由石蠟基相變材料和煤渣改良的粉砂土的凍融性能

唐少容,杜 鵬,李昊天,殷 磊

(寧夏大學 a.土木與水利工程學院,b.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心,c.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心,寧夏 銀川 750021)

凍融循環作用可改變土體內部的微觀結構,削弱土體的強度,影響土體上部結構的穩定性[1]。大多數的土體改良方法是利用改良劑的化學性質生成新物質,通過增強顆粒間的膠結力提高土體的強度和抗凍融能力[2];但是土體凍脹現象主要源于土中熱量的分布不平衡以及水汽的遷移[3-4],這些改良方法并不能應對土中溫度場的劇烈變化,因此應探索以調控土體溫度場為目標的土體改良方法。

相變材料(phase change material,PCM)是一種新型控溫材料,利用固-液相轉化過程中產生的潛熱調控土體內部的溫度場,從而減小凍脹、融縮程度,提高土體抗凍融能力[5-7]。孫斌祥等[8]將不同摻量的微膠囊PCM加入路基粗顆粒土中,發現微膠囊PCM能延緩粗粒土的溫度變化,降低粗粒土最大凍結深度值,并能減弱粗粒土的水分遷移能力,緩解土體凍脹;鄭永杰等[9]對比研究了固-液PCM和微膠囊PCM對黃土的最大干密度、最優含水率等物理性質的影響;黃英豪等[10]認為微膠囊PCM改良膨脹土在抵抗反復凍融循環問題上具有明顯的優勢。Kravchenko等[11-12]比較了幾種不同的PCM在土中的儲熱作用,并研究了微膠囊PCM對土壤的解凍作用。Masrur等[13]分別在未處理及C級粉煤灰處理的土中加入不同含量的石蠟基PCM和微膠囊PCM,發現PCM的加入能顯著縮短凍融期,降低凍脹率。以上研究表明,PCM能夠控制土體溫度變化,并改善土體的抗凍融性能。

針對季節凍土區農田輸水渠道的襯砌結構因凍融作用而頻繁受損的現狀,同時為了解決石蠟基PCM的泄露問題,并滿足當地火力發電廠煤渣的再利用需求,本文中在渠道土體中加入石蠟基PCM和煤渣作為改良劑,分別制備石蠟基PCM改良土和石蠟基PCM-煤渣改良土,并通過凍融循環試驗,對2種改良土的體積變化、力學性質、熱穩定性以及微觀結構進行對比研究,揭示石蠟基PCM和煤渣用于調控季節凍土區土體溫度場的機制。

1 材料與方法

1.1 材料

土體取自寧夏回族自治區西干渠的銀川段渠道,取樣深度約為1.0 m,呈黃褐色。土體的基本物理性質如表1所示。

表1 土體的基本物理性質

采用BT-2003型激光粒度分布儀(丹東百特儀器有限公司)對土體進行分析,土體粒徑分布曲線如圖1所示。由圖可見,土中粒徑<2 μm的黏粒的體積分數為14.68%,粒徑≥2～50 μm的粉粒的體積分數為51.81%,粒徑>50 μm的砂粒的體積分數為33.51%,根據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[14]確定該渠道土體為粉砂土,土體的凍脹性可以劃分為不凍脹、弱凍脹、凍脹、強凍脹、特強凍脹5個級別,本文中所用的粉砂土屬于凍脹性土。

圖1 粉砂土的粒徑分布曲線

考慮到當地渠道的平均氣溫,選取的石蠟基PCM(湖北賽默新能源科技有限公司)的相變溫度為4.5～5.5 ℃,十四酸丙三酯、十八酸丙三酯、十六酸丙三酯的質量分數分別為80%、10%、10%,相對分子質量分別為723、807、891,熱流率為1.58 W/g,在室溫下呈液態,無色無味,低于相變溫度時為乳白色固體。石蠟基PCM的實物圖如圖2所示。

圖2 石蠟基PCM的實物圖

煤渣由銀川市西夏區熱電廠提供,粒徑≤2 mm。煤渣的主要化學成分如表2所示。由表可知,煤渣的主要化學成分為堿性氧化物,因為改良土上部還有一定厚度的用于隔離土與渠水的混凝土襯砌板,所以忽略煤渣對土壤微生物的影響。

