冻土是由土粒、冰、未冻水和空气组成的四相体系[1]。含盐冻土中的盐分对土壤冻结温度、导热系数等参数性质具有决定性作用,其中冻结温度和过冷温度通常在土体冻结过程中同时出现。冻结温度是孔隙溶液与冰晶共存时的临界温度[2],是判断土体冻结状态、预测冻结体量、控制冻胀变形等工程的重要物理指标,冻结温度均衡地反映土体水分与所有其他成分之间的内部联结作用[3];而导热系数是研究冻土区温度场和热工计算的基础指标,是土体在负温下热传导能力的表征[4]。在沿海地区道路及地下工程进行施工时常采用人工冻结法进行加固和抢修,含盐土冻结温度的测量直接关联到路基冻结深度和人工冻土冻结壁厚度计算[5-7];导热系数对寒区冻土工程以及多年冻土区灾害中热量补偿等温度场问题直接关联。
沿海地区盐渍土以含氯盐为主,氯盐的热物理参数测量在人工冻结施工过程中具有代表性意义[8];冻融循环中盐胀现象对于寒区工程危害极大,同等温度条件下硫酸盐更易饱和析出结晶盐[9],因此对硫酸盐的热物理参数的测量在研究冻土盐胀灾害时具有典型性意义。含盐冻土中水分和盐分的迁移、相变是一个水热盐耦合过程,冻融状态的土体随水盐迁移和溶液变化热参数有较大差异,进而影响到热流传播和温度场分布[10]。Wan等[11]、路建国等[12]通过室内降温试验得出结晶温度与含盐质量分数的关系曲线,本文在此基础上分析得出含盐量分别对冻结温度和导热系数的影响。
对于含盐冻土冻结温度和导热系数热物理参数试验方面,冻结温度大多利用探针结合计算机进行实时测量。张婷等[13]、邴慧等[14]分析比较得出溶液中不同离子对冻结温度影响能力大小;司轩昂等[15]研究发现土体粒径与其冻结温度成正相关。导热系数测量方面,Li等[16]通过研究高纬度地区土壤的导热系数,得出含水率对导热系数的影响关系;邓友生等[17]对含盐土的导热系数进行了测量,得出正、负温区段导热系数的变化规律;徐捷等[18]利用热探针瞬态法研究了高温条件下的导热系数,分析得出导热系数随着温度的升高而增大,其增大的速率随温度的增加而减小的结论。
土体冻结温度和导热系数不仅取决于土质,同时还受土壤中含盐类型、含盐量和初始含水率的影响,导热系数与水盐的关系也是研究土体内部热量平衡的重要因素。但对于冻结温度和导热系数影响因素分析尚不够全面,各试验对参数的测量在准确性和合理性方面也有待商榷;同时前人对热物理参数的讨论大多只停留在选取其中1个参数进行试验研究,而系统性地对热物理参数进行研究更具理论和工程意义。因此本文针对含盐粉质黏土,研究了含盐量和初始含水率对冻结温度及导热系数的影响,为不同含盐土地区的冻结工程设计提供参考。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
为使研究对实际工程更具有指导意义,试验采用南京地区典型粉质黏土进行含盐土的制备,原状土基本物理指标见表1。
表1 原状土基本物理特性
Table 1 Physical properties of soils
比重ds比表面积/ (m2·g-1)塑限ωp/%液限ωL/%塑性指数Ip2.722.421.234.713.5
原状土中NaCl和Na2SO4的总含量(质量分数,下同)远低于试验规划的含盐量(1.0%～4.0%),因此原状土中的初始离子含量对含盐土的影响可以忽略不计。试验采用重塑土,将土料放入烘箱,105 ℃烘24 h,碾碎,过2 mm粒径筛,筛过后置于袋中密封备用。
1.2 试验方法
本文冻结温度测定选用的是冻融循环中冻结过程的数据,导热系数是在融化过程中测定的。这是因为冻结过程中伴随有温度突变,而融化过程中温度变化是渐变的,且已有研究表明未扰动土体结构情况下冻融循环对导热系数的影响不大[19],因此融化过程更利于导热系数参数的测试。
1.2.1 冻结温度试验
试验采用自行研制的冻结温度试验系统,主要由多功能转换箱、冷浴箱、DataTake采集仪、电脑、热电偶传感器组成,具体装置原理如图1所示。试验主要研究饱和含水率(26%)下NaCl、Na2SO4在不同含盐量(0、1%、2%和4%)及相同含盐量(1%)下不同含水率(15%、20%、25%、30%、35%和40%)含盐土冻结温度变化规律。
