复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置及方法

1.本发明涉及土木工程、岩土工程领域中的多孔材料基本物理性质参数的测试技术，特别是一种复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置及方法。


背景技术：

2.岩土材料的热物性参数是土木工程领域中热工构筑物设计、施工的重要设计参数之一。随着化石能源消耗的不断增长，以及由此带来的环境危害，使得人们不断寻求新的清洁能源同时，也努力提高能源的利用效率。近年来，土木工程领域内的热工构筑物逐渐兴起，规模和数量呈明显增长态势。热工构筑物的设计和施工过程中，对于周围岩土材料的热物性参数，如热导率、热容量和热辐射等，要求测量准确，这对于热工构筑物的热交换效率和服役性能均有着直接影响。了解热能在岩土材料中的传递特点以及准确、有效的测试其热物性参数指标，对于工程实践有着重要的意义。岩土材料具有多孔性、介质多相性、不均匀性等特点，使得准确量测其在不同制备状态下的热物性参数尤为重要。热导率和比热容是表征岩土材料热传导特性的重要指标，能够直接反映热量在其中的传递效率。
3.岩土材料热导率/比热容的测试方法多种多样，按照测试原理可以分为两大类：稳态法和非稳态法；按照测试设备可以有热探针法、平板法、水加热法等等。这些测试技术发展至今，都较为成熟，能够准确的量测岩土材料的热物性参数。值得注意的是，岩土材料在实际工程应用时，均处于一定的应力场环境中，例如，寒区道路路基填料在服役过程中，不仅要承受上部结构的自重，还需要承受来自外部车辆荷载的作用。岩土材料中的固相颗粒介质在不同的应力环境下，其相互间的接触性状不同，会直接影响总体的热传导特性。因此，需要研发新型、高效的测试装置，用于量测岩土材料在复杂应力状态下的热物性参数。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置及方法，该复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置及方法能对热工构筑物中复杂应力环境下岩土材料的热传导性能进行定量评价，具有操作简单、快捷、测试精度高等优点，具有良好的社会经济效益和工程应用前景。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
6.一种复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置，包括试样组件、压力腔室、轴压加载组件、围压加载组件和试样加热组件。
7.试样组件包括岩土试样、试样支座、试样帽和乳胶膜；试样支座同轴设置在岩土试样底部，试样帽同轴放置在岩土试样顶部，乳胶膜能一体式密封包覆岩土试样、试样支座和试样帽。
8.压力腔室为同轴设置在试样组件外周的密封腔室。
9.轴压加载组件用于向试样组件施加轴向压力。
10.围压加载组件用于向试样组件施加围压。
11.试样加热组件包括坚硬试样加热组件和松软试样加热组件。
12.坚硬试样加热组件包括加热板、冷却板、底部热流传感器和顶部热流传感器。
13.加热板设置在试样支座顶部，冷却板设置在试样帽底部，底部热流传感器用于检测岩土试样顶部温度，顶部热流传感器用于检测岩土试样底部温度。
14.松软试样加热组件包括双针热探头，双针热探头底部可拆卸式安装在试样支座或加热板上，双针热探头顶部能伸入试样内部；双针热探头包括平行并列布设的加热探针和温度探针。
15.试样组件还包括绝热薄膜，绝热薄膜同轴一体式包覆在岩土试样、试样支座和试样帽外周，乳胶膜包覆在绝热薄膜外周。
16.双针热探头的热导率k量程为0.02w/(m
·
k)至2.00w/(m
·
k)，体积比热容c的量程为0.5mj/m3至4.0mj/m3，测量误差应低于
±
10％。
17.轴压加载组件包括反力架和传力导杆，传力导杆安装在反力架顶部，且高度能够升降。
18.轴压加载组件还包括位移传感器，位移传感器能检测试样组件的轴向位移。
19.一种复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试方法，包括如下步骤。
