劉東海，戴懷建，鄭 涵

(天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350)

1 研究背景

我國將要在高寒地區(qū)建設(shè)一批超高礫質(zhì)土心墻堆石壩，寒區(qū)心墻冬季施工面臨著土料凍結(jié)與融化問題[1-2]。負溫條件下心墻土料凍結(jié)強度高，造成壓實性能降低，碾壓遍數(shù)增加，影響工程進度；壓實后的心墻料經(jīng)凍融作用會誘發(fā)結(jié)構(gòu)破壞[3-4]。如兩河口礫質(zhì)土堆石壩心墻土料冬季施工時發(fā)現(xiàn)有凍結(jié)現(xiàn)象[5]，已經(jīng)填筑的心墻土料會經(jīng)歷1～5次凍融循環(huán)[6]；加拿大glacio-lacustrine土石壩經(jīng)過反復(fù)的濕干和凍融循環(huán)產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致強度和穩(wěn)定性下降[7]；美國的Twin Lakes壩在0.4 m深處發(fā)生凍結(jié)，土料出現(xiàn)裂縫[8]。當前，國內(nèi)外在路基、渠道等防凍脹方面已有較多的研究，主要通過隔熱保溫[9]、土質(zhì)改性[10]、防滲排水[11]及供熱裝置[12]等方法防止土體凍脹。目前常采用攤鋪保溫材料來防止心墻土料凍結(jié)，上述工程措施直接有效但保溫材料的收放過程施工干擾大，易造成有效施工時間短[5]。

近年來，相變材料(Phase Change Material，PCM)由于其相變儲放熱特性，已廣泛用于建筑物的墻壁[13]、地板[14]、玻璃窗[15]、天花板[16]和屋頂[17]等，以提高建筑物的熱舒適性。此外，PCM用于改善路基路面的凍融凍結(jié)，以減少季節(jié)性和晝夜循環(huán)期間路面溫升和溫降的影響[18]。如Mahedi等[19]證明了微膠囊PCM可有效改善路基土凍融作用；Kravchenko等[20-21]采用微膠囊PCM用于解決路面季節(jié)性凍結(jié)及融化的問題；Chen等[22]將粉煤灰和相變材料摻混到膨脹土中改善寒區(qū)膨脹土熱學(xué)性能，控制凍融循環(huán)破壞程度。在PCM用于心墻黏土土料防凍方面，Liu等[4]驗證了相變黏土作為心墻料的可行性，心墻相變黏土在負溫環(huán)境下可免受凍結(jié)、延長施工時間。上述研究為相變材料用于高寒區(qū)心墻礫質(zhì)土料施工防凍控溫提供了借鑒。

相變材料根據(jù)相變形式可分為固-固相變材料、固-液相變材料、固-氣相變材料、液-氣相變材料，由于固-氣相變材料和液-氣相變材料在相變過程中體積變化較大且易流失，固-固相變材料與其他建筑材料結(jié)合性差，固-液相變材料由于其穩(wěn)定的相變溫度和較小的體積變化成為經(jīng)濟實用的儲能研究材料。石蠟基有機固-液相變材料在相變過程中無過冷無相分離、相變過程可逆，性能穩(wěn)定、無毒及價格便宜等優(yōu)點成為理想的相變儲能材料。本文采用石蠟基PCM制備心墻相變礫質(zhì)土，開展其工程特性、熱學(xué)控溫性能試驗及傳熱數(shù)值模擬，驗證相變礫質(zhì)土作為心墻壩料及心墻冬季施工控溫的可行性。本研究可為改善高心墻礫質(zhì)土料冬季防凍性能、延長心墻冬季施工時間提供一種潛在途徑。

2 相變礫質(zhì)土工程特性及熱學(xué)試驗

2.1 試驗材料試驗所用黏土取自兩河口礫質(zhì)心墻堆石壩工程，剔除2 mm以上粒徑的土顆粒，測得黏土的液限為29.76%，塑限為17.46%，塑性指數(shù)為12.3，土性為低液限黏土。試驗所用礫石為人工碎石，剔除2 mm以下及20 mm以上粒徑的碎石。試驗土料是摻礫量為40%的礫質(zhì)黏土，其顆粒級配曲線如圖1所示，顆粒級配滿足《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》中防滲體礫石土要求。

