北山花岗岩岩屑-膨润土混合材料导热性能研究

高放废物地质处置库缓冲/回填材料的重要作用之一是传导和散失高放废物衰变热,在膨润土中添加石英砂、石墨、花岗岩岩屑等导热性能较好的添加剂是提高缓冲/回填材料导热性能的主要方法。选用北山花岗岩岩屑为添加剂,与高庙子钠基膨润土GMZ01组成混合材料,制备不同含水率、不同密度的试样。使用Hot Disk TPS2500s热常数分析仪测定样品的导热系数,分析其与花岗岩岩屑含量、干密度、饱和度等参数的关系,并运用多种混合物热传导模型分析预测导热系数。研究结果表明,花岗岩岩屑能够有效提高缓冲/回填材料的导热性能,混合材料的导热系数分别与其饱和度、气体体积存在线性关系;Maxwell方程能够较好预测北山花岗岩岩屑-膨润土混合材料的导热系数。     

混合型缓冲回填材料导热性能试验

为提高高放废物地质处置库中缓冲回填材料的导热性能,选用高庙子钙基膨润土和钠基膨润土为基础材料,添加不同比例的石英砂、石墨和沸石配置成混合型缓冲回填材料,运用瞬变平面热源法进行了不同含水率、不同干密度条件下导热系数的测试分析,并提出了混合型缓冲回填材料的建议配合比。结果表明,缓冲回填材料的导热性能随着含水率、干密度的增大而增大,各材料导热系数的大小排序为:石墨(M)石英砂(S)钠基膨润土(N)钙基膨润土(G)沸石(F)。石英砂和石墨作为添加剂可以极大地提高缓冲回填材料的导热性能,沸石对混合材料导热性影响不大,但其优良的吸附性与化学稳定性可为混合型缓冲回填材料其他性能提供保障。     

碱−热环境下MX80膨润土导热性能试验研究

以美国怀俄明州钠基（MX80）膨润土为研究对象,采用热探针法测定碱−热环境下MX80膨润土的导热系数,探讨了温度、碱液强度和干密度对试样导热系数λ的影响规律,并选择部分试样进行了X射线衍射（X-ray diffraction,简称XRD）和扫描电镜（scanning electron microscope,简称SEM）试验,揭示了碱−热环境下MX80膨润土导热性能演变的微观机制。试验结果表明：MX80膨润土的导热系数λ随碱液含量和干密度的递增而增大;在不同碱液含量条件下,膨润土的导热系数均随温度升高而增大,且碱液含量越高,导热系数的温度效应越显著;干密度较小时,膨润土导热系数λ随温度升高而增大的影响越明显,主要原因是温度促进了试样内部的水汽潜热传输;同一温度和干密度条件下,热传导系数λ随着碱液pH值的升高而降低6,且pH值越高,则λ降幅越明显,主要原因是强碱溶液腐蚀了膨润土的蒙脱石成分,减少了试样内石英含量,增大了膨润土试样的孔隙率,进而降低了膨润土导热系数,这与测试试样的XRD和SEM结果相吻合。     

水泥胶结钙质砂导热系数的影响因素试验研究

为了探讨水泥掺量P_s、水灰比W/C(W为水质量,C为水泥质量)、含水率ω等因素对水泥胶结钙质砂导热系数λ的影响规律,基于热探针法测定了不同试验条件下水泥胶结钙质砂的导热系数,分析了各因素影响下导热系数的变化规律,运用电镜扫描技术阐释了上述变化趋势发生的微观机制;在此基础上,提出了考虑水泥掺量、水灰比、含水率3个因素共同影响的水泥胶结钙质砂导热系数计算模型。试验结果表明：(1)水泥胶结钙质砂的导热系数λ显著大于天然钙质砂的λ值,随着水泥掺量P_s的增加,λ值递增,但增长幅度依次递减;(2)水泥胶结钙质砂导热系数λ随含水率ω的增加而递增,呈正相关关系;水灰比W/C越大,λ反而越小;(3)水泥胶结钙质砂内微孔隙大小、数量的变化从本质上决定了其宏观热传导特性,凝胶状水化产物连续填充其内部孔隙,引起其孔隙率降低,改善砂样内部传热,宏观表现为其导热系数λ随着胶结程度的增加而递增;(4)综合考虑P_s、ω、W/C的3个因素共同影响的水泥胶结钙质砂导热系数计算模型具有很好的适用性,相关系数R~2=0.916 4。     