20.步骤1、制备试样组件，具体包括如下步骤：
21.步骤11、制备岩土试样：根据待模拟岩土材料的物理性能，将原状土掺加设定剂量的添加剂和水，并成型或压实，形成设定尺寸的岩土试样；根据岩土试样的强度，将岩土试样分为坚硬岩土试样和松软岩土试样；其中，坚硬岩土试样的强度大于松软岩土试样的强度。
22.步骤12、安装试样加热组件：在试样支座顶部从下至上依次铺设加热板和底部热流传感器，在试样帽底部依次设置冷却板和顶部热流传感器；双针热探头根据岩土试样类型选择是否安装，当岩土试样为松软岩土试样时，将双针热探头底部可拆卸式安装在试样支座或加热板上；否则，不安装双针热探头。
23.步骤13、安装岩土试样：将步骤11制备的岩土试样放置在步骤12的试样支座顶部，当岩土试样为松软岩土试样时，双针热探头顶部伸入松软岩土试样内部；然后，将步骤12的试样帽放置在岩土试样顶部。
24.步骤14、包覆岩土试样：将绝热薄膜和乳胶膜从内至外依次包覆在步骤13安装完成的岩土试样外周。
25.步骤2、加载围压：将步骤1制备完成的岩土试样放置在压力腔室底部中心，通过向压力腔室注水的方式，向岩土试样施加设定压力的围压。
26.步骤3、测试初始状态热物性参数：对步骤2加载有设定压力围压的岩土试样进行加热，并测试，从而得到初始状态热物性参数，具体计算方法为：
27.a、当岩土试样为松软岩土试样时，初始状态热物性参数包括初始热导率k
0-1
和初始体积比热容c
0-1
；其中，初始热导率k
0-1
和初始体积比热容c
0-1
均采用双针热探头测试得到。
28.b、当岩土试样为坚硬岩土试样时，初始状态热物性参数包括初始热导率k
0-2
，初始热导率k
0-2
采用坚硬试样加热组件测试得到。
29.步骤4、加载轴压：对完成初始状态热物性参数测试且恢复至加热前温度的岩土试
样，采用轴压加载组件进行等梯度d的梯级式轴压的施加，直至达到所需的最大轴向荷载；其中，梯度d的计算公式为：
[0030][0031]
式中，fa为施加的上一级轴向荷载；fb为施加的下一级轴向荷载。
[0032]
步骤5、测试轴压下热物性参数：在步骤4的每级轴压加载之后，均采用步骤3的方法进行该级轴压下的热物性参数测试，从而得到不同轴压下的热物性参数测试。
[0033]
步骤6、调整步骤2中向岩土试样施加的围压的设定压力值，重复步骤3至步骤5，从而得到不同围压下的热物性参数测试。
[0034]
步骤3a中，采用双针热探头测试初始热导率k
0-1
的方法，具体包括如下：
[0035]
步骤3a1、加热岩土试样：采用加热探针主动对岩土试样进行加热，且加热总时间为th，单位为秒。
[0036]
步骤3a2、记录温度变化起始时间：在步骤3a1加热过程中，加热探针还对岩土试样温度进行实时监测，并记录岩土试样温度变化的开始时间t1和结束时间t2，单位均为秒；其中，0＜t1＜t2＜th，t1对应的岩土试样温度为θ1，t2对应的岩土试样温度为θ2。
[0037]
步骤3a3、计算试样温度变化δθ，具体计算公式为：δθ＝θ
1-θ2。
[0038]
步骤3a4、计算初始热导率k
0-1
，具体计算公式为：
[0039][0040]
其中，q是单位长度加热探针向岩土试样中输入的热能。
[0041]
步骤3a中，采用双针热探头测试初始体积比热容c
0-1
的方法，包括如下步骤：
[0042]
步骤3a5、计算热扩散率d：根据温度探针当前测试时间t的不同，选用如下公式(2)，计算得到热扩散率d；其中，当前测试时间t的单位为秒，公式(2)为：
[0043][0044]
其中，δt是温度探针测量的温度变化，r是加热探针和温度探针的间距，ei是指数积分。
[0045]
步骤3a6、计算初始体积比热容c
0-1
，具体计算公式为：
[0046][0047]
其中，ρ为岩土试样的密度。
[0048]
步骤3b中，采用坚硬试样加热组件测试初始热导率k
0-2
的方法，包括如下步骤：
[0049]
步骤3b1、加热岩土试样：采用加热板对岩土试样进行加热；加热产生的热量从岩土试样底部逐渐传递至岩土试样顶部和冷却板；其中，在设定时间t内，加热板的输入热能等于稳态条件下通过岩土试样的热通量q。
[0050]
步骤3b2、计算温度梯度：在步骤3b1加热过程中，底部热流传感器和顶部热流传感
