在水保温材料的沉导热系数特性寒冷地带的隧道

抽象的

本文以实测隧道保温材料浸泡后的质量含水率为基础，研究了孔隙水的分布规律。并以该质量含水率为基础，分析了孔隙水分布对材料导热性能的影响。通过计算机断层扫描(CT)获得酚醛和聚氨酯绝缘板的扫描图像。灰色的体积含水率(问)推导出基于CT扫描图像,以确定孔隙水的分布(问水样品的体积的比值(灰度值)所代表的饱和水的体积样品(灰度值)所代表的灰色的样品的体积含水率)。通过比较灰色体积含水率和体积含水率的不同算法，确定了灰色体积含水率与质量含水率的相关性。质量含水率与导热系数的关系可用自制的准稳态试验仪测定，而灰体积含水率与导热系数的关系可用间接推导。相关的实验研究可以用一种新的视角来预测保温材料的导热系数，并展示孔隙水分布对材料导热系数的影响。

1.介绍

运输系统的快速发展导致寒冷地区隧道施工的逐步增长;然而，通常发生在寒冷地区构建的隧道冻结造成的损坏[1-5.］.与霜冻损坏有关的问题，包括衬里泄漏，衬里剥落，周围岩石的霜冻，以及路面的浇水和冻结，往往从8月到9月的隧道会显着影响隧道的效率[6.-10］.典型的工程解决方案在寒冷地区隧道霜损坏铺设隔热层[11-14］.人们对各种因素对保温层的影响进行了大量的研究[15-18］.根据多年冻土防护保温的原理，阐述了各种保温层的适用性[19］.夏结合有限元模拟的理论分析，以计算所述绝缘层的厚度施加到由[各种冻土20.那21］.基于二维有限元模型，分析了绝缘层在冷区域中隧道温度场的厚度和长度的影响[22］.使用数值模拟，齐确定冻融范围和热绝缘材料的不同的热绝缘材料的冻融范围的变化规律的基础上的厚度之间的关系[23那24］.Yan在数值模式的基础上研究了机械通风速度和不同寒冷地区的变化对保温层设计的影响L.[25那26］.李强调土壤温度和隧道周围的水分含量在所述隧道绝缘层的最佳厚度的影响[27-29］.

一种保温材料的保温性能指标主要由导热系数决定[30.-32］.马提出的绝热材料的热导率是一样重要其在隧道在寒冷地区的设计和施工[厚度33］.通过建立一个数值耦合成季冻区的隧道的热湿度模型，马建立的方法计算热绝缘层的热导率和厚度而确定的绝热效果和热导率随厚度组合之间的关系热绝缘层。对一些建筑材料的热导率的一些研究也一直在进行。扎希亚通过使用实验结果和理论模型[推导含纤维的砂浆复合材料的有效热传导率的预测分析34］.拉赫森评价在海枣纤维（DPF）的热导率网眼板，DPF中，并以水含量泥浆复合材料中的变化，然后测定通过使用最佳拟合模型[DPF的固有热导率和砂浆35］.Pavlšk在不同温度的气候室之间的隧道中放置砖块，利用半尺度稳态实验方法和实测数据计算砖块的导热系数[36］.Bodnarova使用的热丝法来测量在非稳定状态的热导率并评价轻质混凝土的热导率的温度依赖性[37］.然而，在目前的研究中，大多数隧道保温材料只评估长度、厚度等因素的影响，很少研究材料本身的导热系数。人们对建筑保温材料的导热性进行了大量的研究。然而，这些报告大多研究了含水率对材料的影响，很少探讨水的分布对材料导热性的影响。本文定义了灰体积含水率，并建立了灰体积含水率与质量含水率的关系。在质量含水率与导热系数关系的基础上，建立灰体积含水率与导热系数的关系，以更好地描述孔隙水分布对导热系数的影响。该研究对于解决寒冷地区隧道保温材料的相关问题具有重要的参考价值。

2.实验设计

2.1。测试材料

酚醛绝缘板，聚氨酯绝缘板和FLOQUET绝缘体是隧道中使用的一些最常见的隔热材料，因此它们作为用于进行实验分析的研究对象。测试中使用的绝缘材料如图所示1,测量98厘米×98厘米×50厘米(长×宽×高)38］.试件的物理指标见表1．该聚氨酯保温板一面为光滑的防水层，一面为粗糙的防水层。该防水层表面有不规则的孔洞，影响聚氨酯材料的吸水性能。因此，去除聚氨酯保温板表面的防水层，研究在最不利条件下含水率随时间的变化。