地源热泵换热孔灌浆材料导热性能实验研究

地下换热器是地源热泵系统的技术关键,地下换热器换热能力的大小直接影响地源热泵系统的效能,而换热孔灌浆材料导热性能的优良决定着换热器的换热效果。本文在线源理论和热阻网络分析法的基础上建立了钻孔内部换热的传热模型,并在该模型的基础上,研制了一套实验装置,模拟现场条件进行灌浆材料导热性能的实验研究。实验结果表明:水泥基灌浆材料较膨润土基灌浆材料具有更高的热传导系数,且热传导系数都具有随石英砂含量增大而增大的趋势;对水泥基灌浆材料,热传导系数随砂灰比和水灰比的变化而变化。     

含水率和添加剂对膨润土导热性能影响的研究

膨润土的热学性能是评价膨润土作为高放废物深地质处置库缓冲/回填材料的重要参数。高庙子膨润土矿床初步确定为我国缓冲/回填材料的供应基地,本研究以石英砂作为添加剂,通过实验获得了高庙子膨润土在不同含水率和不同砂含量时所对应的导热系数。结果表明,在相同压实条件下,导热系数随着含水率、石英砂含量的增加而增加。     

砂?重晶石粉填料导热性能与传热机制研究

地埋管地源热泵是浅层地热能利用的一种主要形式,回填材料的热物性尤其导热系数是影响热泵系统换热效率的关键。以砂和重晶石粉作为研究对象,探究不同重晶石粉掺比(体积分数)以及不同饱和度样品导热系数的变化规律;并基于体视镜、核磁共振分析等宏细观实验,揭示重晶石粉对回填材料导热系数提高的机制;最后,通过数值模拟手段研究该回填材料导热性能对换热效率的影响。研究表明:重晶石粉对回填材料导热系数的影响显著,掺比20%重晶石粉对回填材料导热系数提高的效果最好,最高可使导热系数提高52.09%;水的含量对导热系数影响也很显著,样品饱水后导热系数明显增加,相比干燥样品提高了4~5倍;重晶石粉对回填材料导热系数的提高主要由包裹效应和填隙效应引起,包裹效应为重晶石粉将砂颗粒表面包裹,而填隙效应则是重晶石粉将砂颗粒之间的孔隙填充;数值模拟结果证明重晶石粉提高回填材料导热系数进而提高地源热泵换热效率的可行性。研究成果为地源热泵回填材料的选择提供了参考。      

岩质边坡相似材料导热系数的试验研究

基于相似材料配比的正交试验方案,制备了不同成分和配合比的相似材料试样,量测了各试样的导热系数值,研究了相似材料中含水率、胶结物及砂胶比等变化对导热系数量值的影响。研究结果表明:由于水和空气的导热系数差异较大,试样中含水率变化对导热系数量值的影响显著; 胶结物在试样中所占比例小,其成分因水化引起的孔隙率变化有限,胶结物成分和配比变化对导热系数量值的影响可以忽略; 受砂与胶结物之间的相互作用,胶结物成分和配比方案将改变砂胶比对导热系数量值的影响。当胶结物成分为石灰和石膏时,影响导热系数值的因素依次为含水率、砂胶比和胶结物,并随着砂胶比的增大,导热系数值在增加,但增幅逐渐减小; 当胶结物成分为水泥和石膏时,影响导热系数值的因素依次为含水率、胶结物和砂胶比,但随着砂胶比的增大,导热系数量值变化可以忽略。     

填料对地热井固井材料导热性能的影响

在地热井固井水泥中加入导热填料能够明显改善水泥石导热性能,提升地热井取热效果。在总结导热路径理论和紧密堆积理论的基础上,通过试验研究不同填料种类、粒径及掺量对固井水泥导热性能的影响。试验结果表明:较其他种类填料,石墨对水泥石导热性能提升效果最好;石墨粒径越大对应水泥石导热系数越高。不同粒径的石墨混合,较单一粒径石墨对水泥石导热性能的提升效果更好,其最优混合配比为:石墨粒径为150 μm与100 μm,质量比为2:1。随着石墨掺量增加,固井材料的导热系数逐渐增大,但流动度和48 h抗压强度逐渐降低。参照固井相关规范,提出固井材料中石墨掺量应控制在9%左右为宜。研究成果为地热井高导热固井材料的制备提供借鉴。移动阅读      