图1 冻结温度试验原理示意图
Figure 1 Freezing temperature test diagram
根据试验需要确定土样的含盐量和含水率后按《土工试验方法标准》[20]进行制样。将静置后的土样分层填入80 mm×100 mm模具内,为模拟覆土10 m左右冻结施工,将试样在200 kPa条件下固结24 h。放入冷浴箱中进行冻结温度测定。15%、20%、25%、26%、30%、35%和40%含水率固结后含水率为14.7%、19.4%、24.2%、25.2%、29%、34.1%、38.8%。
1.2.2 导热系数试验测试原理及设备
本试验采用热特性分析仪进行含盐土导热系数测定,研究不同温度条件(0、-5、-10、-15、-20 ℃)下,饱和含水率情况时不同含盐量(0、1%、2%和4%),和一定含盐量(1%)时不同含水率(15%、20%、25%、30%和35%)的导热系数及其变化规律。
根据试验需要确定土样的含盐量和含水率后按《土工试验方法标准》[20]进行制样。将静置后的土样分层填入80 mm×100 mm模具,振捣压实,然后在200 kPa条件下固结24 h后脱模,土样放置在环境箱进行温度分级监测,温度按试验规划从0 ℃逐渐降低到-20 ℃,再从-20 ℃逐渐升到0 ℃,每一级温度留出足够的时间达到热平衡,进行导热系数测试,然后调至下一温度。
2 试验结果与分析
2.1 冻结温度试验结果分析
2.1.1 含盐量对不同含盐土冻结温度影响
图2为饱和含水率条件下不同含盐量的NaCl和Na2SO4在冻结过程中温度-时间曲线。可以看出相比Na2SO4含盐土冻结曲线,NaCl含盐土对含盐量变化更为敏感。随着含盐量的增加,自由水冻结所用时间递减,对于NaCl含盐土是由于饱和含水率下随着含盐量增加,盐溶液的溶质势增加,对自由水的吸附能力增强;对于Na2SO4含盐土溶质势变化的同时还有含盐晶体吸水析出的作用。
图2 不同含盐量下土体冻结过程中温度-时间曲线
Figure 2 Temperature-time curve during soil freezing with different salt content
以温度-时间曲线第1次到达最低点为过冷温度、突变后稳定阶段为冻结温度,可以绘制得到不同含盐量对冻结温度和过冷温度的影响曲线如图3所示。由图3可知,NaCl含盐土的冻结温度和过冷温度随着含盐量的增加而基本呈线性降低。这是因为含盐量增加,土颗粒对水分的吸附能力提升,更易形成水化膜,使得自由水达到冻结状态的温度越低,此时冻结温度变化是由于孔隙结构对水的毛细作用和土颗粒对水的吸附作用的共同影响。
图3 不同类型含盐土冻结温度及过冷温度关系曲线
Figure 3 Relationship between freezing temperature and supercooling temperature of different saline soils
同时从图3可以看出Na2SO4冻结温度变化规律不同的是:在低含盐量(0<s≤2%)条件下,两种含盐土冻结温度和过冷温度均随含盐量增加而降低,且二者差值随含盐量的增加而增大;在较高含盐量(2%<s≤4%)下,Na2SO4含盐土随含盐量增加冻结温度和过冷温度反而升高,这是由于冻结过程中水分相变的同时,Na2SO4含盐土还伴随着盐溶液的相变,吸水析出Na2SO4·10H2O,同时冰晶和土颗粒接触角减小,导致冻结温度上升。
2.1.2 含水率对不同含盐土冻结温度影响
图4为不同初始含水率下土体冻结过程中NaCl含盐土和Na2SO4含盐土温度-时间变化曲线,从中可以看出不同含水率下均出现了过冷现象,且随含水率增加过冷现象更为显著。这是由于初始含水率小的土样自由水含量也较低,在到达过冷温度以前已有相变发生。同时可以看出初始含水率在达到饱和含水率以前,冻结温度随初始含水率变化明显,且随含水率增加,冻结稳定段持续时间增大,超过饱和含水率之后冻结温度和冻结稳定段的持续时间则变化不大。这是由于到达饱和含水率以前,冰晶成核后随着含水率的增加,盐溶液的基质势绝对值减小,对水分的吸附能力减弱,转化为冰的自由水越少;到达饱和含水率以后,基质势值为0,同时不论是大孔隙还是小孔隙,此时均已被水分子充盈,小孔隙对冻结特征的影响可以忽略。