圖1 顆粒級配曲線

本文相變材料用于防止心墻土料凍結(jié)，其相變溫度應(yīng)略高于冰點(0 ℃)[23]，故選取相變溫度為5 ℃的石蠟作為相變材料，具有高潛熱、無過冷現(xiàn)象、環(huán)境友好、性質(zhì)穩(wěn)定、使用壽命長等特點[24]。試驗所選用的石蠟基PCM主要成分為正十四烷，外觀無色、無味，相變溫度在5 ℃附近，相變潛熱為193.3 J/g。

2.2 試樣制備通過直摻法制備相變礫質(zhì)土，PCM摻量(PCM質(zhì)量與礫質(zhì)土質(zhì)量之比)分別取0%、4%和6%。按照壓實度97%的最大干密度和最優(yōu)含水率進行制樣。根據(jù)試樣尺寸確定各組分材料質(zhì)量，先將礫石和黏土攪拌均勻后，再加入PCM攪拌均勻，待PCM充分被土樣吸附后，再加水至攪拌均勻，最后通過靜壓分層制樣成型。

2.3 相變礫質(zhì)土工程特性試驗結(jié)果

2.3.1 擊實試驗及滲透試驗結(jié)果 選擇PCM摻量4%和6%作為試驗組，未摻PCM的礫質(zhì)土作為對照組。采用重型擊實試驗，確定不同PCM摻量下相變礫質(zhì)土的最大干密度和最優(yōu)含水率。擊實試驗結(jié)果如表1所示，相變礫質(zhì)土的最大干密度和最優(yōu)含水率隨PCM摻量增加而降低。

2.3.2 滲透試驗結(jié)果 隨著PCM摻量的增加，滲透系數(shù)不斷降低，見表1。石蠟基PCM會填充孔隙，造成孔隙變窄或堵死孔隙，從而礫質(zhì)土有效孔隙率減少[25]，滲流通道減少，滲透系數(shù)顯著下降；此外，PCM的疏水性導(dǎo)致孔隙中PCM會阻礙水的遷移[26]，從而滲透系數(shù)下降?？梢?，PCM摻入能夠提高礫質(zhì)土的抗?jié)B性，滲透系數(shù)小于10-5cm·s-1，滿足《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》對心墻的防滲功能要求。

2.3.3 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果 圖2為0%、4%和6%PCM摻量下試樣無側(cè)限抗壓強度試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？芍?，在本文研究的PCM摻量內(nèi)，隨著PCM摻量的增加，抗壓強度隨之上升；相變礫質(zhì)土的塑性下降，脆性上升；變形模量隨PCM摻量增加而增加。試驗結(jié)果見表1。

圖2 不同PCM摻量下相變礫質(zhì)土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 擊實試驗、滲透試驗和無側(cè)限抗壓試驗結(jié)果

2.3.4 三軸試驗結(jié)果 圖3為礫質(zhì)土和6%PCM摻量相變礫質(zhì)土的三軸試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可知：

圖3 不同PCM摻量礫質(zhì)土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

礫質(zhì)土表現(xiàn)為硬化型應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；相變礫質(zhì)土呈現(xiàn)為軟化型應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，但在高圍壓下，相變礫質(zhì)土軟化現(xiàn)象減弱；無論小圍壓還是大圍壓下，相變礫質(zhì)土應(yīng)力均大于礫質(zhì)土應(yīng)力。

2.3.5 抗剪強度指標分析 不同PCM摻量下試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角如表2所示?？梢?，摻混PCM后，相變礫質(zhì)土黏聚力下降，但內(nèi)摩擦角上升，此結(jié)果與文獻[4]結(jié)論類似。

表2 不同PCM摻量試樣的強度指標

綜上，PCM的摻混會提高礫質(zhì)土的抗壓強度和抗剪強度、變形模量和防滲性能，其力學(xué)性能及防滲性能均能滿足《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》對心墻材料的要求。