2.2。测验设备

2.2.1。吸水率测试设备

吸水装置分为两种类型：天然活性吸水装置和压力无源吸水装置（图2)．当在寒冷地区隧道中发生泄漏时，天然活性吸水装置模拟了天然状态下绝缘材料的单面活性吸水。39］.在此设备的左侧的水容器经由橡胶管连接到漏斗上的右侧，以形成连接器，这确保了两个液体水平是相同的高度。通过加压无源吸水装置模拟水头压力对绝缘层材料吸水的影响。该装置的主体是连接到两个橡胶管 - 进气管和连通管的压力缸。当器件吸收水并促进灌溉过程时，连接管的安装有利于气体放电。

2.2.2。CT扫描测试设备

(1)测试仪器．225 kV X射线工业CT（YXLON，德国）如图所示3.．相关参数如表所示2．

(2) x射线工业CT的工作原理．如图所示3.时，x射线源发出的x射线在x射线源和探测器之间作平移运动扫描被检测物体。扫描后，将物体旋转一个角度，然后再扫描一次。通过重复操作，可以得到被检测对象某一段的多个数据集。这些数据是由计算机计算和处理的。整个剖面的图像被重建并显示在监视器上。所有的切片都可以形成一个完整的三维图像。

CT图像是灰度图像，与对应于显示不同灰度级的CT数的每个像素。被扫描材料的​​密度越高，图像的亮度越高。因此，在通过CT扫描含水层的热绝缘样获得该图像的分析中，黑色区域表示所述孔中，较亮的区域是没有水的干燥样品，白色区域是水吸收面积。

2.2.3。导热系数测试装置

(1)热盘TPS 2500s热物性传导分析仪．热物理电导率分析仪(图4.）（热盘，瑞典）主要由测试系统，计算器和数据记录系统（计算机）组成。热盘测试仪是双螺旋传感器，通常是镍金属双螺旋，厚度为25微米。它不仅是用于增加温度的热源，而且是用于记录温度变化随时间的热流电阻器。热物理导电分析仪的参数列于表中3.．

(2)自制准稳态测试仪．按照准稳态热导率的原则，为绝缘层的材料的热导率测试装置制造。该装置主要由一个测试盒，一个数据采集系统和一个加热系统（图5.)．

测试盒由聚苯乙烯（EPS）泡沫板制成，厚度为10cm。由于其低导热率，EPS泡沫板具有良好的隔热性。作为测试盒的主要部分，它可以在测试期间有效地隔离样品和周围环境之间的热交换并降低测试误差。测试盒中的空间尺寸为300毫米×300mm×200mm。

该数据采集系统由无纸化记录仪和温度传感器组成，用于实时测量样品的温度。无纸化记录仪精度可达2%，并可显示小数点后的温度。温度传感器选用体积较小的四线PT100温度传感器。探头直径3毫米，长度10毫米，精度0.15°C。

加热系统由加热片、纯铜片和电源组成，使系统向系统提供稳定的热流。加热元件由Ni-Cr电加热丝和聚酰亚胺加热膜组成，加热膜厚度为0.4 mm，长度为300 mm，宽度为300 mm。将导热系数高的纯铜片置于加热片的上下表面，使加热片表面温度分布均匀。电源采用可调直流稳压电源，电压范围0 ~ 30v，电流范围0 ~ 10a。

（3）电加热温度鼓风干燥机．的DB-250B电加热温度鼓风干燥器（闳析嗯电烤箱厂，成都）通常用于样品干燥，热处理，以及其它加热目的。主要技术参数列于表4.．

2.3。测试过程

2.3.1。吸水试验和CT扫描

为了模拟冷区隧道中保温材料的吸水，并在不同吸水性条件下确定各种绝缘板的最大质量含量，选择了三种绝缘板：酚醛化板，聚氨酯绝缘板，和浮子绝缘板。进行自然活性吸水试验和压力被动吸水试验，在初始阶段进行一天间隔，在随后的阶段进行两天的间隔。为了进行比较分析，添加了一组完整的浸渍试验。当两个连续测量的差异小于第二测试值的0.5％时，可以终止测试。

通过使用上述方法，测定去皮聚氨酯绝缘板的吸水率降低，而酚醛绝缘板的吸水率较高。因此，通过使用压力下的被动吸水试验获得具有不同质量含量和具有不同质量水分含量的六个酚醛绝缘板的三种剥离的聚氨酯绝缘板，通过控制不同的吸水时间进行。具有不同质量含量的样品在表中列出5.．