土壤热参数及其影响因素测试分析

热性质是岩土体基本的物理性质之一,用以评价热量在其中的保持、传导和分布状况,以导热系数、比热容和热扩散系数最为常见,这些参数也是地热能管理与开发、工程冷冻开挖、寒区工程设计与施工的重要参数。已有研究表明,土壤热参数与土质、来源、含水率、密度等因素有关。通过广东湛江某工地粉质黏土和黏土的热参数测试结果分析发现：随含水率的增大,粉质黏土导热系数和热扩散系数的变化趋势是先增加至最大值,然后减小,而比热容基本呈线性增大。干密度对粉质黏土导热系数的影响与含水率大小有关,当含水率不超过20.0%时,其随干密度的增加而增大,而当含水率超过27.5%后,其随干密度的增加有减小趋势;当含水率在24.5%（液限）左右时,基本没有规律可循。干密度对粉质黏土热扩散系数影响规律不明显。黏土的导热系数和比热容都随含水率和干密度的增加而增大;热扩散系数随含水率的升高整体表现为非线性增加至稳定,在低含水率下干密度的影响不明显,在较高含水率下随干密度的增加热扩散系数先增大后减小。较大颗粒的存在导致粉质黏土的导热性较黏土复杂。     

土体电阻率与导热系数的相关性实验研究

将南京下蜀土与中砂以不同比例混合,配制了四种土样,利用室内四极法分别测试了每种土样在不同含水率条件下 的电阻率,发现随含水率和黏土颗粒含量的增加,土体电阻率减小;同时,采用DRE导热系数测试仪测试了每个试样的导 热系数,发现随含水率和砂含量的增高,导热系数增大。已有研究表明,土的电阻率与导热系数均与土体饱和度及孔隙率 等物理性质有关。通过将土的电阻率与导热系数进行拟合,发现两者符合指数关系,并建立了表征电阻率与导热系数相关 性的数学模型。该文研究结果为利用现场实测的电阻率指标间接求取土体的导热系数提供了依据。     

水泥砂浆固化土三轴试验研究

为研究水泥砂浆固化土剪切强度特性和合理确定水泥砂浆固化土工程应用的配比,从掺砂量、水泥掺入比、原料土含水率及砂料粒径入手,对水泥砂浆固化土进行了室内固结不排水三轴（CU）试验研究。结果表明,掺砂可以改善固化土强度;随掺砂量的增加,黏聚力和有效黏聚力先增加后减小,转折点的掺砂量为最佳掺砂量（10%左右）,内摩擦角和有效内摩擦角不断增加,一定掺砂量下增加水泥掺入比可有效地提高固化土的强度;随着含水率的增加,固化土的黏聚力呈近似线性减小的关系,而内摩擦角几乎保持不变,采用水泥砂浆处理高含水率软弱地基时适当提高掺砂量,可以较大幅度改善固化土的力学性质;在掺料配比一定的情况下砂料粒径对固化土的抗剪强度指标存在一定的影响。采用单一粒径砂料的固化土抗剪强度更高,该单一粒径在固化土级配良好的前提下,不均匀系数Cu趋于最大、曲率系数Cc趋于最小     

地热井固井材料导热性能影响因素

固井材料导热性能是影响地热井取热效果的因素之一。为提升地热井固井材料导热系数，采用正交试验，借助层次分析-指标重复性相关（AHP-CRITIC）混合加权法和极差分析，进行固井材料导热性能研究。结果表明:添加天然鳞片石墨、铁粉和石英砂均可提高固井材料导热系数，其中石墨对导热系数的提升作用最为显著，铁粉次之，石英砂最小；石墨掺量和水固比分别是影响固井材料综合性能的主次要因素；随着石墨掺量递增，其导热系数递增、48 h抗压强度和流动度均递减；得出高导热固井材料的优选配合比为:水固比值0.44，石墨、铁粉和石英砂掺量分别占水泥质量的7.5%、3%、2%，其导热系数可达1.87 W/（m·K），较常规固井材料提高约70%。研究成果可为地热能高效开发利用提供参考。      