2.4 相變礫質(zhì)土熱學(xué)試驗結(jié)果采用差示掃描量熱法(Differential Scanning Calorimeter，DSC)，在-15 ℃～20 ℃范圍內(nèi)以2 ℃/min的變溫速率測試石蠟基PCM的DSC曲線，見圖4。PCM的熱學(xué)參數(shù)如表3所示。

圖4 石蠟基PCM的DSC曲線

表3 石蠟基PCM熱學(xué)參數(shù)

熱常數(shù)試驗采用瑞典TPS2500S熱分析儀器，試樣尺寸為直徑100 mm，厚度40 mm的樣品，測試相變礫質(zhì)土的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容。表4給出了不同PCM摻量下相變礫質(zhì)土的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱。可見：隨著PCM摻量的增加，導(dǎo)熱系數(shù)和比熱不斷降低。由擊實試驗可知，最大干密度及最優(yōu)含水率隨PCM摻量增加而下降。干密度下降導(dǎo)致相變礫質(zhì)土導(dǎo)熱系數(shù)下降，同時，含水率下降也會導(dǎo)致相變礫質(zhì)土導(dǎo)熱系數(shù)下降[27]。水的比熱遠大于PCM和土顆粒的比熱，隨著PCM摻量的增加，含水率顯著下降，相變礫質(zhì)土比熱呈現(xiàn)下降的趨勢。

表4 相變礫質(zhì)土熱常數(shù)

3 基于溫控箱的相變礫質(zhì)土溫控試驗

3.1 溫控試驗方案采用變溫控溫試驗箱(溫度控制精度2 ℃)進行控溫實驗，用于驗證相變傳熱數(shù)值模型的準確性。室內(nèi)控溫試驗試樣為24 cm的正方體，四周及底面覆蓋保溫材料，如圖5(b)所示。不同深度土體埋設(shè)溫度傳感器采集土體溫度，溫度傳感器為T型熱電偶(精度0.1 ℃)，見圖5(c)?？紤]實際施工需求以及施工現(xiàn)場冬季氣溫的變化特點，選取兩河口心墻壩冬季施工現(xiàn)場某日的實測溫度曲線作為溫控試驗的溫控曲線，其負溫持續(xù)時間約為14 h，最低溫為-5 ℃，將落日時(19點)的大氣溫度8 ℃設(shè)為溫控初始溫度。

圖5 控溫箱試驗裝置圖

先將試驗相變礫質(zhì)土料置于由控溫箱構(gòu)建的恒溫環(huán)境，保持初始溫度(8 ℃)1天，以使土料內(nèi)部形成穩(wěn)定溫度場；然后，以典型環(huán)境氣溫進行加載24 h，以模擬真實的施工控溫環(huán)境(見圖6環(huán)境溫度曲線)。試驗期間實時采集心墻相變礫質(zhì)土內(nèi)部溫度，以分析心墻相變礫質(zhì)土的溫度變化過程。

3.2 溫控試驗結(jié)果分析表層土料的凍結(jié)情況是寒區(qū)心墻土料冬季施工控溫的關(guān)注重點。圖6為不同PCM摻量下相變礫質(zhì)土表層溫度的變化過程。

圖6 不同PCM摻量下相變礫質(zhì)土的表層溫度變化過程

由圖6可知：(1)礫質(zhì)土表層出現(xiàn)凍結(jié)；相變礫質(zhì)土表層溫度均在正溫以上。摻混PCM后，可改善土體的防凍控溫性能。(2)相變礫質(zhì)土在5 ℃附近出現(xiàn)滯溫平臺現(xiàn)象，滯溫平臺對應(yīng)的溫度為相變材料的相變溫度，因此相變礫質(zhì)土相變溫度為5 ℃。礫質(zhì)土未出現(xiàn)滯溫平臺。(3)相變礫質(zhì)土滯溫時長隨PCM摻量增加而增加。上層相變礫質(zhì)土發(fā)生相變，釋放熱量，出現(xiàn)滯溫平臺；且PCM摻量越多，釋放能量越多，因而滯溫時長越長。(4)相變礫質(zhì)土在相變傳熱區(qū)降溫速率小于顯熱降溫區(qū)速率。在相變傳熱階段，下層相變礫質(zhì)土可為上層土料供能，心墻相變礫質(zhì)土能夠在相變傳熱階段減少降溫速率。(5)心墻相變礫質(zhì)土可以在升溫階段吸收環(huán)境熱源補充損失熱能。升溫階段是降溫階段的逆過程，心墻相變礫質(zhì)土在升溫階段可以吸收環(huán)境熱源。