图4 不同初始含水率下土体冻结降温曲线
Figure 4 Freezing and cooling curves of soil with different initial moisture contents
根据NaCl和Na2SO4含盐土在不同初始含水率下土体冻结过程中的过冷温度和冻结温度可以拟合得到图5,可以看出在相同初始含水率条件下Na2SO4含盐土的冻结温度和过冷温度均高于NaCl含盐土。
图5 不同类型含盐土冻结温度及过冷温度与初始含水率关系曲线
Figure 5 Relationship between freezing and overcooling temperature and initial water content of different saline soils
从图5还可以看出含水率和温度成正相关关系,这是由于含水率越低,土颗粒表面对水的吸附作用越强,冻结需要达到的温度也就越低。
图5中冻结温度随含水率变化拟合曲线,可用对数函数式(1)表示:
Tf=A1+B1ln(w+C1) 。
(1)
过冷温度随含水率变化拟合曲线见式(2):
Ts=A2+B2ln(w+C2) 。
(2)
式中:Tf、Ts分别为冻结温度和过冷温度,℃;w为含水率,%;A1、B1、C1、A2、B2、C2均为拟合系数。
表2给出冻结温度及过冷温度随含水率变化拟合系数。可以看出,土体的冻结温度随含水率的增加而增加,且随着含水率增加,冻结温度和过冷温度的变化幅度逐渐减小。结合图3和图5可知,对于NaCl含盐土,含盐量对含盐土冻结温度及过冷温度的影响作用更大,而对于Na2SO4含盐土含水率影响相对更大。
表2 冻结温度及过冷温度随含水率变化曲线拟合系数
Table 2 Fitting coefficient of freezing and supercooling temperature with water content
含盐类型含盐量/%冻结温度拟合系数过冷温度拟合系数A1B1C1A2B2C2NaCl1-6.3561.379-13.478-9.3201.910-9.328Na2SO41-2.3980.626-11.441-4.3000.826-6.058
2.2 导热系数试验结果分析
2.2.1 含盐量对不同含盐土导热系数影响
图6为融化状态下两种含盐土导热系数变化曲线图。由图6 可知,不同类型含盐土,其导热系数变化规律相差较大:随着含盐量增加,Na2SO4导热系数增加的幅度小于NaCl含盐土。这是由于Na2SO4吸水结晶,且含盐量越高,越容易结晶析出,因此过高含盐量的Na2SO4含盐土对导热系数控制作用小。两种含盐土变化规律相同点在于:负温范围内随含盐量变化,不同温度土样的导热系数变化趋势相同,即随温度升高,各含盐量下含盐土导热系数均逐渐减小,这是由于随温度升高,未冻水含量增大,导致冰含量减小,且分子碰撞运动逐渐剧烈;随着含盐量增加,在负温范围内含盐土的导热系数减小,这是由于含盐量增加,使得未冻水含量增加,即导热性较好的冰所占比例减小。
图6 含盐土导热系数与含盐量关系拟合曲线
Figure 6 Fitting curve of relationship between thermal conductivity and salt content of saline soil
从图6还可看出,同一种含盐土的负温和0 ℃时的拟合曲线线型不同,因为此时土中未发生冰水相变。在0 ℃时,随含盐量增加,NaCl含盐土导热系数增大,而Na2SO4含盐土导热系数减小,Na2SO4溶解度小于NaCl,随含盐量增加,0 ℃时Na2SO4盐会吸水结晶,含盐量越高失水越多,而0 ℃时NaCl溶解度较大,随着离子浓度增大,导热系数也增大。
