冻融试验方法

　　【摘要】冻融作用是冻土力学和工程首先关注的问题，冻融试验研究土体在冻融过程中水分、溶质迁移，温度分布等现象，以及在冻融前后土体物理力学性质的变化。

　　本文在阅读大量文献资料的基础上，对冻融试验的仪器和试验条件的合理选择上进行了总结和分析。

　　【关键词】综述;冻融循环;试验;方法

　　1 前言

　　冻土是广泛分布于地球表面的一种低温地质体。

　　受气温年周期波动的影响，干寒区地表的土层会产生反复的冻结和融化。

　　冻胀和热融不仅会导致一系列危害国计民生的地质灾害：冻害、盐害和沙害，而且会给各类工程带来严重的危害[1]。

　　冻融试验研究土体在冻融过程中水分、溶质迁移，分凝冰的形成，温度分布等规律，以及在冻融前后土体密度、孔隙率、渗透性、界限含水量等物理指标和强度、模量等力学参数的变化。

　　为了获取土体的这些变化规律，必须对土样进行合理的室内外试验。

　　不同的实验室有不同的试验体系，各个国家甚至行业又有各自的规范，如何在合理经济的前提下使其试验结果可比，更切合实际是我们亟待解决的问题，也是冻土工程界面临的重要课题。

　　本文将通过对试验方法的总结和分析，给出合理的试验方法的建议，以保证试验资料的可比性、重复性和准确性，并将室内试验结果可靠的运用于工程设计中。

　　2 冻融试验

　　冻融试验一般是在室内进行。

　　试验方法根据试验目的不同而各异，试验仪器和条件的设定一般根据实际需要确定。

　　2.1试验仪器

　　冻融试验的仪器主要分为三类。

　　2.1.1传统试验机

　　试验一般采用圆柱状土样。

　　土样被放置于带有温度探测装置的有机玻璃桶内，并置于试验箱内。

　　土样上下端都与控温设备相连的压板接触，用于对试样进行冻融。

　　此外，端部还可以施加压力，同时控制试验的补水或排水条件。

　　设置在试验箱内，土样周围的探头，可以测量温度、轴向变形、孔隙水压力等，通过连接数据采集设备收集数据。

　　传统的冻融试验装置如图1所示。

　　这类试验机有的还能进行固结法制样，然后直接用于冻融试验。

　　传统试验机注重研究土体的冻胀融沉过程，实时测量土体温度、变形、孔隙水压力等参数。

　　图1冻融试验装置

　　2.1.2恒温箱

　　用恒温箱作为冻融的装置。

　　设置好温度后将试样直接放入箱内进行冻融循环，试验结束后取出进行相应的力学试验。

　　这类装置类似“冰箱”，功能比较单一，多数不能进行补排水控制。

　　恒温箱通常只能进行封闭系统的冻融试验，不注重冻融过程，只是在宏观上研究冻融作用对土力学性质的影响。

　　2.1.3综合类试验机

　　这类仪器在传统试验机的基础上改进而来，将冻融试验与材料试验机结合，在冻融循环后直接进行力学试验。

　　这类试验兼具物理和力学两种性质的试验，不仅研究冻融过程的微观变化而且重视冻融试验后的力学特性。

　　在试验条件的控制上也更复杂：补水排水条件，应力施加的方式及大小等。

　　这使得研究更精确，能更真实反映土样的受力过程和状态。

　　2.2试验条件

　　尽管研究者使用的冻融试验仪器不同，但导致土的冻融效应差异的还与试验条件有很大的关系。

　　按照冻融进行的方向，有一维冻融和三维冻融;按温度梯度，有快速冻结和慢速冻结;按照冷源施加的方式，有恒温冻融和变温冻融;按加压方式，有加压冻融和自由冻融;按水分的补排来源，有封闭冻融和开放冻融。

　　Alhmetshin等[2]对封闭和开放系统进行了详细的分类和阐述。

　　对于封闭系统而言，只存在热交换;而对于开放系统来说，则同时存在热、质交换;当只有一个边界上存在质交换时，可称为半开放系统，该系统的状态是随着时间发生变化的，而且系统边界的位置也是随着时间变化的。