4 心墻相變礫質(zhì)土施工控溫有限元模擬與分析

考慮到實際冬季心墻施工的氣候環(huán)境溫度、制備初溫、上層鋪筑等工況均會變化，若對這些復(fù)雜施工工況變化均采用控溫箱試驗，需要投入大量的人力物力。因此，本文建立了心墻相變礫質(zhì)土冬季施工傳熱數(shù)值模型，并通過上文溫控箱溫控試驗，來驗證模型的可行性；進而，基于傳熱模型模擬心墻相變礫質(zhì)土在不同施工工況下心墻土料表層溫度變化規(guī)律，為心墻施工防凍控溫提供指導(dǎo)建議。

4.1 建?；驹韺τ谛膲ο嘧兊[質(zhì)土的冬季施工防凍控溫問題，可將礫質(zhì)土料視為多孔介質(zhì)材料，而PCM則視為均勻分布于多孔介質(zhì)材料孔隙中的夾雜物[28]。通過均質(zhì)化等效參數(shù)，可將其轉(zhuǎn)換為多孔介質(zhì)復(fù)合材料傳熱問題。相變礫質(zhì)土各材料熱學(xué)參數(shù)通過導(dǎo)熱系數(shù)和比熱的均質(zhì)化等效模型進行計算[29]。假設(shè)土體傳熱為一維傳熱。熱能傳遞的三種基本方式是熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射，如下式[30]：

(1)

式中：q傳導(dǎo)為傳導(dǎo)熱流密度，W/m2；q對流為對流熱流密度，W/m2；q輻射為輻射熱流密度，W/m2；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；h為表面換熱系數(shù)，W/(m2·K)；σ為Stefan-Boltzmann常量，其值為5.67×10-8W/(m2·K4)；ε為表面輻射率，取為0.95。T1為環(huán)境溫度，℃；T2為材料溫度，℃。

相變多孔介質(zhì)采用等效密度ρeff、等效恒壓熱容Cp，eff和等效導(dǎo)熱系數(shù)keff，計算公式如下：

ρeff=θsρs+θPCMρPCM

(2)

ρeffCp，eff=θsρsCp，s+θPCMρPCMCp，PCM

(3)

keff=θsks+θPCMkPCM

(4)

式中：ρeff為等效密度，kg/m3；θs為礫質(zhì)土體積分數(shù)；ρs為礫質(zhì)土密度，kg/m3；θPCM為PCM體積分數(shù)；ρPCM為PCM密度，kg/m3；Cp，eff為等效比熱，J/(kg·K)；Cp，s為礫質(zhì)土比熱，J/(kg·K)；Cp，PCM為PCM比熱，J/(kg·K)；keff為等效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；ks為礫質(zhì)土導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；kPCM為PCM導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

相變傳熱問題在數(shù)學(xué)上是一個強非線性問題，固定區(qū)域法是將分區(qū)求解的導(dǎo)熱問題化成整個區(qū)域上的非線性導(dǎo)熱問題處理，如焓法、顯熱容法、等效熱容法等，其中等效熱容法是模擬相變傳熱常用的方法之一[20，31]。本文相變傳熱仿真采用等效熱容法模擬PCM的相變過程。如圖7所示，液相和固相PCM分別設(shè)置每個相的熱力學(xué)參數(shù)，Tp為材料的相變溫度，ΔT為固液相之間的轉(zhuǎn)變間隔，通過定義轉(zhuǎn)變間隔(ΔT)模擬相變過程。相變材料根據(jù)溫度判斷不同的相態(tài)：當溫度低于相變界面(Tp-ΔT/2)時，屬于固態(tài)PCM；當高于相變界面(Tp+ΔT/2)時，屬于液態(tài)PCM；在相變溫度范圍內(nèi)，材料處于固液混合態(tài)材料。溫度從高溫向低溫變化時，PCM釋放能量；溫度從低溫向高溫變化時，PCM儲存能量。相變焓表征PCM的儲放熱能力，差示掃描量熱法(Differential Scanning Calorimetry，DSC)試驗是相變焓的主要檢測方法[32]，本文中PCM的相變焓數(shù)值為193.3 J/g。