表2 煤渣的主要化學成分

1.2 試樣制備

制備2種改良土試樣,分別為在粉砂土中僅加入石蠟基PCM的PCM改良土、加入石蠟基PCM和煤渣的PCM-煤渣改良土,試樣的組分如表3所示。由表3可知,粉砂土的試樣編號為S0;石蠟基PCM改良土中,石蠟基PCM的質量分數為5%、8%、10%,試樣編號分別為P5S、P8S、P10S;石蠟基PCM-煤渣改良土中,為滿足石蠟基PCM吸附率,保證土體強度,煤渣摻量不能過多[15],故煤渣質量分數均定為10%,石蠟基PCM的質量分數為5%、8%、10%,試樣編號分別為P5CS、P8CS、P10CS。

表3 試樣的組分

在試樣制備過程中,按照比例向粉砂土中分別添加石蠟基PCM和煤渣后,攪拌混合均勻并噴灑一定量的水,控制試樣含水率為13%～14%;攪拌均勻后裝入密封袋,悶料時間為24 h;圓柱形試樣高度為80 mm,直徑為39.1 mm,采用分層擊實法分5層制樣,壓實度均為95%;將制備好的試樣用保鮮膜包裹分組編號,然后放入養護皿中待用,確保試樣不與外界接觸,避免水分散失。每組試驗均制備3個平行試樣。

1.3 凍融循環試驗

試樣養護完成后放入低溫試驗箱內,凍融循環試驗的參數設置如表4所示。因為土的物理力學特性在7次左右凍融循環后即趨于穩定[16],故本試驗的最大循環次數設為9次。

表4 凍融循環試驗的參數設置

1.3.1 試樣體積測試

用游標卡尺測量凍融前、后圓柱形試樣的直徑和高度?？紤]到試樣變形具有不均勻性,在高度分別為14、28、42、56、70 mm處測量試樣直徑,測量上、下表面圓心連線的高度各3次,取測量平均值作為試樣的直徑和高度。

1.3.2 無側限抗壓強度測試

采用YYW-2型應變控制式無側限壓力儀(河北滄州中科北工試驗儀器有限公司)分別對經過0、1、3、7、9次凍融循環的試樣進行無側限抗壓強度試驗,剪切速率為1 mm/min。

1.3.3 相變溫度及潛熱測定

采用QL-2000差示掃描量熱儀(美國TA儀器公司)測試改良土試樣的相變溫度和潛熱。從室溫降至-20 ℃并保持2 min,再將溫度升高至20 ℃并保持2 min,再冷卻到-20 ℃,冷卻和加熱速率均設置為5 ℃/min。

1.3.4 SEM電鏡掃描

采用JSM-7800F型電鏡掃描儀(日本電子捷歐路科貿有限公司)對經歷不同凍融循環次數的試樣進行電鏡掃描,以觀察試樣在凍融循環前后的微觀結構變化。

2 結果與分析

2.1 體積變化率

試樣在凍融過程中的膨脹或收縮是衡量土體凍融特性的指標之一。凍結和融化次數對試樣體積變化率的影響如圖3所示。由圖3(a)可見,粉砂土試樣S0在凍融過程中的最大體積變化率達到5.2%;P5S、P8S、P10S的體積變化率均小于S0的,說明石蠟基PCM可明顯抑制土體凍融變形;石蠟基PCM的質量分數為5%、8%、10%時試樣的體積變化率總體上依次減小,表明增大石蠟基PCM含量有利于抑制土體變形;經歷4次凍融循環后,P10S的體積變化率逐漸大于P5S和P8S的,這是因為土體間顆粒裂縫發育導致石蠟基PCM大量泄露引起的;9次凍融循環后,P8S的體積變化率僅為2.3%,說明石蠟基PCM的質量分數為8%時,PCM-改良土的體積變化率最小。由圖3(b)可見,石蠟基PCM-煤渣試樣體積變化率隨石蠟基PCM含量的增大而減小,體積率變化得到有效抑制,體積變化特征也更加穩定,這是因為石蠟基PCM吸附在煤渣的小孔隙中,泄露量減少,自身相變特性得到充分發揮,顯著減小了土體凍融變形,同時,煤渣中的大孔隙可以容納土中水凍結成冰時發生的體積膨脹,減輕凍脹對土體結構的不利影響;多次凍融循環后,P10CS的體積變化率逐漸增大,表明煤渣對石蠟基PCM的吸附作用隨著凍融次數的增加而逐漸失效,因此,9次凍融循環后,P8CS的體積變化率最小,說明石蠟基PCM的質量分數為8%時,石蠟基PCM-煤渣試樣的膨脹或收縮體積最小。

