤土，粘土風干過2mm篩，砂子粒徑范圍為0.1～0.5 mm.鈉基膨潤土在干燥器中110℃烘干過2mm篩，3種材料的基本性質見表1.

砂加膨潤土的導熱性試驗表明，膨潤土的添加量存在一個最優比范圍：10%～12%，該數值同時也在ASHRAE所推薦的范圍之內[9].因此，試驗過程中膨潤土的添加量均設置為11%.

1.2 試驗方法

鑒于實際工程利用過程中，砂加膨潤土及砂回填的條件均為高含水率土層.同時，天津地區送樣平均質量含水率在20%～25%.3種回填材料均按23%質量含水率配制，并放入保濕器中24h.采用分層夯實法制備土樣，3次壓實，層間打毛.試樣尺寸直徑50 mm，高110mm，干密度為1.45、1.55和1.65 g/cm3.

利用SS-1型收縮儀測定收縮過程，烘箱控制恒溫條件（依據現場的高溫儲熱情況，選取測試溫度為30、60和80℃），待烘箱溫度穩定后，放入已固定有土樣的收縮儀，調整百分表讀數，開始記錄.記錄時間開始以1h為間隔，隨后逐步延長，待讀數穩定后停止試驗.同期測定土樣的質量變化，測定結束后，將土樣放在105℃烘箱中烘至恒溫，反算各階段的含水率.

1.3 正交試驗設計及試驗結果

選取土樣類型、干密度和溫度為因素，每個因素包含3個水平（見表2），以含水率、線縮率和體縮率為評價指標，進行正交試驗設計.

表1 3種材料的基本性質Tab.1 Characteristic ofmaterials

表2 收縮試驗涉及的因素及水平Tab.2 Factorsand levelof the shrinkage test

表3 正交試驗設計及測定結果Tab.3 Orthogonalexperimentaldesign andmeasurement results

正交試驗設計條件下線索率、體縮率、收縮系數及失水率結果見表3.可以發現：粘土的收縮性較大，遠大于砂和砂加膨潤土的.在不考慮溫度和干密度的影響，粘土的線縮率在4%～6%、砂土的線縮率在0.36%～0.58%、砂加膨潤土的在0.21%～0.42%.對于粘土而言不僅存在縱向收縮，而且存在橫向收縮，粘土的體縮率可達15.22%.砂土和砂加膨潤土在橫向變形幾乎沒有變形，縱向的變形較小，兩種土樣的體縮率僅為3%～5%.

2 試驗結果分析

2.1 3種土樣的收縮規律

隨溫度的升高，3種土樣的收縮性均增強（圖2）.粘土的線縮率隨時間呈先快速增長隨后區趨于穩定的變化過程，曲線近似為拋物線型.溫度越高，坡度越陡，初期的變形越劇烈，達到變形穩定的時間越快.在30℃溫度下，變形穩定時間為300 h；在60℃溫度下，變形穩定時間為160 h；在80℃溫度下，變形穩定時間不到60 h.

砂土的線縮率隨烘干時間的變化較小，曲線僅在開始的十幾個小時內存在一定的弧度，隨后變化曲線趨于一條直線.砂加膨潤土的線縮率隨烘干時間的變化趨勢和砂土的相似，整體略緩于砂.

