La norma “ASTM D5334-22 Método de prueba estándar para determinar la conductividad térmica del suelo y la roca mediante el procedimiento de sonda de aguja térmica” publicada por la Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM) describe un método de prueba para determinar la conductividad térmica del suelo y la roca utilizando un método de calor transitorio. Este método de prueba es aplicable tanto a muestras de suelo y roca intactas como a muestras de suelo reconstituido y es eficaz en el laboratorio y en el campo. Este método de prueba es el más adecuado para materiales homogéneos, pero también puede proporcionar un valor promedio representativo para materiales no homogéneos.
Este método de prueba se puede aplicar a materiales secos, saturados o insaturados que puedan acomodar un orificio para el sensor. La sonda de aguja térmica es válida a temperaturas entre 0 y 100 grados, dependiendo de la idoneidad de su estructura a los extremos de temperatura. Sin embargo, se debe tener cuidado para evitar errores graves que resulten de:
Todos los valores observados y calculados deben cumplir con los dígitos significativos y las instrucciones de redondeo especificadas en ASTM D6026. Los procedimientos utilizados en esta norma para especificar cómo se recopilan, registran o calculan los datos se consideran estándares de la industria. Generalmente también representa dígitos significativos que deben almacenarse. Los procedimientos utilizados no tienen en cuenta ningún cambio material, el propósito para el cual se obtuvieron los datos, estudios de propósito especial o cualquier consideración relacionada con los objetivos del usuario, y es una práctica común aumentar o disminuir los dígitos significativos de los datos informados en función de estas consideraciones. Está más allá del alcance de esta norma considerar los dígitos significativos utilizados en los métodos analíticos para el diseño de ingeniería.
Este método de prueba también es aplicable y ampliamente utilizado para determinar la conductividad térmica de diversos materiales porosos de ingeniería de origen geológico, incluidos el hormigón, el relleno térmico fluidizado y el mortero térmico.
Para los efectos de esta norma, además de los términos y definiciones dados en ASTM D653, se aplican las siguientes definiciones:
La conductividad térmica se determina mediante una variación del método de prueba de fuente de línea utilizando una sonda de aguja con una gran relación longitud-diámetro para simular las condiciones de una fuente de calentamiento infinitamente larga e infinitamente delgada. La sonda consta de un elemento calefactor y un elemento medidor de temperatura y se coloca en la muestra. Se aplica una corriente y un voltaje conocidos al elemento calentador de la sonda durante un período de tiempo específico y se registra el aumento de temperatura. La caída de temperatura a lo largo del tiempo después de detener el calentamiento también se puede incluir en el análisis. La conductividad térmica se obtiene a partir del análisis de datos de series temporales de temperatura durante el ciclo de calentamiento y opcionalmente del ciclo de enfriamiento comparándolos con una curva teórica utilizando la técnica de inversión de mínimos cuadrados no lineales.
La conductividad térmica de muestras de suelo intacto, muestras de suelo reconstituido y muestras de rocas se utiliza para analizar y diseñar sistemas como líneas de transmisión subterráneas, oleoductos y gasoductos, eliminación de desechos radiactivos, aplicaciones geotérmicas e instalaciones de almacenamiento de energía solar. Las mediciones se pueden realizar en el sitio o se pueden analizar muestras en un laboratorio.
Al realizar la prueba, la masa de la muestra se ajusta al 0,01 gramo más cercano y se registra. La longitud y el diámetro de la muestra se establecen en 0,1 mm y se registran. Se toman al menos tres medidas de longitud a intervalos de 120 grados y al menos tres medidas de diámetro en puntos de un cuarto de la altura. Se determinan la longitud y el diámetro promedio de la muestra. La sonda de aguja térmica se coloca a lo largo del eje de la muestra empujándola dentro de la muestra. Si la muestra es densa, la aguja se inserta en un orificio previamente perforado hasta una profundidad igual a la longitud de la sonda. Es necesario asegurarse de que el eje de la sonda térmica esté completamente integrado en la muestra y no quede parcialmente expuesto.
Si es necesario hacer un agujero en la muestra, éste se realiza después de medir la masa. El diámetro del orificio debe ser igual al diámetro de la sonda de aguja para garantizar un ajuste perfecto. Para garantizar un mejor contacto térmico entre la muestra y la sonda, la sonda se puede recubrir con una fina capa de grasa térmica. Se puede utilizar un dispositivo como un taladro de columna para perforar el orificio y colocar la sonda en línea recta, aumentando el contacto entre la muestra y la sonda y reduciendo los espacios. La muestra se fija a la temperatura de prueba seleccionada y se deja que la sonda se equilibre dentro de la muestra. La estabilidad y el equilibrio se pueden estimar observando la temperatura durante un período de tiempo. El cable calefactor de la sonda térmica está conectado a una fuente de corriente constante.
Los extremos del elemento de medición de temperatura están conectados a la unidad de lectura. Se aplica una corriente constante conocida al cable calefactor. La corriente y el voltaje a través del calentador se registran según sea necesario para calcular la potencia. Durante el período de calentamiento, las lecturas de cal y temperatura se registran durante al menos 20-30 pasos. La fuente de corriente constante está apagada. Si se van a incluir datos de enfriamiento en el análisis, se registran lecturas de tiempo y temperatura durante al menos 20 a 30 pasos durante un período equivalente al ciclo de calentamiento. Se utiliza un método adecuado para determinar la conductividad térmica. El contenido de agua gravimétrico inicial se determina y registra de acuerdo con el método de prueba estándar ASTM D2216, y se calcula la densidad seca (o peso unitario) de una muestra representativa de la muestra.
En teoría, si se aplica una cantidad constante de calor a un calentador de masa cero durante un cierto período de tiempo, la respuesta de temperatura se calcula de acuerdo con la fórmula dada en la norma. Una vez apagada la entrada de calor, el cambio de temperatura se calcula según la fórmula dada en la norma.
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