器分别对岩土试样底部和顶部的温度进行实时监测；其中，在设定时间t内，当岩土试样处于稳态条件时，设底部热流传感器监测到的温度为k1，顶部热流传感器监测到的温度为k2，则岩土试样上下表面的温度梯度δk＝k
1-k2。
[0051]
步骤3b3、计算初始热导率k
0-2
，具体计算公式为：
[0052][0053]
其中，l为岩土试样的高度。
[0054]
步骤3b4、加热板停止加热，岩土试样逐渐冷却至初始温度。
[0055]
步骤4中，在加载轴压的同时，采用位移传感器实时监测岩土试样的轴向变形，当每级荷载施加后，岩土试样每小时的变形量小于0.01mm时，视为岩土试样轴向变形稳定；当岩土试样轴向变形稳定时，方进行轴压下热物性参数的测试。
[0056]
本发明具有如下有益效果：
[0057]
1、根据岩土材料存在环境特点进行热物性参数测试，该测试装置具有操作简单、快捷、测试结果精度高等优点，具有良好的工程应用前景和社会经济效益。
[0058]
2、本发明中岩土材料可实现在不同应力场条件下的热导率和体积比热容测试，在获得试样压缩特性参数和强度特性参数的同时，明确试样力学与热学性能相互耦合的特征。
[0059]
3、双针热探针测试的热导率可以与加热板/冷却板测试的热导率进行相互校核，确保装置测试结果的高精确度。
附图说明
[0060]
图1显示了本发明一种复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置的结构示意图。
[0061]
图2显示了实施例中双针热探头中温度探针监测的温度随时间变化图。
[0062]
图3显示了实施例中双针热探头计算岩土材料热导率的原理图。
[0063]
图4显示了实施例中顶部热流传感器和底部热流传感器温度随时间变化图。
[0064]
图5显示了实施例中热通量随时间变化图。
[0065]
其中有：
[0066]
1.压力腔室；2.不锈钢顶盖；3.刚性基座；4.螺杆；5.传力导杆；6.排气阀；7.位移传感器；8.腔室注水管；9.压力控制器；10.岩土试样；11.顶部热流传感器；12.冷却板；13.试样帽；14.底部热流传感器；15.双针热探头；16.加热板；17.试样支座；18.绝热薄膜；19.乳胶膜；20.顶部止水橡胶圈；21.底部止水橡胶圈；22.数据采集线；23.数据采集仪；24.加热电缆；25.加热电源；26.数据电缆；27.控制主机。
具体实施方式
[0067]
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0068]
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第
一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
[0069]
如图1所示，一种复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置，包括试样组件、压力腔室1、轴压加载组件、围压加载组件、试样加热组件、数据采集仪23和控制主机27。
[0070]
试样组件包括岩土试样10、试样支座17、试样帽13、绝热薄膜18、乳胶膜19、顶部止水橡胶圈20和底部止水橡胶圈21。
[0071]
上述岩土试样的形状优选为圆柱形，直径范围优选为38mm至50mm，高度范围优选为76mm至100mm，的高径比优选为1.5至2。
[0072]
试样支座同轴设置在岩土试样底部，试样帽同轴放置在岩土试样顶部。试样帽和试样支座的直径与岩土试样直径相同，试样帽的质量范围优选为50g至100g。
[0073]
绝热薄膜同轴一体式包覆在岩土试样、试样支座和试样帽外周，乳胶膜包覆在绝热薄膜外周。其中，绝热薄膜的热导率优选小于0.01w/(m
·
k)。
[0074]
压力腔室为同轴设置在试样组件外周的密封腔室，压力腔室顶部设置有排气阀6。本实施例中，压力腔室优选为透明钢化玻璃材料，内径优选为200mm，高度优选为400mm，承受的最大围压为10mpa。
[0075]
轴压加载组件用于向试样组件施加轴向压力。
[0076]
轴压加载组件包括反力架、传力导杆5和位移传感器7。
[0077]