圖7 PCM相變模型示意

PCM的相變模型如下：

ρPCM=θ1ρ1+θ2ρ2

(5)

kPCM=θ1k1+θ2k2

(6)

(7)

(8)

式中：ρPCM為PCM的密度，kg/m3；ρ1為PCM的固相的密度，kg/m3；ρ2為PCM的液相的密度，kg/m3；kPCM為PCM的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；k1為PCM的固相的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；k2為PCM的液相的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；CPCM為PCM的比熱，J/(kg·K)；Cp，1為PCM的固相的比熱，J/(kg·K)；Cp，2為PCM的液相的比熱，J/(kg·K)；ΔH為PCM的相變焓，J/g；αm為已熔化的PCM質(zhì)量分數(shù)。

4.2 控溫箱試驗有限元模型驗證由于溫控試驗試樣為軸對稱結(jié)構(gòu)，為提高計算效率，因此只建立四分之一的溫控試件的幾何模型。土體頂部進行對流及表面熱輻射傳熱。有限元模型包含98 328個四面體單元、5124個三角形邊界元和236個邊單元?？販卦囼?zāi)Ｐ?、邊界條件及網(wǎng)格劃分如圖8所示。

圖8 控溫試驗?zāi)Ｐ图斑吔鐥l件(單位：cm)

根據(jù)控溫試驗土體材料各組分質(zhì)量計算各組分材料所占體積分數(shù)，并按照式(4)—(6)計算等效導(dǎo)熱系數(shù)和等效比熱。各材料熱物性參數(shù)如表5所示。

表5 材料熱物性參數(shù)

模擬環(huán)境溫度與溫控箱試驗溫度相同，將溫控傳熱模擬結(jié)果與溫控試驗中不同深度布設(shè)的溫度傳感器采集的實測溫度進行對比，以驗證相變傳熱數(shù)值模型及材料參數(shù)的準確性。

4.2.1 控溫箱試驗?zāi)M結(jié)果分析 圖9為6% PCM摻量的相變礫質(zhì)土模擬計算的溫度變化歷程與溫控試驗實測值的對比?？梢姡摂?shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好。

圖9 6%相變礫質(zhì)土不同深度模擬結(jié)果

同理，可得0%和4% PCM摻量下相變礫質(zhì)土控溫箱試驗?zāi)M結(jié)果。采用平均絕對誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)和模型有效性系數(shù)(ME)等指標[33]，對不同PCM摻量相變礫質(zhì)土數(shù)值模擬結(jié)果進行誤差統(tǒng)計分析，見表6。可見模擬誤差較小，模型有效性系數(shù)均在0.95以上。因而，所建立的相變傳熱有限元數(shù)值模型可用于分析心墻相變礫質(zhì)土在寒區(qū)冬季施工過程中的控溫過程。

表6 不同摻量相變礫質(zhì)土數(shù)值模擬結(jié)果的誤差分析對比

4.3 心墻相變礫質(zhì)土施工控溫有限元建模以西南某礫質(zhì)土直心墻堆石壩工程為例，冬季施工期大壩某高程心墻填筑尺寸為寬40.0 m，長300.0 m。心墻與兩岸壩肩鋪設(shè)水平厚度4.0 m的接觸黏土，心墻上游設(shè)置兩層水平厚度為4.0 m反濾層，下游設(shè)兩層水平厚度為6.0 m的反濾層。心墻均分為3個施工倉面，壓實后心墻每層厚度為0.27 m。據(jù)該壩區(qū)氣象站多年冬季實測資料統(tǒng)計多年平均風(fēng)速不大于2.5 m/s，因此本研究平均風(fēng)速采用2.5 m/s；選擇壩區(qū)冬季3個不同的施工氣溫環(huán)境(最低溫-5 ℃、-8 ℃和-10 ℃)，具體見圖11、圖13和圖14中環(huán)境溫度曲線?？紤]制備經(jīng)濟性，且土料制備溫度應(yīng)大于PCM相變溫度，故土料初始溫度選定為8 ℃。