(a)石蠟基PCM改良土

2.2 無側限抗壓強度

凍融循環次數對試樣的無側限抗壓強度的影響如圖4所示。由圖可知,未經凍融循環時,S0、P5S、P8S、P10S試樣的無側限抗壓強度分別為178.8、190.3、210.2、199.8 kPa,P5CS、P8CS、P10CS試樣的無側限抗壓強度分別為202.3、242.8、224 kPa; 隨著凍融循環次數增加,所有試樣的無側限抗壓強度均降低,降低速率先大后小。這是因為:土體內部裂縫發育加劇,融溶水進入土體使土體強度減小,因此第1次凍融循環后試樣強度的下降幅度最大,S0無側限抗壓強度下降了約40%;9次凍融循環后,P10S試樣的無側限抗壓強度最小,表明石蠟基PCM的泄露是導致土體強度下降的重要原因。P5CS、P8CS、P10CS的無側限抗壓強度分別大于循環次數相同時P5S、P8S和P10S的,這是由于煤渣中含有活性氧化硅和氧化鋁遇水后游離出高價陽離子,與土礦物成分中的低價陽離子發生離子交換作用,減薄土粒吸附水膜的厚度,增強土粒凝聚力,無側限抗壓強度隨之增大[17]。

圖4 凍融循環次數對試樣的無側限抗壓強度的影響

2.3 差熱分析

石蠟基PCM質量分數為8%時,2種改良土的熱流率隨溫度的變化規律如圖5所示。由圖可見,P8S吸熱階段的熱流率為1.48 W/g,峰值溫度為1.75 ℃,放熱時的熱流率為1.59 W/g,峰值溫度為4.89 ℃;P8CS吸熱時的熱流率為1.18 W/g,峰值溫度為1.57 ℃,放熱時的熱流率為1.25 W/g,峰值溫度為4.39 ℃。2種改良土在溫度作用下的潛熱大約為冰水相變潛熱的33%～50%,潛熱的吸收或釋放能在一定程度上緩解溫度升降對土體溫度場的影響,延緩土體凍結或融化過程,這是PCM改善渠道土體凍融性能的基礎。由于煤渣的多孔特性和膠結作用,使P8S的吸、放相變潛熱量均大于P8CS的,P8S的DSC曲線中有過冷現象,相變峰比較窄,P8CS的過冷現象減緩,相變峰更寬,表明在試驗溫度區間內,煤渣和石蠟基PCM的摻入延遲了冰透鏡的形成,對于改善輸水渠道土體內部溫度場,提升土體熱穩定性來說具有積極作用。此外,無論是凍結還是融化時期,P8CS的溫度區間都比P8S略有滯后,表明P8CS對溫度變化不敏感,抗凍融性能穩定,比較適合在實際工程中應用。

(a)P8S

2.4 SEM圖像

凍融循環次數為0、1、9時S0、P8S和P8CS試樣SEM圖像(放大倍數為100)如圖6所示。由圖可見,在初始狀態下(未凍融循環),3種試樣的整體性均較好,P8S試樣受液態石蠟基PCM的影響,土顆粒略分散,P8CS的連續性比其他2種試樣更顯著,在宏觀上表現為試樣的強度逐漸增大。凍融循環次數為1時,S0土顆粒膨脹,孔隙發育,由石蠟基PCM的膠凝作用[10]使2種改良土試樣的土顆粒相互連結,而且煤渣對石蠟基PCM的吸附作用使P8CS的結構更加密實。凍融循環次數為9時,S0試樣的土體內部孔隙變大,形成明顯的貫通裂隙,P8S試樣中的裂隙遠大于凍融循環次數為1次時的,原因在于凍融循環中石蠟基PCM的泄露使土顆粒間的膠結物質大幅減少,雖然P8CS試樣內部出現裂隙,但土顆粒膨脹不明顯,并出現大、小顆粒分離的現象,顆粒間的膠結物減少,石蠟基PCM形成的連結效應變弱。