　　就室内冻融试验来说，开放系统要有外部水源补给;封闭系统没有与外部水分的交换只在局部进行重分布。

　　此外还要考虑土体的渗透性，渗透系数小的土体若进行开放系统的冻融试验时，其效果相当于封闭系统，同样利用冻结速率也能控制排水情况[3]。

　　只有合理选择冻融方式才能真实反映土体的实际冻融过程，试验条件的确定按下述情况而定：(1)工程需求：最大程度的模拟或还原场地的真实情况。

　　一般来说，季节性冻土区冻土层的冻融过程可以描述为敞开系统下的单向冻结和双向融化，而多年冻土区则为开放系统下的双向冻结和单向融化。

　　(2)试验需求：人为设定，研究在某些特定条件下的冻融效应。

　　具体来说，冻融温度或是根据实测地温资料设定或是人为设定模拟特定条件。

　　循环周期一般都要保证冻融能够彻底进行，即土体不再发生体积的变化。

　　冻融周期可以类比前人的研究，但需注意土性、试样大小以及控制条件上的差异。

　　温度梯度、施压以及补排水等条件也应符合上述两原则。

　　此外，室内模型试验也是研究冻融作用的有效方法。

　　模型试验通常根据相似原则进行设计，模拟野外状况从而验证设计和计算结果。

　　Z.X.Zhang等对运河堤坝的冻胀融沉现象进行模拟，分层将土填成路基，并将位移计、应力盒、温度探头等预埋在土体中，监测数据[4]。

　　但这种方法较费时且不经济。

　　冻融试验要选择合理的冻融方式：仪器的选择在一定程度上控制了试验条件的，如单向冻融还是多向冻融;温度梯度、补水方式、压力情况、试验周期都要根据工程实际情况或者研究需要选择。

　　3 结论

　　冻融作用对土的工程性质影响一方面与土质以及土的初始状态的有关，另一方面也跟冻融试验仪器和条件有关。

　　尽管各个国家或行业都有各自的规范，但差异不会太大。

　　因此在试验时尽可能遵照规范要求进行操作和分析。

　　要根据不同的实验目的选择冻融试验仪器以及试验条件。

　　总之，由于土的类型，以及影响因素的多样性，目前对冻融循环对土的工程性质的系统研究还远不完善，应当充分利用常规土力学的方法，针对冻土冻融特性，建立能够反映冻融作用试验方法体系，望与广大寒区工程工作者共同探讨。

　　参看文献：

　　[1] 徐学祖，王家澄. 冻土物理学[M]. 北京：科学出版社， 2001

　　[2] Akhmetshin A A， Grigoryev V A， and Yakupov V S. Open and closed systems of freezing and thawing rocks[C].Recent Development of Research on Permafrost Engineering and Cold Region Environment. Lanzhou： Lanzhou University Press， 2009：562-565

　　[3] Alkire B D. Effect of variable-drainage freeze-thaw tests on post-thaw shear strength[J]. Transportation Research Record 1981， 809：13�C18.

　　[4] Z. X. Zhang， R.L. Kushwaha. Modeling soil freeze-thaw and ice effect on canal bank[J]. Canadian Geotechnical Journal， 1998， 35：655-665

　　水煤浆试验方法

　　[摘要]水煤浆作为带动经济效益和社会效益的工业产品，在工业市场上获得很好的口碑。目前广泛的应用于国家发展的技术和产业链中。煤作为主体，具有油一样的液体流动性和良好的稳定性。不仅给工业生产带来便利，还促进煤产业的发展。

　　[关键词]水煤浆检测方法试验规范

　　水煤浆研究日益成为国家科研机构的重要课题。改进和发展水煤浆研究工艺有着重要的意义。随着水煤浆应用范围不断扩大，产量不断增长，水煤浆燃烧出现的参数，是衡量水煤浆质量体系的指标。水煤浆工业分析包括：水分、灰分、固定碳的计算以及挥发性的测定。

　　在水煤浆工业应用中，水分是作为指标的重要依据，对整个挥发组分而言，进行水分校正，扣除水分，固定碳的计算，在水煤浆质量体系中引入水分的概念。都是使得水煤浆可以充分燃尽的因素。经过应用生产检测过程的检测，最后，根据水煤浆的特殊性质以及灰分预测水煤浆气化和燃烧会出现的腐蚀、结渣等现象，在逐一计算它们出现的概率。

　　1水煤浆简介

　　灰分是惰性气体，灰分高，不但可以增加热能消耗，还能降低锅炉的燃烧率，给锅炉燃烧处理增加了难度。因此，根据灰分进行炉型选择是当前必须进行的工作。当水煤浆隔绝空气后加热至900e左右时，水煤浆会出现挥发。有机物和一部分矿物质分解成气体导致液体的逸出，挥发气体，可能会影响水煤浆的燃烧性。

　　2水煤浆检测方法

　　工业应用通过设定工业参数来分析工业生产需要。水煤浆主体是煤，无论在外形上还是粒度上，与传统的化学煤都有一定的差别。同时可以提供水煤浆的制备作为参考。目前，水煤浆的工业分析还没有准确的测定方法，大部分采用的是煤的检验方法。