心墻區(qū)、接觸黏土區(qū)和反濾料區(qū)頂面暴露于環(huán)境氣候下，當風(fēng)帶動空氣流過填筑區(qū)表面時，產(chǎn)生強制對流換熱，并向環(huán)境發(fā)出熱輻射。心墻、接觸黏土及反濾料底面及側(cè)面被其他分區(qū)填筑料包圍，外部溫度已無法影響心墻溫度，按熱絕緣處理，故采用一維傳熱模擬。心墻相變礫質(zhì)土施工溫控模型及邊界條件如圖10所示，A、B、C三點分別位于心墻與接觸黏土邊界處、心墻與反濾料邊界處和心墻中心點。各分區(qū)材料熱物性參數(shù)同表6。

圖10 心墻相變礫質(zhì)土施工溫控模型及邊界條件(單位：cm)

4.4 心墻相變礫質(zhì)土施工控溫模擬結(jié)果分析

4.4.1 環(huán)境最低溫-5 ℃下心墻防凍控溫分析 不同PCM摻量下A點、B點及C點的表層溫度歷程和心墻最低溫表面溫度云圖(以2#倉面為例)，如圖11和圖12所示。模擬結(jié)果表明：

圖11 不同PCM摻量相變礫質(zhì)土表層各點溫度變化

圖12 不同PCM摻量相變礫質(zhì)土最低溫時表層溫度云圖

(1)反濾層和接觸黏土層對心墻相變礫質(zhì)土防凍控溫性能有不利影響。A點和B點的表層溫度低于C點的表層溫度，A點和B點溫度變化近乎一致的原因是反濾料和接觸黏土料主要成分為礫石和黏土，兩者的熱物性參數(shù)(密度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱)相差不大，當環(huán)境溫度工況變化相同時，接觸黏土區(qū)和反濾料區(qū)溫度變化幾乎一致，差別不大。心墻填筑施工中應(yīng)注意心墻與其他土料邊界的土體溫度，必要時刻可小范圍采取措施保證心墻不發(fā)生凍結(jié)。

(2)6% PCM摻量相變礫質(zhì)土具有防凍控溫性能；然而，4% PCM摻量相變礫質(zhì)土出現(xiàn)土體凍結(jié)，防凍控溫性能下降。4%摻量的相變礫質(zhì)土表層最低溫度低于0 ℃，無法保證一整夜防凍控溫效果，因此后文施工模擬中僅分析6% PCM摻量相變礫質(zhì)土控溫效果。

4.4.2 環(huán)境最低溫-8 ℃下心墻防凍控溫分析 日最低溫-8 ℃的施工環(huán)境溫度下，不同初始溫度相變礫質(zhì)土心墻中心處其表層溫度歷程如圖13所示。

圖13 環(huán)境最低溫-8 ℃環(huán)境溫度下礫質(zhì)土和相變礫質(zhì)土表層控溫過程

由圖13可知：(1)相變礫質(zhì)土(初始溫度8 ℃)表層最低溫為-0.62 ℃，已無法實現(xiàn)整體土料防凍控溫作用。(2)通過調(diào)整心墻相變礫質(zhì)土制備溫度，初溫15 ℃的相變礫質(zhì)土心墻可實現(xiàn)24 h連續(xù)施工。(3)初溫8 ℃的心墻相變礫質(zhì)土相比礫質(zhì)土可延長3 h施工時間(不考慮采取保溫措施)。

4.4.3 環(huán)境最低溫-10 ℃下心墻防凍控溫分析 日最低溫-10 ℃的施工環(huán)境溫度下，相變礫質(zhì)土心墻中心處其的表層溫度歷程如圖14所示。由圖可知：(1)相變礫質(zhì)土(初始溫度8 ℃和15 ℃)表層出現(xiàn)凍結(jié)，已無法實現(xiàn)土料防凍控溫作用。(2)不考慮采取保溫措施，初溫8 ℃的相變礫質(zhì)土心墻相比礫質(zhì)土可延長約2.5 h施工時間。