由图6可知负温区段温度和含盐量都会影响导热系数,在此基础上对不同含盐量和温度下的含盐土的导热系数进行拟合,得到经验公式(3):
(3)
式中:λ为导热系数,W·(m·k)-1;s为含盐量,%;T为温度,℃;a1、b1、c1、d1为相关的拟合系数。
表3给出了含盐土融化过程的拟合系数,R2值分别为0.936、0.980,说明该公式拟合效果良好,适用于对导热系数的估算。
表3 NaCl、Na2SO4含盐土导热系数拟合系数
Table 3 Fitting coefficient of thermal conductivity in NaCl, Na2SO4 saline soil
含盐土类型a1b1c1d1NaCl含盐土1.552-1.111-3.174-0.034Na2SO4含盐土1.404-0.004-0.138-0.222
2.2.2 含水率对不同含盐土导热系数影响
土的导热系数与含水率密切相关,图7为融化状态两种含盐土导热系数随温度及含水率变化拟合曲线,两种含盐土导热系数变化规律共同点为负温范围内随着温度升高,两种含盐土导热系数均逐渐减小;随着含水率增加,两种含盐土导热系数均逐渐增大,且增长至一定程度后速率逐渐变缓,这是因为低含水率时,土体孔隙中存在相当比例热传导性较差的气体。
图7 含盐土导热系数与初始含水率关系曲线
Figure 7 Relation curve of thermal conductivity and initial moisture content of saline soil
从图7还可看出,两种含盐土导热系数变化规律不同点在于:同一温度和含盐量下,NaCl含盐土导热系数大于Na2SO4含盐土,这是由于Na2SO4含盐土在冻结过程中析出晶体,盐结晶并吸收大量水,可发生相变成冰的水的含量要小于NaCl含盐土,在融化过程中冰含量仍小于NaCl含盐土;含水率相同时,随着温度升高,负温下NaCl含盐土导热系数逐渐减小,且减小速率变大,而Na2SO4含盐土在高含水率时导热系数基本不变。
由图7可知,温度和含水率对含盐土的导热系数都有较大的影响,进一步研究温度和含水率与导热系数的关系,对NaCl和Na2SO4含盐土拟合,得到式(4):
λ=a2+b2ec2T+d2ln w。
(4)
式中:λ为导热系数,W·(m·k)-1;w为含水率,%;T为温度,℃;a2、b2、c2为拟合系数。表4为NaCl和Na2SO4含盐土导热系数拟合系数。R2值分别为0.961、0.964,说明该公式拟合效果良好,可以用来估算一定含水率和温度条件下的导热系数。
表4 NaCl、Na2SO4含盐土导热系数拟合系数
Table 4 Fitting coefficient of thermal conductivity in NaCl, Na2SO4 saline soil
含盐土类型a2b2c2d2R2NaCl含盐土0.134-0.1590.1930.4510.961Na2SO4含盐土0.126-0.0790.2880.4280.964
3 结论
本文通过粉质黏土的室内试验,研究分析了含盐类型、含盐量以及初始含水率对冻结温度、导热系数的影响,得出以下结论。
(1)随着含盐量的增加,NaCl含盐土的冻结温度及过冷温度基本呈线性降低,而对于冻结过程中有结晶盐析出的Na2SO4含盐土,冻结温度和过冷温度均先降低后增加,且在2%含盐量处达到最低点。
(2)两种含盐土冻结温度及过冷温度均随初始含水率增大而增加,且增长速率逐渐减小。对于NaCl含盐土,含盐量对含盐土冻结温度及过冷温度的影响作用更大,而对于Na2SO4含盐土含水率的影响相对更大。
(3)负温范围内,两种含盐粉质黏土的导热系数均随含盐量增加而减小;相同温度和含盐量条件下NaCl含盐土导热系数大于Na2SO4含盐土。高含盐量条件下Na2SO4更容易吸水析出结晶盐,随着含盐量的增加Na2SO4对导热系数的控制作用逐渐变小。
(4)两种含盐土初始含水率与导热系数均成正相关关系,且随着含水率增加其增长速率均逐渐变缓。
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