1、第 45 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.45 No.4Aug.2023土 木 与 环 境 工 程 学 报（中 英 文）Journal of Civil and Environmental Engineering不同水泥掺量胶结钙质砂的导热性能及微观结构分析曾莎莎1,莫红艳1,谷建晓1,2,曾召田1,付慧丽1,梁珍1（1.桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004；2.温州理工学院 建筑与能源工程学院，浙江 温州 325027）摘要：钙质砂的导热性能影响周围土体的传热过程，引起不同环境温度下钙质砂的工程力学性能变化及灾害效应。基于热针法分析 5 种不同水泥掺量
2、（Ps=5%、7.5%、10%、12.5%、15%）胶结钙质砂的导热系数变化规律，利用 SEM、MIP、NMR 技术综合揭示该过程中胶结钙质砂微观孔隙结构变化的本质特征，在此基础上阐释热特性演化的微观机理。试验结果表明：胶结钙质砂的导热系数 随水泥掺量 Ps的增大而递增，Ps小于 10%时，呈线性递增，Ps大于 10%时，增长缓慢；随着水泥掺量 Ps的增大，胶结钙质砂中孔隙数量越来越少，孔隙占比下降明显，但 Ps增大到 10%后，总孔隙面积、孔隙数量、孔隙率等微孔隙结构参数变化减缓；不同水泥掺量胶结钙质砂的导热系数与其微观孔隙结构变化呈负相关关系，本质原因在于凝胶状的水泥水化产物连续填充了胶结
3、钙质砂孔隙，降低了其孔隙率，改善了砂样内部传热，宏观表现为其导热系数 随水泥掺量 Ps的增大而增大。关键词：胶结钙质砂；导热系数；水泥掺量；孔隙结构；微观机理中图分类号：TU411.92 文献标志码：A 文章编号：2096-6717（2023）04-0065-09Thermal conductivity and microstructure analysis ofcemented calcareous sand with different cement contentsZENG Shasha1，MO Hongyan1，GU Jianxiao1,2，ZENG Zhaotian1，FU Huil
4、i1，LIANG Zhen1(1.Guangxi Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering,Guilin University of Technology,Guilin 541004,Guangxi,P.R.China；2.College of Architecture and Energy Engineering,Wenzhou University of Technology,Wenzhou 325027,Zhejiang,P.R.China)Abstract:The thermal conductivity of c
5、alcareous sand affects the heat transfer process of the surrounding soil and causes the change of engineering mechanical properties and disaster effects of calcareous sand at different DOI：10.11835/j.issn.2096-6717.2021.112收稿日期：20210413基金项目：国家自然科学基金(41962014)；广西自然科学基金(2018GXNSFAA138182、2018GXNSFDA28
6、1038)作者简介：曾莎莎（1982-），女，主要从事海洋地质工程研究，E-mail：。曾召田（通信作者），男，博士，教授，E-mail：。Received:20210413Foundation items:National Natural Science Foundation of China(No.41962014);Natural Science Foundation of Guangxi(No.2018GXNSFAA138182,2018GXNSFDA281038)Author brief:ZENG Shasha(1982-),main research interest:marine
7、 engineering geology,E-mail:.ZENG Zhaotian（corresponding author）,PhD,professor,E-mail:.开放科学（资源服务）标识码OSID:第 45 卷土 木 与 环 境 工 程 学 报（中 英 文）ambient temperatures.The variation law of thermal conductivity of cemented calcareous sand with five different cement contents(Ps=5%,7.5%,10%,12.5%,15%)was analyzed
8、based on hot needle method.SEM,MIP and NMR were used to comprehensively reveal the essential characteristics of micro-pore structure changes of cemented calcareous sand during the process above.On this basis,the microcosmic mechanism of the evolution of the thermal characteristics above was explaine