(a)S0,未凍融循環

凍融循環次數為9時3種試樣SEM圖像(放大倍數為2 000)如圖7所示。由圖可見:與S0相比,P8S中的部分石蠟基PCM呈球狀并且“懸浮”于土體之外,宏觀表現為凍融循環9次后P8S的強度急劇降低;P8CS試樣沒有明顯的石蠟基PCM“懸浮”現象,這是因為石蠟基PCM被煤渣吸附,泄露減少,仍可以保留在土體中,土體之間的孔隙被石蠟基PCM形成的膠結物質連結,形成具有蜂窩狀的混合結構。又由于煤渣中含有活性的氧化硅和氧化鋁,因此在P8CS中形成顆粒及礦物的聚合體,進一步提高了P8CS結構的穩定性。多次反復凍融作用在土體形成了許多微細孔隙,使得P8CS中的孔隙通道變得曲折狹小、連通性降低,對流體的流通形成阻礙,在一定程度上抑制了土體的脹縮。

(a)S0

3 結論

在輸水渠道粉砂土中加入石蠟基PCM和煤渣,分別制備石蠟基PCM改良土和石蠟基PCM-煤渣改良土,并通過凍融循環試驗,對2種改良土的體積變化、力學性能、熱穩定性以及微觀結構進行對比研究,得到的結論如下:

1)石蠟基PCM可提高土體的抗凍融性能,但隨著凍融循環次數的增大,石蠟基PCM改良土的體積變化缺乏穩定性,石蠟基PCM的質量分數為8%時,石蠟基PCM改良土的體積變化率最小;煤渣能減少石蠟基PCM的泄露,使土體凍融變形更加穩定;石蠟基PCM-煤渣改良土的體積變化率隨石蠟基PCM含量的增大而減小,但煤渣對石蠟基PCM的吸附作用隨著凍融次數的增加而逐漸減弱;凍融循環次數為9、石蠟基PCM的質量分數為8%、煤渣質量分數為10%時的石蠟基PCM-煤渣改良土體積變化率最小,抗凍融性能最佳。

2)隨著凍融循環次數增加,所有試樣的無側限抗壓強度均降低,降低速率先大后小。凍融循環9次后,石蠟基PCM質量分數為10%的石蠟基PCM改良土的無側限抗壓強度最低。煤渣可減緩土體強度的下降程度,添加質量分數為10%的煤渣后,在凍融循環次數和石蠟基PCM質量分數相同的條件下,石蠟基PCM-煤渣改良土的無側限抗壓強度均大于石蠟基PCM改良土的。

3)石蠟基PCM質量分數為8%時,石蠟基PCM改良土和石蠟基PCM-煤渣改良土在溫度作用下的潛熱大約為冰水相變潛熱的33%～50%,潛熱的吸收或釋放能在一定程度上緩解溫度升降對土體的影響,延緩土體凍結或融化過程。石蠟基PCM質量分數為8%時,石蠟基PCM改良土的吸、放相變潛熱量均大于石蠟基PCM-煤渣改良土的。

4) 隨著凍融循環次數的增加,粉砂土的整體性逐漸變弱,顆粒膨脹,孔隙發育,逐漸形成貫通裂隙。由石蠟基PCM形成的膠結物質使2種改良土試樣的土顆粒相互連結,而且煤渣對石蠟基PCM的吸附作用減少了石蠟基PCM的泄露,使改良土的結構更加密實,控制溫度場的效果更穩定。

將石蠟基PCM和煤渣共同摻入粉砂土,不但能改善輸水渠道土體內部的溫度場,提升土體的熱穩定性,減輕對季節凍土區渠道襯砌結構的凍害,而且還提高了煤渣的利用率。

利益沖突聲明(Conflict of Interests)

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(Author’s Contributions)

唐少容和杜鵬進行了方案設計,李昊天和殷磊參與了論文的寫作和修改。所有作者均閱讀并同意了最終稿件的提交。

The study was designed by TANG Shaorong and DU Peng.The manuscript was written and revised by LI Haotian and YIN Lei.Both authors have read the last version of paper and consented for submission.