反力架包括刚性基座3、不锈钢顶盖2和用于连接刚性基座3与不锈钢顶盖2的若干根螺杆4。
[0078]
传力导杆安装在反力架顶部，且高度能够升降。传力导杆底部能与试样组件中的试样帽顶部相接触。传力导杆施加的轴向力最大优选为5kn。
[0079]
上述位移传感器能检测试样组件的轴向位移，位移传感器的精度优选大于0.01mm。
[0080]
围压加载组件用于向试样组件施加围压。围压加载组件包括腔室注水管8和压力控制器9。腔室注水管用于向岩土试样外周的压力腔室注入加压水，压力控制器设置在腔室注水管8上，用于加压。
[0081]
试样加热组件包括坚硬试样加热组件、松软试样加热组件和加热电源25。
[0082]
坚硬试样加热组件包括加热板16、冷却板12、底部热流传感器14和顶部热流传感器11。
[0083]
加热板设置在试样支座顶部，通过加热线缆24与加热电源24相连接。加热板的最大加热温度优选为70℃，且从打开加热电源开始加热至最大加热温度的时间应大于30min。
[0084]
冷却板设置在试样帽底部，底部热流传感器用于检测岩土试样顶部温度，顶部热流传感器用于检测岩土试样底部温度。顶部热流传感器和底部热流传感器的直径优选与岩土试样直径相同。顶部热流传感器和底部热流传感器的组成优选为：2个4mm厚的铝板中间设置有1个1mm厚的聚碳酸酯圆盘，在铝盘中心钻孔，并将热电偶插入中心孔内，用于监测铝盘温度的变化。
[0085]
松软试样加热组件包括双针热探头11，双针热探头底部可拆卸式安装在试样支座或加热板上，双针热探头顶部能伸入试样内部；双针热探头包括平行并列布设的加热探针和温度探针。加热探针与加热电源25相连接。
[0086]
上述双针热探头的单针直径优选为3.0mm，长度优选为60mm，双针间距优选为10mm。
[0087]
上述双针热探头的热导率k量程优选为0.02w/(m
·
k)至2.00w/(m
·
k)，体积比热容c的量程优选为0.5mj/m3至4.0mj/m3，测量误差应低于
±
10％。
[0088]
上述数据采集仪通过数据采集线22与本技术中的双针热探头以及各传感器相连接。数据采集仪的采集频率优选为1hz。
[0089]
数据采集仪还通过数据线缆26与控制主机相连接。控制主机也可通过数据线缆26直接与双针热探头11等相连接。
[0090]
一种复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试方法，包括如下步骤。
[0091]
步骤1、制备试样组件，具体包括如下步骤。
[0092]
步骤11、制备岩土试样：根据待模拟岩土材料的物理性能，将原状土掺加设定剂量的添加剂和水，并成型或压实，形成设定尺寸的岩土试样；根据岩土试样的强度，将岩土试样分为坚硬岩土试样和松软岩土试样；其中，坚硬岩土试样的强度大于松软岩土试样的强度。
[0093]
步骤12、安装试样加热组件：在试样支座顶部从下至上依次铺设加热板和底部热流传感器，在试样帽底部依次设置冷却板和顶部热流传感器；双针热探头根据岩土试样类型选择是否安装，当岩土试样为松软岩土试样时，将双针热探头底部可拆卸式安装在试样支座或加热板上；否则，不安装双针热探头。
[0094]
步骤13、安装岩土试样：将步骤11制备的岩土试样放置在步骤12的试样支座顶部，当岩土试样为松软岩土试样时，双针热探头顶部伸入松软岩土试样内部；然后，将步骤12的试样帽放置在岩土试样顶部。
[0095]
步骤14、包覆岩土试样：将绝热薄膜和乳胶膜从内至外依次包覆在步骤13安装完成的岩土试样外周。然后，优选用顶部止水橡胶圈20和底部止水橡胶圈21将绝热薄膜和乳胶膜分别密封、固定于试样帽和试样支座上。
[0096]
步骤2、加载围压：将步骤1制备完成的岩土试样放置在压力腔室底部中心，通过向压力腔室注水的方式，向岩土试样施加设定压力的围压。
[0097]
具体加载方式优选为：将压力腔室通过螺杆固定于刚性基座上，调节传力导杆的位置，使其接近但不接触试样帽，同时打开排气阀和腔室注水管，通过腔室注水管向压力腔室内缓慢注水，待压力腔室内完全充满水后，关闭排气阀并通过压力控制器调节至目标围压。
[0098]
步骤3、测试初始状态热物性参数
[0099]