9、d.The results show that the thermal conductivity()of cemented calcareous sand increases with the increase of cement content(Ps).When Ps is less than 10%,increases linearly,and when Ps is more than 10%,increases slowly.With the increase of cement content(Ps),the number of pores in the cemented calcar
10、eous sand becomes less,and the proportion of pores decreases obviously.However,when Ps increases up to 10%,the change of micro-pore structure parameters such as total pore area,pore number and porosity stabilizes.The thermal conductivity()of cemented calcareous sand with different cement contents is
11、 negatively correlated with the changes of their microscopic pore structure.The reason lies in that the gel-like cement hydration products continuously fill the pores of cemented calcareous sand,reducing its porosity and improving the heat transfer inside the sand sample.The macroscopic performance
12、is that its thermal conductivity()increases with the increase of cement content(Ps).Keywords:cemented calcareous sand；thermal conductivity；cement content；pore structure；micro-mechanism中国南海海域广泛分布着具有多孔隙、颗粒易破碎、易胶结等特征的钙质砂1。近年来，学者们围绕钙质砂的工程地质特征2-3、颗粒破碎性4-6和物理力学性能7-12等方面展开研究，取得了丰硕成果，但对于钙质砂导热性能方面的研究却鲜见报道。在中
13、国南海岛礁如火如荼的建设过程中，海底油气管线、供气供热管道、埋地输电线缆、地铁公路隧道、热活性路堤、高放废物处置、能源桩等工程都需要掌握不同环境温度下钙质砂工程力学性能的变化规律及其引起的灾害效应13-14。在上述工程实践中，钙质砂导热性能影响着周围土体的传热过程，是分析地层中能量平衡、热湿迁移规律和土壤温度分布特征等的一个关键因素，在各项工程设计和施工中必须加以考虑。由于钙质砂含有丰富的内孔隙，颗粒破碎时，内孔隙释放转化为外孔隙，促使钙质砂微孔隙结构发生显著变化15-16。随着外部环境的变化，空气、水、胶凝物在钙质砂孔隙中进行不同程度的释放、填充，三者的导热参数明显不同，最终引起钙质砂的热传
14、导性能也发生显著改变。因此，钙质砂微观孔隙结构是引起其热传导特性演变的本质原因。朱长歧等17、蒋明镜等18、曹培等19、崔翔等20分别利用扫描电镜（SEM）、压汞试验（MIP）、CT 扫描等技术研究了钙质砂的微孔隙分布规律。SEM 和 CT扫描仅能定性地揭示颗粒形貌变化，MIP 虽能定量划分出内、外孔隙含量，但由于钙质砂颗粒的易破碎性，MIP 的进汞压力必然影响其孔隙结构变化，因此，迫切需要一种精确的无损检测技术对钙质砂的微观孔隙结构进行定量分析。核磁共振（NMR）技术利用水中氢核（质子）的弛豫特性差异，获得土体水中质子产生的核磁共振信号；通过预先定标、参数反演，能够提供土体含水量、孔隙分布、
15、渗透率等有关信息21-22。但是，综合利用上述微观技术揭示钙质砂的微观结构特征及导热性能演化机理的研究却鲜见报道。笔者基于热针法探讨不同水泥掺量胶结钙质砂的导热性能变化规律，利用 SEM、MIP 和 NMR等微观技术综合揭示其微观孔隙结构变化的本质特征，在此基础上阐释不同水泥掺量胶结钙质砂导热性能演变的微观机理。1试验材料和方法1.1试验材料试验所用钙质砂取自南海某岛屿，呈米白色，颗粒粒径一般均大于 0.075 mm。通过室内土工试验测得钙质砂试样的基本物理性质指标，见表 1。颗粒级配曲线如图 1所示。胶结材料为 425 普通硅酸盐水泥粉末，其熟料的化学成分见表 2。1.2试验方法1.2.1热
16、特性试验原理及测试设备胶结钙质砂的热特性测试采用美国Decagon公司生产的KD2 Pro土壤热特性分析仪，基于线热源理论，可归结于在无限大介质中有一恒定线热源的径向一维稳态导热的求解问题23。试验选用 SH-1 双针传感器，由 2根平行的不锈钢针构成，间距为6 mm，其中一根针体内含线性加热源，另一根针体内含温度测量元件热电偶。测量时加热探针产生热脉冲，主机监控器将采集到热电偶对热脉冲产生的温度响应，测试过程如图 2所示。采用非线性最小二乘法对测试结果进行优化拟合，得出导热系数。1.2.2SEM 试验原理及测试设备SEM 试验是利用聚焦电子在试样表面逐点扫描成像，二次电子信号被探测器吸收并转换，得到反映试样表面形貌的二次电子像。试验采用英国牛津公司生产的 S-4800 型场发射扫描电子显微镜，放大倍数范围为 258105倍。SEM 图像处理采用颗粒（孔隙）及裂隙图像识别与分析系统（PCAS），该软件能自动识别电镜扫描图像中的各类孔隙和裂隙，并快速有效地获得测试样品的几何统计参数。1.2.3MIP 试验原理及测试设备MIP 试验测定岩土材料孔隙分布的依据是非浸润性液体（水银）在没有压力