基于微观结构的青藏高原风积沙导热系数变化机理研究

风积沙作为青藏高原一种重要的局地因素, 改变了多年冻土的赋存条件. 风积沙的导热系数特征对预报分析其对冻土赋存有利或者不利具有重要作用. 采用非稳态法对青藏高原红梁河风积沙进行了导热系数测试, 并结合电镜扫描/能谱分析, 从微观结构的角度探讨了风积沙的导热系数变化机理. 结果表明: 研究区风积沙平均粒度为242.427 μm; 标准偏差值为0.125, 分选极好; 偏度为0.359, 接近对称; 峰度值为1.086, 峰态中等; 颗粒粒径主要分布在75～500 μm之间, 沙粒均匀, 不含黏土及砾石成分, 自然堆积状态下其孔隙率为0.391. 天然状态下的风积沙颗粒呈类球形, 颗粒磨圆度高, 点与点接触, 颗粒间孔隙较大; 表面有明显撞击坑和擦痕, 这导致颗粒的比表面积增大, 连通性增强, 孔隙率增加. 干燥状态下风积沙颗粒的相互接触面积较小, 孔隙由空气填充, 导热系数较低; 而在湿润状态下, 正温时孔隙中的水间接增大了风积沙的接触面积, 导致其导热系数增大; 负温时, 孔隙内的水变成冰, 从而导致导热系数进一步增大. 天然状态下, 暖季地表风积沙含水量较低, 导热系数较低, 而冷季地表风积沙含水量较大, 导热系数较大. 此外, 风积沙为颗粒物质, 表面光滑, 颗粒之间粘性小, 孔隙未被填堵, 结构松散, 这些因素导致自然堆积状态下其渗透系数较一般细砂大, 透水性良好, 保水性差, 是防冻胀较好的换填材料.     

珊瑚砂热物理参数测试与预测模型对比分析

在我国“海洋强国”建设下,南海岛礁建设顺利推进,以浅层礁坪为介质的地源热泵技术、能量桩等,实质是与礁砂介质能量交换的过程,需进一步掌握珊瑚砂导热性能的演变规律。以南海岛礁珊瑚细砂为研究对象,测定并探讨在不同干密度和含水率下对3大热物理参数的影响,并选用12种砂土热物理参数模型的预测数据与实测数据进行类比分析,提出适宜预测珊瑚细砂导热性能的经验模型。结果表明,珊瑚细砂导热系数和体积比热容、热扩散系数均与干密度呈正相关关系,导热系数和体积比热容与含水率的相关系数高于干密度,而热扩散系数与含水率呈“凸”形增长关系,与干密度的相关系数远高于含水率。基于试验实测数据进行线性回归分析,修订Cote-Konrad模型与Gangadhara Rao模型,显著提高模型对珊瑚细砂导热系数预测准确性;通过De Vries模型与Xu模型的线性修正,大幅缩小珊瑚细砂体积比热容预测值与实测值的差异,在Dai模型相关系数的二元拟合分析基础上,建立表征珊瑚细砂热扩散系数预测模型,为岛礁隔热、控温工程设计以及珊瑚砂热物理特性研究提供参考。     

缓冲／回填材料——砂-膨润土混合物研究进展

砂-膨润土混合物已被很多核能国家选为核废物地质处置库中理想的缓冲/回填材料。膨润土中加入砂可提高热传导系数和强度,维持适当的膨胀力,使其工程上易于处理并节省成本;但同时会导致其阻水能力和自愈性减弱。研究表明,影响砂-膨润土混合物以上各性质的主要因素为：砂/膨润土配合比、初始含水量、干密度等,它们综合决定着砂/膨润土最优配合比的选取。石英砂对混合物的渗透性、热传导性、强度等的影响,最优配合比选取,以及非饱和状态下吸力变化对混合物渗透性的影响等,应该是今后一段时间内砂-膨润土混合物研究的重点。     

人工胶结砂物理力学特性试验研究

采用二次掺水法制备氧化钙胶结砂样,为加速碳酸化将试样放置在充满干冰的养护箱中养护,养护完成后对不同氧化钙掺入比的试样进行固结排水三轴试验和碳酸钙定量化学试验,分析了氧化钙掺入量对胶结砂物理力学特性的影响,定义了反映胶结物生成量的化学指标 ,利用 修正了摩尔-库仑强度理论。结果表明：二次掺水法可有效控制人工胶结砂的初始含水率,CaCO3胶结物的形成对试样物理力学特性有极大影响。在不同围压下,试样均表现出应力软化。随氧化钙掺入比的增加,试样应力软化现象逐渐增强,并且黏聚力及内摩擦角增量逐渐增大。胶结砂具有压硬性,围压、氧化钙的掺入比对试样剪胀有抑制作用。随着 的增加,试样黏聚力、摩擦角增量均有明显提高,通过试验数据得到了 与试样黏聚力、内摩擦角增量之间的函数关系,进而对摩尔-库仑强度理论进行了修正,修正后的公式能够反映胶结物的形成对胶结砂强度的影响。