ASTM D5334-22 通过热针探针法测定土壤和岩石热导率的标准试验方法

美国材料与试验协会（ASTM）发布的标准《ASTM D5334-22用热针探针程序测定土壤和岩石热导率的标准试验方法》描述了一种利用瞬态热法测定土壤和岩石热导率的试验方法。该测试方法适用于完整的土壤和岩石样品以及重构的土壤样品，并且在实验室和现场均有效。该测试方法最适合于均质材料，但对于非均质材料也可以给出具有代表性的平均值。

该测试方法可应用于干燥、未饱和或饱和且可容纳传感器孔的材料。热针探头在0至100度之间的温度下有效，取决于其结构对极端温度的适应性。然而，必须小心避免因以下原因导致的严重错误：

• 由于针头加热产生的热梯度导致水重新分布
• 由于水力梯度而导致的水重新分配（重力排水导致高饱和度或表面蒸发）
• 接近0度或100度温度下样品中水的相变

所有观察值和计算值必须符合ASTM D6026规定的有效数字和舍入指令。本标准中用于指定如何收集、记录或计算数据的程序被视为行业标准。它通常还代表需要存储的有效数字。所使用的程序没有考虑任何重大变化、获取数据的目的、特殊目的研究或与用户目标有关的任何考虑因素，并且通常的做法是根据这些考虑因素增加或减少报告数据的有效数字。考虑工程设计分析方法中使用的有效数字超出了本标准的范围。

该测试方法也适用并广泛应用于测定各种地质来源的工程多孔材料的热导率，包括混凝土、流化热回填料和热砂浆。

就本标准而言，除 ASTM D653 中给出的术语和定义外，还适用以下定义：

• 热输入是指加热丝的功率消耗，假定其等于每单位长度的丝的热量输出（以瓦特为单位）。
• 导热环氧树脂是一种导热树脂材料，其值在标准中给出。
• 导热脂是一种导热润滑材料，其值在标准中给出。

热导率是通过线源测试方法的变化来确定的，使用具有较大长度与直径比的针探针来模拟无限长、无限薄的热源条件。探头由加热元件和测温元件组成，放置在样品中。将已知电流和电压施加到探头加热元件上一段指定的时间，并记录温度升高。停止加热后的温度随时间下降也可以包括在分析中。通过分析加热循环和可选冷却循环期间的温度时间序列数据，并使用非线性最小二乘反演技术将其与理论曲线进行比较，可以得到热导率。

完整土壤样本、重构土壤样本和岩石样本的热导率用于分析和设计地下输电线路、石油和天然气管道、放射性废物处理、地热应用和太阳能存储设施等系统。可以在现场进行测量，也可以在实验室环境中测试样品。

进行测试时，样品的质量调整到最接近的0,01克并记录。样品的长度和直径设定为0,1毫米并记录。以 120 度为间隔测量至少三次长度，以高度的四分之一点测量至少三次直径。确定样品的平均长度和直径。通过将热针探头推入样品中，将其放置在样品的轴线下方。如果样品致密，则将针插入预先钻好的孔中，深度等于探针的长度。必须确保热探头轴完全嵌入样品中并且不会部分暴露。

如果需要在样品上打孔，则在测量质量后再打孔。孔的直径应等于针探头的直径，以确保紧密配合。为了确保样品和探头之间更好的热接触，可以在探头上涂一层薄薄的导热油脂。可以使用钻床等设备钻孔并将探头放置在一条直线上，增加样品和探头之间的接触并减少间隙。将样品固定在选定的测试温度下，并让探头在样品内达到平衡。通过观察一段时间内的温度可以评估稳定性和平衡性。热探头的加热丝连接到恒流源。

测温元件端部连接至读数单元。已知的恒定电流施加到加热丝上。根据需要记录加热器两端的电流和电压以计算功率。在加热期间，至少记录20-30步的石灰和温度读数。恒流源已关闭。如果要在分析中包含冷却数据，则至少要记录 20-30 个步骤的时间和温度读数，持续时间相当于加热周期。采用合适的方法来确定热导率。按照ASTM D2216标准试验方法测定并记录初始重量含水量，计算该试样一个代表性样品的干密度（或单位重量）。

理论上，如果在一定时间内将恒定的热量施加到零质量加热器上，则温度响应根据标准中给出的公式计算。关闭热量输入后，根据标准给出的公式计算温度的变化。

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