ASTM D5334-22 以熱針探針法測定土壤和岩石熱導率的標準試驗方法

美國材料與試驗協會（ASTM）發布的標準《ASTM D5334-22用熱針探針程序測定土壤和岩石熱導率的標準試驗方法》描述了一種利用瞬態熱法測定土壤和岩石熱導率的試驗方法。此測試方法適用於完整的土壤和岩石樣本以及重建的土壤樣品，並且在實驗室和現場均有效。此測試方法最適合均質材料，但對於非均質材料也可以給出代表性的平均值。

此測試方法可應用於乾燥、未飽和或飽和且可容納感測器孔的材料。熱針探頭在0至100度之間的溫度下有效，取決於其結構對極端溫度的適應性。然而，必須小心避免因以下原因導致的嚴​​重錯誤：

• 由於針頭加熱產生的熱梯度導致水重新分佈
• 由於水力梯度而導致的水重新分配（重力排水導致高飽和度或表面蒸發）
• 接近0度或100度溫度下樣品中水的相變

所有觀察值和計算值必須符合ASTM D6026規定的有效數字和捨去指令。本標準中用於指定如何收集、記錄或計算資料的程序被視為行業標準。它通常也代表需要儲存的有效數字。所使用的程序沒有考慮任何重大變化、獲取數據的目的、特殊目的研究或與用戶目標有關的任何考慮因素，並且通常的做法是根據這些考慮因素增加或減少報告數據的有效數字。考慮工程設計分析方法中使用的有效數字超出了本標準的範圍。

此測試方法也適用並廣泛應用於測定各種地質來源的工程多孔材料的熱導率，包括混凝土、流化熱回填料和熱砂漿。

就本標準而言，除 ASTM D653 中給出的術語和定義外，也適用以下定義：

• 熱輸入是指加熱絲的功率消耗，假定其等於每單位長度的絲的熱量輸出（以瓦特為單位）。
• 導熱環氧樹脂是一種導熱樹脂材料，其值在標準中給出。
• 導熱脂是一種導熱潤滑材料，其值在標準中給出。

熱導率是透過線源測試方法的變化來確定的，使用具有較大長度與直徑比的針探針來模擬無限長、無限薄的熱源條件。探頭由加熱元件和測溫元件組成，放置在樣品中。將已知電流和電壓施加到探頭加熱元件上一段指定的時間，並記錄溫度升高。停止加熱後的溫度隨時間下降也可以納入分析。透過分析加熱循環和可選冷卻循環期間的溫度時間序列數據，並使用非線性最小二乘反演技術將其與理論曲線進行比較，可以得到熱導率。

完整土壤樣本、重建土壤樣本和岩石樣本的熱導率用於分析和設計地下輸電線路、石油和天然氣管道、放射性廢物處理、地熱應用和太陽能儲存設施等系統。可以在現場進行測量，也可以在實驗室環境中測試樣品。

進行測試時，樣品的質量調整到最接近的0,01克並記錄。樣本的長度和直徑設定為0,1毫米並記錄。以 120 度為間隔測量至少三次長度，以高度的四分之一點測量至少三次直徑。確定樣品的平均長度和直徑。透過將熱針探頭推入樣品中，將其放置在樣品的軸線下方。如果樣品緻密，則將針插入預先鑽好的孔中，深度等於探針的長度。必須確保熱探頭軸完全嵌入樣品中並且不會部分暴露。

如果需要在樣品上打孔，則在測量質量後再打孔。孔的直徑應等於針探頭的直徑，以確保緊密配合。為了確保樣品和探頭之間有更好的熱接觸，可以在探頭上塗上一層薄薄的導熱油脂。可以使用鑽床等設備鑽孔並將探頭放置在一條直線上，增加樣品和探頭之間的接觸並減少間隙。將樣品固定在選定的測試溫度下，並讓探頭在樣品內達到平衡。透過觀察一段時間內的溫度可以評估穩定性和平衡性。熱探頭的加熱絲連接到恆定電流源。

測溫元件端部連接至讀數單元。已知的恆定電流施加到加熱絲上。根據需要記錄加熱器兩端的電流和電壓以計算功率。在加熱期間，至少記錄20-30步的石灰和溫度讀數。恆定電流源關閉。如果要在分析中包含冷卻數據，則至少要記錄 20-30 個步驟的時間和溫度讀數，持續時間相當於加熱週期。採用合適的方法來確定熱導率。依照ASTM D2216標準試驗方法測定並記錄初始重量含水量，計算此試樣一個代表性樣品的乾密度（或單位重量）。

理論上，如果在一定時間內將恆定的熱量施加到零質量加熱器上，則溫度響應根據標準中給出的公式計算。關閉熱量輸入後，根據標準給出的公式計算溫度的變化。

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