圖14 最低溫-10 ℃環(huán)境溫度下不同初始溫度礫質(zhì)土和相變礫質(zhì)土表層控溫過程

4.4.4 上層鋪筑對相變礫質(zhì)土防凍控溫的影響 對于最低溫-10 ℃環(huán)境溫度下，在下層心墻相變礫質(zhì)土(初始溫度8 ℃)表層溫度將要凍結(jié)時(11 h)完成第二層心墻填筑，分析上層鋪筑對下層相變礫質(zhì)土心墻溫控效果的影響。圖15顯示了上層心墻鋪筑后相變礫質(zhì)土表層溫度場變化，可知：

圖15 上層和下層心墻表面溫度歷程

(1)經(jīng)上層心墻填料覆蓋后，上層填筑料通過熱傳導(dǎo)提高下層填筑料的溫度；當下層溫度升高到5 ℃時，PCM發(fā)生相變(從固相變?yōu)橐合?，此時PCM儲存能量，下層填筑料會出現(xiàn)滯溫平臺。上層填筑料溫度下降為5 ℃時，上層填筑料無法繼續(xù)為下層繼續(xù)傳遞能量，下層填筑料溫度穩(wěn)定為5 ℃，下層填筑料未發(fā)生凍結(jié)。因此，寒區(qū)心墻土料冬季施工防凍的關(guān)鍵在于壩料負溫暴露時段的凍融防護。

(2)上層新填筑的心墻表層溫度保持正溫，未發(fā)生凍結(jié)，說明相變礫質(zhì)土下層心墻料在開始負溫時(本例中為11 h)及時覆蓋上層，可實現(xiàn)最低溫-10 ℃施工工況防凍控溫。

計算不同施工工況下心墻相變礫質(zhì)土控溫效果如表7所示，隨PCM摻量的增加，相變礫質(zhì)土延長了心墻冬季施工時間，可有效改善心墻礫質(zhì)土防凍控溫性能。

表7 不同工況下心墻表層控溫效果

5 結(jié)論

為了防止寒區(qū)礫質(zhì)土心墻堆石壩冬季施工心墻土料凍結(jié)，避免土料凍融破壞，本文提出了用相變礫質(zhì)土代替?zhèn)鹘y(tǒng)礫質(zhì)土作為心墻壩料，通過滲透試驗、無側(cè)限抗壓試驗和三軸試驗，研究了相變礫質(zhì)土的工程特性；開展熱常數(shù)試驗和室內(nèi)控溫試驗，研究了相變礫質(zhì)土心墻料的熱性能；并建立了心墻礫質(zhì)土施工控溫有限元模型，分析了相變礫質(zhì)土延長冬季施工時間和對心墻防凍控溫性能的效果，得到了以下結(jié)論：

(1)PCM的摻混會提高礫質(zhì)土的抗壓強度和抗剪強度；摻混PCM后，有效孔隙率減少和PCM的疏水特性導(dǎo)致礫質(zhì)土滲透系數(shù)下降；相變礫質(zhì)土力學(xué)性能及防滲性能滿足規(guī)范對心墻材料的要求。

(2)隨著PCM摻量的增加，相變礫質(zhì)土導(dǎo)熱系數(shù)及比熱下降；心墻相變礫質(zhì)土可以在升溫階段吸收環(huán)境熱源補充損失熱能，提高其對于持續(xù)低溫的惡劣工況的防凍控溫能力；隨PCM摻量的增加，相變礫質(zhì)土延長了心墻冬季施工時間，可有效改善心墻礫質(zhì)土防凍控溫性能。

(3)不同嚴寒程度的冬季施工環(huán)境下，可采取不同措施防止心墻防凍。6%摻量的相變礫質(zhì)土可在最低溫-5 ℃施工環(huán)境下保證土體不發(fā)生凍結(jié)(負溫下不采取保溫措施)；“PCM(6%摻量)+制備溫度(8 ℃溫度)+上層鋪筑”聯(lián)合控溫措施可保證最低溫-10 ℃施工環(huán)境下土體不發(fā)生凍結(jié)，實現(xiàn)心墻連續(xù)高效填筑。