检查试样的垂直度以及侧边乳胶膜是否有“鼓包”现象，调整传力导杆的位置，使其刚刚接触试样帽，打开控制主机，对步骤2加载有设定压力围压的岩土试样进行加热，并测试，从而得到初始状态热物性参数，具体计算方法为：
[0100]
a、当岩土试样为松软岩土试样时，初始状态热物性参数包括初始热导率k
0-1
和初始体积比热容c
0-1
；其中，初始热导率k
0-1
和初始体积比热容c
0-1
均采用双针热探头测试得到。
[0101]
如图2和图3所示，采用双针热探头测试初始热导率k
0-1
的方法，具体包括如下：
[0102]
步骤3a1、加热岩土试样：采用加热探针主动对岩土试样进行加热，且加热总时间
为th，单位为秒。
[0103]
步骤3a2、记录温度变化起始时间：在步骤3a1加热过程中，加热探针还对岩土试样温度进行实时监测，并记录岩土试样温度变化的开始时间t1和结束时间t2，单位均为秒；其中，0＜t1＜t2＜th，t1对应的岩土试样温度为θ1，t2对应的岩土试样温度为θ2。
[0104]
步骤3a3、计算试样温度变化δθ，具体计算公式为：δθ＝θ
1-θ2。
[0105]
步骤3a4、计算初始热导率k
0-1
，具体计算公式为：
[0106][0107]
其中，q是单位长度加热探针向岩土试样中输入的热能。
[0108]
步骤3a5、计算热扩散率d：根据温度探针当前测试时间t的不同，选用如下公式(2)，计算得到热扩散率d；其中，当前测试时间t的单位为秒，公式(2)为：
[0109][0110]
其中，δt是温度探针测量的温度变化，r是加热探针和温度探针的间距，ei是指数积分。
[0111]
步骤3a6、计算初始体积比热容c
0-1
，具体计算公式为：
[0112][0113]
其中，ρ为岩土试样的密度。
[0114]
采用上述步骤3a5和步骤3a6，能用于测试初始体积比热容c
0-1
。
[0115]
b、当岩土试样为坚硬岩土试样时，初始状态热物性参数包括初始热导率k
0-2
，初始热导率k
0-2
采用坚硬试样加热组件测试得到。
[0116]
如图4和图5所示，采用坚硬试样加热组件测试初始热导率k
0-2
的方法，包括如下步骤。
[0117]
步骤3b1、加热岩土试样：采用加热板对岩土试样进行加热；加热产生的热量从岩土试样底部逐渐传递至岩土试样顶部和冷却板；其中，在设定时间t内，加热板的输入热能等于稳态条件下通过岩土试样的热通量q。
[0118]
本实施例中，从打开加热电源(25)开始加热板加热至最大加热温度的时间应大于30min。
[0119]
步骤3b2、计算温度梯度：在步骤3b1加热过程中，底部热流传感器和顶部热流传感器分别对岩土试样底部和顶部的温度进行实时监测；其中，在设定时间t内，当岩土试样处于稳态条件时，设底部热流传感器监测到的温度为k1，顶部热流传感器监测到的温度为k2，则岩土试样上下表面的温度梯度δk＝k
1-k2。
[0120]
步骤3b3、计算初始热导率k
0-2
，具体计算公式为：
[0121]
[0122]
其中，l为岩土试样的高度。
[0123]
步骤3b4、加热板停止加热，岩土试样逐渐冷却至初始温度。
[0124]
步骤4、加载轴压：对完成初始状态热物性参数测试且恢复至加热前温度的岩土试样，采用轴压加载组件进行等梯度d的梯级式轴压的施加，直至达到所需的最大轴向荷载；其中，梯度d的计算公式为：
[0125][0126]
式中，fa为施加的上一级轴向荷载；fb为施加的下一级轴向荷载。
[0127]
上述轴压加载组件通过传力导杆施加轴向荷载，荷载速率应低于1mm/min。
[0128]
步骤5、测试轴压下热物性参数：在加载轴压的同时，采用位移传感器实时监测岩土试样的轴向变形，当每级荷载施加后，岩土试样每小时的变形量小于0.01mm时，视为岩土试样轴向变形稳定；当岩土试样轴向变形稳定时，均采用步骤3的方法进行该级轴压下的热物性参数测试，从而得到不同轴压下的热物性参数测试。
[0129]
本实施例中，位移传感器记录试样的轴向变形，能用于计算应变和孔隙率，进而研究岩土试样力学与热学性能相互耦合的特征。
[0130]
步骤6、调整步骤2中向岩土试样施加的围压的设定压力值，重复步骤3至步骤5，从而得到不同围压下的热物性参数测试。
[0131]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。