利用瞬态平面热源法测定材料的导热系数 (2)

的计算过程由软件自动完成。在处理数据之前，必须舍去前面和后面的一些时间点所 对应的数据。舍去的时间点的个数和探头保护层的厚度及试样与探头之间接触热阻的 大小等有关，要根据具体的测试情况来酌情选取；但用来进行数据处理的时间点不能 少于 100 个，以保证所求导热系数的一般性。

4 结果与分析

实验测定了粉煤灰掺量、水灰比、砂灰比对水泥砂浆回填材料的导热系数的影响。 由图 5 可以看出，随着粉煤灰掺量增加，砂浆的导热系数略有减小。由图 6、7 可见， 砂浆的导热系数随着砂灰比的增大而明显增大，随水灰比的增大而略有减小。

实验还测定了不同水灰比时纯水泥回填材料的导热系数，由图 8 可以看出，纯水 泥的导热系数较小，且水灰比越大其导热系数越小。这是因为水灰比越小，水泥浆的 孔隙率就越小，浆体就越密实，从而其导热系数较大。

图 5 回填导热系数随粉煤灰掺量变化的规律 图 6 回填导热系数随砂灰比变化的规律 图 7 水泥基回填导热系数随水灰比的变化 图 8 纯水泥回填导热系数随水灰比的变化 从所有的回填材料中选出三种导热系数最优的配比，其测试结果见表 1。

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表 1 三种最优回填材料的实验数据

试样配方 序号 1 CS 2 3 1 CFS 2 3 1 CSE 2 3 导热系数 λ(W/mK) 2.3420 2.3361 2.3350 2.2059 2.1886 2.1926 2.1182 2.1164 2.1061 2.1136 0.35% 2.1957 0.47% 2.3377 0.19% 平均值(W/mK) 最大相对偏差 表中的试样皆以三次测试结果的平均值作为其导热系数的测定值，三种试样的导 热系数都在 2.1 W/(m.K) 以上，与以前使用的膨润土－水混合物回填材料（0.65－ 0.9W/(m.K)）[1]相比，可以使钻孔总长度显著减小。从表中还可以看出，HotDisk 热常 数分析仪的重复性非常好，三种试样的最大相对偏差都在 1%以内。

5 结论

在深入研究瞬态平面热源法测试原理的基础上，利用基于此种方法研制的 HotDisk 热常数分析仪系统地测定了不同配比的回填材料的导热系数，并对测试结果进行了比 较和分析，可以得出以下结论：

(1) 瞬态平面热源法采用加热元件与温度传感器合一的仪器设计，实现了测试自动化，

操作简单，测试时间短，精度高，而且有很好的重复性。该方法的另一个特点是 可测试材料的导热系数的范围广，试样制备简单。因此， 瞬态平面热源法及其 HotDisk 热常数分析仪是进行类似研究测试的合适仪器。

(2) 通过增大砂灰比，减少水灰比和粉煤灰掺量都有利于提高水泥砂浆回填材料的导

热系数。

(3) 由测试结果优选出三种水泥砂浆回填材料，它们都有较高的导热系数，其值可分

别达 2.11、2.20 和 2.34 W/(m.K)，达到了美国 Brookhaven 国家实验室报道的高性 能回填材料的水平。在选择地埋管换热器钻孔回填材料时，除了要考虑材料的导 热系数之外，还要考虑它的工作性（流动性）、膨胀性、抗渗透性等性质。关于 这三种优化配比回填材料的其它性能的试验研究及其结果将由另文报道。 参考文献

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