Der von der American Society for Testing and Materials (ASTM) veröffentlichte Standard „ASTM D5334-22 Standardtestmethode zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Boden und Gestein durch das thermische Nadelsondenverfahren“ beschreibt eine Testmethode zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Boden und Gestein unter Verwendung einer transienten Wärmemethode. Diese Testmethode ist sowohl auf intakte Boden- und Gesteinsproben als auch auf rekonstruierte Bodenproben anwendbar und ist im Labor und im Feld wirksam. Dieses Prüfverfahren eignet sich am besten für homogene Werkstoffe, kann aber auch für inhomogene Werkstoffe einen repräsentativen Durchschnittswert liefern.
Dieses Prüfverfahren kann auf trockene, ungesättigte oder gesättigte Materialien angewendet werden, die eine Öffnung für den Sensor aufweisen können. Die thermische Nadelsonde ist bei Temperaturen zwischen 0 und 100 Grad einsetzbar, abhängig von der Eignung ihrer Struktur für die Temperaturextreme. Es muss jedoch darauf geachtet werden, schwerwiegende Fehler zu vermeiden, die sich aus folgenden Gründen ergeben:
Alle beobachteten und berechneten Werte müssen den in ASTM D6026 angegebenen signifikanten Ziffern und Rundungsanweisungen entsprechen. Die in dieser Norm verwendeten Verfahren zur Festlegung der Erfassung, Aufzeichnung oder Berechnung von Daten gelten als Industriestandards. Es stellt normalerweise auch signifikante Ziffern dar, die gespeichert werden müssen. Die verwendeten Verfahren berücksichtigen keine wesentlichen Änderungen, den Zweck, zu dem die Daten erhoben wurden, spezielle Studien oder Überlegungen im Zusammenhang mit den Zielen des Benutzers. Es ist üblich, die signifikanten Ziffern der gemeldeten Daten entsprechend diesen Überlegungen zu erhöhen oder zu verringern. Die Berücksichtigung signifikanter Ziffern, die in analytischen Methoden für die technische Konstruktion verwendet werden, geht über den Rahmen dieser Norm hinaus.
Dieses Prüfverfahren ist auch anwendbar und wird häufig verwendet, um die Wärmeleitfähigkeit verschiedener technischer poröser Materialien geologischen Ursprungs zu bestimmen, darunter Beton, verflüssigte thermische Hinterfüllung und thermischer Mörtel.
Für die Zwecke dieser Norm gelten zusätzlich zu den in ASTM D653 angegebenen Begriffen und Definitionen die folgenden Definitionen:
Die Wärmeleitfähigkeit wird durch eine Variante der Linienquellen-Testmethode bestimmt, bei der eine Nadelsonde mit einem großen Längen-Durchmesser-Verhältnis verwendet wird, um die Bedingungen für eine unendlich lange, unendlich dünne Heizquelle zu simulieren. Die Sonde besteht aus einem Heizelement und einem Temperaturmesselement und wird in die Probe eingeführt. Ein bekannter Strom und eine bekannte Spannung werden für einen festgelegten Zeitraum an das Heizelement der Sonde angelegt und der Temperaturanstieg aufgezeichnet. Auch der zeitliche Temperaturabfall nach Beendigung der Erwärmung kann in die Analyse einbezogen werden. Die Wärmeleitfähigkeit wird aus der Analyse der Temperaturzeitreihendaten während des Heizzyklus und optional des Kühlzyklus ermittelt, indem diese mit einer theoretischen Kurve unter Verwendung der nichtlinearen Kleinstquadrate-Inversionsmethode verglichen werden.
Die Wärmeleitfähigkeit von intakten Bodenproben, rekonstruierten Bodenproben und Gesteinsproben wird zur Analyse und Konstruktion von Systemen wie unterirdischen Übertragungsleitungen, Öl- und Gaspipelines, der Entsorgung radioaktiver Abfälle, geothermischen Anwendungen und Solarenergiespeicheranlagen verwendet. Messungen können vor Ort durchgeführt oder Proben in einer Laborumgebung getestet werden.
Bei der Durchführung des Tests wird die Masse der Probe auf 0,01 Gramm genau berechnet und aufgezeichnet. Länge und Durchmesser der Probe werden auf 0,1 mm eingestellt und aufgezeichnet. Es werden mindestens drei Längenmessungen in 120-Grad-Intervallen und mindestens drei Durchmessermessungen in Viertelpunkten der Höhe durchgeführt. Dabei werden die durchschnittliche Länge und der durchschnittliche Durchmesser der Probe ermittelt. Die thermische Nadelsonde wird entlang der Achse der Probe platziert, indem die Sonde in die Probe gedrückt wird. Wenn die Probe dicht ist, wird die Nadel in ein vorgebohrtes Loch bis zu einer Tiefe eingeführt, die der Länge der Sonde entspricht. Es muss sichergestellt werden, dass der Schaft der Thermosonde vollständig in der Probe eingebettet ist und nicht teilweise freiliegt.
Wenn ein Loch in die Probe gemacht werden muss, wird das Loch nach der Messung der Masse gemacht. Der Durchmesser des Lochs sollte dem Durchmesser der Nadelsonde entsprechen, um einen festen Sitz zu gewährleisten. Um einen besseren thermischen Kontakt zwischen der Probe und der Sonde zu gewährleisten, kann die Sonde mit einer dünnen Schicht Wärmeleitpaste überzogen werden. Mit einem Gerät wie einer Bohrmaschine kann das Loch gebohrt und die Sonde in einer geraden Linie platziert werden, wodurch der Kontakt zwischen der Probe und der Sonde erhöht und Lücken verringert werden. Die Probe wird bei der ausgewählten Testtemperatur fixiert und die Sonde kann sich in der Probe ausgleichen. Stabilität und Gleichgewicht können durch Beobachtung der Temperatur über einen bestimmten Zeitraum abgeschätzt werden. Der Heizdraht der Thermosonde ist an eine Konstantstromquelle angeschlossen.
Die Enden des Temperaturmesselements werden mit der Leseeinheit verbunden. An den Heizdraht wird ein bekannter Konstantstrom angelegt. Zur Berechnung der Leistung werden Strom und Spannung über dem Heizgerät nach Bedarf aufgezeichnet. Während der Heizperiode werden Kalk- und Temperaturwerte für mindestens 20–30 Schritte aufgezeichnet. Die Konstantstromquelle ist ausgeschaltet. Wenn Kühldaten in die Analyse einbezogen werden sollen, werden Zeit- und Temperaturwerte für mindestens 20–30 Schritte über einen Zeitraum aufgezeichnet, der dem Heizzyklus entspricht. Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit wird ein geeignetes Verfahren verwendet. Der anfängliche gravimetrische Wassergehalt wird gemäß der Standardtestmethode ASTM D2216 bestimmt und aufgezeichnet, und die Trockendichte (oder das Einheitsgewicht) einer repräsentativen Probe der Probe wird berechnet.
Theoretisch wird die Temperaturreaktion gemäß der in der Norm angegebenen Formel berechnet, wenn einem Heizgerät ohne Masse über einen bestimmten Zeitraum eine konstante Wärmemenge zugeführt wird. Nach Abschalten der Wärmezufuhr wird die Temperaturänderung nach der in der Norm angegebenen Formel berechnet.
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