用DSC法探究含水率對凍土比熱容的影響

錢坤

摘 ?要：文章首先介紹了DSC差示掃描量熱法，并且利用DSC法測量凍土的比熱容。取凍土礦物顆粒進行試驗，將所得結果與既有文獻結果[1]進行比較，結果表明利用DSC法測量凍土比熱是可行的。然后取粘土配制相同干密度，不同含水率試樣進行試驗。試驗結果表明，含水率較高（>6%）的凍土樣在融化這一相變區間過程中，比熱容會出現明顯的上升趨勢，直至到達一個峰值，在相變過程完成后，比熱容恢復到正常狀態。進一步分析，在干密度一定的情況，凍土比熱容隨含水率的增大而增大。

關鍵詞：凍土;差示掃描熱量儀（DSC）;比熱容;含水率

中圖分類號：TU445 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）15-0049-02

Abstract： In this paper， DSC （Differential Scanning Calorimeter）is introduced， and the specific heat capacity of permafrost is measured by DSC. The experimental results were compared with the results of the existing literature. The results show that it is feasible to measure the specific heat of permafrost by DSC. And then take the same dry density of clay preparation， different water content of the sample test. The results show that the specific heat capacity of the frozen soil samples with high water content （>6%） will show a significant upward trend during the phase transition， until a peak is reached. After the phase change process is completed， the specific heat capacity is restored to normal status. Further analysis， in the dry density of a certain situation， permafrost specific heat capacity increases with the increase in water content.

Keywords： frozen soil; differential scanning calorimeter （DSC）; specific heat capacity; water content

1 概述

凍土是寒區多年凍土和季節性凍土的總稱，隨著全球氣候變暖，北方高緯度地區凍土存在逐漸融化的趨勢，因此研究凍土的比熱勢在必行。比熱是凍土的主要熱學參數，指1g質量的土在溫度改變1℃所需要的熱量，單位是（J/g·℃）[2]。由于凍土是礦物顆粒、冰、未凍水和氣體的復合多項體，對于這一復合多項體比熱的測定，傳統量熱法是對各個組成分別作出測定，冰的比熱直接用試樣的起始溫度ts的一半查表取值，未凍水（處于束縛狀態）的比熱一般可取定值，氣體的比熱小，且在土中的含量少，一般均忽略不計。因此，比熱的試驗常只對礦物顆粒進行，稱為干土比熱。傳統量熱法需要樣品量大，不可避免的存在熱量損失，且凍土融化或凍結相變過程中的熱量變化不僅受比熱容的影響，而且還包括潛熱和因融化或凍結引起的稀釋熱，因此傳統量熱法對這一相變區間的研究不是非常詳細[3]。

國際熱分析協會（ICTA）和國際熱分析和量熱學協會（ICTAC）對熱分析定義為：在程序控制溫度下，測量物質的物理性質與溫度關系的一種技術，測量溫度和熱量之間的關系，及差示掃描量熱法（DSC）。差示掃描量熱法是指在程序控溫下，測量輸入到被測樣品和參比物的能量差與溫度（或時間）關系的技術。作者采用差示掃描量熱法（DSC）首先測量了凍土骨架的比熱，并且把結果與既有文獻結果進行比較，得出利用DSC法測量凍土的比熱是可行的。然后，又利用這種方法研究含水率對凍土比熱容的影響，尤其是觀察相變區間比熱容的變化情況。

2 試驗設備、材料與方法

2.1 DSC8000差示掃描熱量儀

對于不同類型的DSC，“差示”一詞有不同的含義，對于功率補償型，指的是功率差;對于熱量型，指的是溫度差;掃描是指程序溫度升降。熱差示掃描熱量儀（Differential Scanning Calorimeter，DSC）可分為熱流型和功率補償型兩種基本類型。本次實驗采用差示掃描量熱儀是DSC8000差示掃描熱量儀（美國），DSC8000所特有的雙爐體技術，采用功率補償型原理，直接測量兩個獨立爐體之間的熱流，在整個溫度量程范圍內都可測得最精確的能量數據，能夠滿足試驗方面的高級要求。