圖2 不同溫度下線縮率隨時間的變化Fig.2 Changesof linear shrinkageatdifferent temperatures

30℃溫度條件下，粘土、砂和砂加膨潤土的含水率隨時間的變化趨勢較為相近（圖3）.隨時間延長，土樣中的含水率逐漸降低.總體上，砂的變化趨勢最陡，其次是粘土和砂加膨潤土.這主要與土中水的賦存狀態有關，砂的孔隙大，賦存與土顆粒孔隙間水多為自由水，易于散失；而對于粘土和膨潤土而言，由于雙電子層的作用，在一定程度上，緩和了水分的散失速度.當溫度達60℃以上，砂的含水率隨時間的變化曲線與粘土和砂加膨潤土不再一致.砂的含水率在初期出現一個明顯的降低，隨后趨于穩定.60℃條件下，砂在150h內含水率從23%下降到3%后穩定；80℃條件下，砂在30 h內含水率從23%下降到2.5%后穩定.在這兩個溫度條件下，粘土和砂加膨潤土的含水率隨時間的變化曲線接近且緩于砂，60℃條件下，粘土和砂加膨潤土的含水率穩定時間為400 h左右；80℃條件下，在110 h左右.總體上，溫度越高，曲線變化均越陡，達到穩定的時間也越快，3種土樣中，溫度對于砂土的含水率變化的影響最敏感.

圖3 不同溫度下含水率隨時間的變化Fig.3 Changes of moistureat different temperatures

對比3種類型土的線縮率隨含水率的變化曲線（圖4），可以發現，隨土樣含水率的降低，土的線縮率逐步增大.含水率的變化對于粘土的線縮率影響較大，而對于砂土和砂加膨潤土的影響較小.溫度越高，線縮率與含水率的關系曲線越陡.

圖4 不同溫度下線縮率隨含水率的變化Fig.4 Relation between linear shrinkage and moistureat different temperatures

2.2 極差分析

依據式 (1)、式 (2)可得到線縮率和體縮率．表4、表5中的為因素對線縮率、體縮率、收縮系數及失水率總影響程度；為i因素下的線縮率、體縮率、收縮系數及失水率； 為 平均值.

表4 線縮率和體縮率極差分析結果Tab.4 Range analysisof line and volume shrinkage線縮率

從表4和表5中可以看出，3因素對土樣收縮性影響的主次關系為：土的類型（X1）gt;溫度（X2）gt;干密度（X3）.土樣的收縮性主要取決于土的類型.在線縮率、體縮率和收縮系數指標方面的最優組合為：砂加膨潤土—30℃—1.65 g/cm3（X13X21X31）.即砂加膨潤土的抗縮性較小，密度越大，土樣的收縮性越小，溫度越低，土樣的收縮性越小.

表5 收縮系數和失水率極差分析結果Tab.5 Range analysisof shrinkage coefficientand water loss rate

3 結論

1）粘土的收縮形變遠大于砂和砂加膨潤土，砂的形變略大于砂加膨潤土.粘土在高溫條件下可達下的變形量可達6%，而砂及砂加膨潤土的形變僅發生在開始的幾個小時內，隨后迅速趨于穩定.溫度高低對初始變形影響顯著，溫度越高，土樣達到變形穩定的時間越短.

2）在3種溫度的影響作用下，粘土、砂及砂加膨潤土的含水率隨時間分布與自身的持水能力相吻合，遞減程度依次是砂加膨潤土、粘土和砂.溫度越高，含水率變化趨勢越陡，材料內水份達到平衡的時間越快.

3）隨溫度提高，粘土線收縮率與含水率的分布逐步由近似線性趨于指數，而砂和砂加膨潤土由于自身較小的收縮特性，受含水率影響程度較小.隨溫度增加，砂土土樣的含水率變化較大，而砂加膨潤土土樣的含水率變化較為緩慢，膨潤土的添加有利于緩解砂土的失水速率，改善砂的失水收縮性.

4）3因素對土樣收縮性影響的主次關系為：土的類型（X1）gt;溫度（X2）gt;干密度（X3）.土樣的收縮性主要取決于土的類型.綜合線縮率、體縮率和收縮系數指標，最優組合為：砂加膨潤土—30℃—1.65g/cm3.

[1]ReussM，Beck M，Müller JP.Design of a seasonal thermalenergy storage in theground[J].Solar Energy，1997，59（4-6）：247-257.

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[6]杜紅普.土壤高溫熱濕遷移過程中的溫/濕度峰值現象研究 [D].天津：河北工業大學，2010.

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