　　2.1试样准备

　　2.1.1水煤浆试样

　　按MT/T7915对不同种的水煤浆进行采样，静置十分钟后拌匀，分别装在200ml的塑料瓶中。

　　2.1.2灰分测定

　　将水煤浆固体样品放在通风良好的马弗炉中或一定重量的水煤浆样品。并且将水温加热，使得样品在这个温度下灰化，最后烧灼到恒重，剩下的残渣数为灰分产率。

　　2.2挥发组分测定

　　称取一定量的水煤浆试样，放入带盖的瓷坩埚中，在900e的情况下，隔绝空气加热7分钟，减少的质量占总质量的百分比，并且减小水煤浆的水分含量作为水煤浆的挥发组分。

　　3试验条件的确定

　　灰分、水分、挥发组分是操作性较强的规范化试验，测定的结果决定试验所需的条件。水分测定的条件是干燥的温度、灰分的测定试验，干燥的时间，制定灰化的时间和温度，称取样品挥发的状态：加热速度、加热时间、加热温度、称取样品以及保持样品状态。

　　称取一定量的水煤浆试样，放入带盖的瓷坩埚中，在900e的情况下，隔绝空气加热7分钟，计算出减少的质量占总质量的百分比。并且减小水煤浆的水分含量。

　　4方法精密度的确定

　　4.1水分测定重复性(同一实验室允许差)的确定

　　选择不同的水煤浆，对水分重复测定20次，记录称量的数据，取得6种浆体水分测定的方差：S21=01004538，S22=01004215，S23=0101001，S24=01004088，S25=01003258，S26=01004538，均小于GB212规定的同一化验室灰分重17复测定的方差(Sr=013022=011061，S2r=0101125)。

　　4.2挥发分测定重复性(同一实验室允许差)的确定

　　选择不同的水煤浆，对挥发分重复测定12次，所选的4种样品进行12次重复测定的方差：S2A=010095，S2C=010065，S2D= 010025，S2E=010060;均小于GB212。同一化验室规定的挥发方差测定公式是(Sr=013022=01106，S2r=01011)。因此，采用GB212中规定的挥发分同一实验室允许差。

　　5灰分试验条件的确定

　　5.1试样量的确定

　　选择5 种不同品种的水煤浆分别标志为1、2、3、4、5，分别使用不同的试样量，按照规定标准进行慢灰试验，测定灰分。样品状态以及灰化条件是将这五项水煤浆进行验证，分别对水煤浆的固体和式样进行慢灰和快灰测定。

　　5.2慢灰测定试验方法

　　称取112～115g水煤浆试样或称取(1～011)g将水煤浆固体试样平铺于灰皿中，温度低于100e的马弗炉中，按照操作步骤缓慢升温到(815～10)e，并进行灰化。

　　快灰测定试验法：称取(112～115)g水煤浆试样或称取(1～11)g水煤浆固体试样平铺于灰皿中，并且置于预先升温的马弗炉中，以不大于2cm/min的速度推进，然后进行灰化。对5种水煤浆试样进行测定并且快速测定，将固体试样的慢灰测定结果和快灰测定结果进行对比。

　　5.3对比结果显示

　　水煤浆试样结果主要是比较快灰和慢灰，水煤浆的试样研究主要是比较水煤浆的结果并且进行显著的比较，差值为95%，置信区间非常小，最大端为12.7%，快灰和水煤浆固体的试样、水煤浆的慢灰和固体试样均有明显的差异，均小于GB212-91规定的不同化验室允许差(13%)，工业上仍然可以接受。

　　因此测定水煤浆灰分时，水煤浆试样和水煤浆固体试样都需要进行慢灰测定和快灰测定。

　　参考文献

　　[1][美]诺曼×奇格.韩昭沧，郭伯伟译.能源、燃烧与环境[M].北京：冶金工业出版社，1991.

　　[2]吴双应，李友荣，卢啸风，等.再燃技术原理及其影响因素分析[J].冶金能源，2002，21(2)：24-27.Wu Shuangying， Analysis on theprinciple of reburning technology and its influence factors[J].

　　[3]沈伯雄，姚强.天然气再燃脱硝的原理和技术[J].热能动力工程，2002.

　　[4]徐华东，罗永浩，王恩禄，等.再燃烧技术及其在我国的应用前景[J].动力工程，2001，21(4)：1320-1323.Reburning technologyand its application prospects in China[J].Power Engineering，2001.

　　[5]ChenWeiyin.Effect of heterogeneneous mechanisms duringreburning of nitrogen oxide[J].1996.

　　[6]Ashworth R A，Morrison D K，Payne R，et al.[C].