2.2 烘箱

為了得到含水率極低（<1%）的礦物顆粒，試驗采用烘箱。

2.3 試驗材料

采用北方高緯度地區的粘土（最優含水率13.4%，最大干密度1.89g/cm3），將其放入烘箱內以105℃烘烤12小時，取出一部分作為礦物顆粒使用，剩余的土用于制備不同含水率（5.58%、17.21%、27.29%、33.57%）的土樣，并通過擊實次數來控制用于試驗土樣的壓實度一致[4]。

2.4 試驗方法

三線法通常用于精確的比熱測量和理論分析，誤差通常可控制在0.1%以內。但要注意，利用三線法時，只有熱流平穩段的數據是有效數據，兩端靠近等溫程序的非穩定區的熱流數據不能用于比熱計算。為了確保試驗數據的有效性，每一個樣品做三個平行樣。由于在降溫凍結過程中受到冷卻環境的限制，這會給相變區的比熱數據帶來一定的誤差，因此，比熱數據都是用升溫過程的數據求得。

3 試驗結果分析

3.1 凍土礦物顆粒比熱試驗測定結果

本次試驗采用的是粘土樣，圖1所示為凍土礦物顆粒在-20℃～10℃溫度區間的比熱，從圖中可以明顯的看出，由于礦物顆粒當中含水率趨近于零，比熱在相變溫區的比熱還是呈線性增長的趨勢，凍土礦物顆粒比熱的平均數為0.762，查閱既有文獻，粘土樣的凍土骨架的算術平均數是0.762，因此利用DSC法測量凍土骨架的比熱是可行的。

3.2 含水率對凍土比熱容的影響

為了探討凍土這一復合多項體的比熱隨其含水率的變化，取粘土配制相同干密度不同含水率的試樣進行試驗，利用三線法所求凍土的比熱如表1所示（每種含水率的土樣都有三組平行試驗，表中數據均是每種含水率下的平均值）。

從試驗的結果來看，含水率較高（>6%）的凍土樣在融化這一相變區間過程中，比熱容會出現明顯的上升趨勢，直至到達一個峰值（如圖2所示），在相變過程完成后，比熱容恢復到正常狀態。另外，在干密度一定的情況，凍土比熱容隨含水率的增大而增大。

4 結束語

利用差示熱量掃描儀（DSC）法研究凍土的比熱容，取部分粘土進行烘干，進行礦物顆粒比熱容的測定;另外一部分配制干密度相同但含水率不同的試樣進行試驗，測得凍土的比熱容。實驗結果揭示：含水率較高（>6%）的凍土樣在融化這一相變區間過程中，比熱容會出現明顯的上升趨勢，直至到達一個峰值，在相變過程完成后，比熱容恢復到正常狀態。另外，在干密度一定的情況，凍土比熱容隨含水率的增大而增大。

因此，在實際工程中，應充分考慮含水率的變化，動態地選取熱參數進行計算（尤其是在相變區間比熱容突變的一段過程內）。當然，利用DSC法測量凍土比熱容，還存在制樣困難等一些問題，尚需進一步探索修正。

參考文獻：

[1]劉宏偉，張喜發，冷毅飛.大興安嶺多年凍土骨架比熱測定及經驗值[J].低溫建筑技術，2009（08）：96.

[2]謝定義，陳存禮，胡再強.試驗土工學[M].高等教育出版社，2011.

[3]冷毅飛，孫友宏，楊鳳學，等.量熱法與測溫法在凍土未凍水測試中的應用[J].吉林大學學報（地球科學版），2001（02）：8.

[4]王鐵行，劉自成，盧靖.黃土導熱系數和比熱容的研究[J].巖土力學，2007（04）：4.

[5]徐學祖，王家澄，張立新.凍土物理學[M].北京科學出版社，2001.

[6]齊吉琳，馬巍.凍土的力學性質及研究現狀[J].巖土力學，2010，31（1）：133-143.