The maximum allowable external diameter of the sample was 170 mm. A sample size of less than 140 mm produced the best scanning effect. Therefore, to reduce costs, three samples with different mass moisture contents were stacked to optimize the use of the scanning space. The scanning image of the phenolic insulation board is presented in Figure6.．

2.3.2。导热系数测量

热磁盘方法适用于均匀介质但不适合在该测试中含有水样品。因此，热盘方法被选择为测试样品中它们的绝对干燥状态。准稳态热传导检验用于分层含水样品，并在它们的绝对干燥状态下的测试样品的结果与用热盘法获得的那些进行比较。

（1）热圆盘法．选择干燥的酚醛绝缘板和去皮聚氨酯绝缘板作为试验样品。封装的镍螺旋传感器夹在两个部件之间进行测试，并放置保护盖。在计算机上设置了传感器加热功率和时间。运行热盘测试软件，选择相应的测试模块。然后开始测试。随后选择所需的测试点数时，使用系统软件计算导热系数，其中两个测试之间的时间间隔设置为1.5小时。

（2）准稳态测试方法．样品制备按照“公路土工试验细则”（JTG E40-2007）进行。获得具有不同水分含量的酚醛和聚氨酯隔热板。的相同的尺寸，材料，和水分含量的四个样品放置在温度传感器后的试验盒（减少测试误差）从底部到顶部附连到他们和编号为1，2，3和4。所述的加热装置被放置在试验片1和2与试件3和4。然后将测试盒密封之间，无纸记录仪和DC-稳压电源被开启，并且测试开始。当样品2的上表面和下表面之间的温度差减小，停止试验，并完成一个测试。

3.测试结果与分析

3.1。保温材料的最大质量含水率

数字7.结果表明，在天然活性吸水条件下，随着时间的推移，质量含水率的增长速度逐渐放缓。在吸水初期，酚醛保温板的吸水率最大，其次是floquet保温板和去皮聚氨酯保温板。同时，随着时间的增加，酚醛保温板与floquet保温板的质量含水率逐渐接近，在试验时间范围内，酚醛保温板的质量含水率始终大于floquet保温板。经过5个月的测试，floquet保温板的质量含水率增幅是酚醛保温板的2倍;因此，floquet保温板的质量含水率逐渐接近于酚醛保温板。因此，当试验周期至少达到7个月时，floquet保温板的含水率暂时大于酚醛保温板。

酚醛保温板、去皮聚氨酯保温板和floquet保温板完全浸泡在水中后，质量含水率分别为2347.58%、92.91%和850%(图)8.)．酚醛保温板的质量含水率是去皮聚氨酯保温板的25.27倍，是floquet保温板的2.71倍。在三种保温板中，酚醛保温板的吸收率最高。

数字9.礼物质量水分含量的依赖于时间的曲线下通过不同的水的压力水平被动吸水率吸收由不同的热绝缘材料。曲线趋势示出了大的水分含量是在其吸水初期最高;随着时间的推移，吸湿的速率降低，并最终稳定下来。当测试是稳定的，试样的下高的压头的质量水分含量比低水头压力下更大。

总之，三个热绝缘材料的最大质量的水分含量可以由三组实验分析（表来获得6.)．

3.2。质量含量与灰度值之间的关系

在灰度值= 0时，图像是最黑暗和黑色的，而在灰度值= 255时，图像是最亮的和白色。物质的密度越高，它出现在CT图像中的更亮（白色）;物质的密度越低，它出现的更暗（黑色）。密度如下：空气密度，1.225千克/米^3.；水密度，1000kg / m^3.；选用酚醛保温板的表观密度为22kg /m^3.；而聚氨酯保温板的表观密度为33.8 kg/m^3.．水明显表现出最高的密度。因此，其在绝缘材料的分布可以很容易地通过CT扫描测试区别开来。At moisture content = 0%, the gray level histogram shows a single-peak image. When the phenolic insulation board absorbs water, two peaks appear in the gray histogram. The density of water is considerably higher than that of the dry phenolic insulation board and thus can be expressed using the gray value. Therefore, the wave peak at the lower gray value consists of the gray value of the pixel where the dry phenolic insulation board is located, whereas the wave peak at the higher gray value consists of the gray value of the pixel where the phenolic insulation board after water absorption is located.

3.2.1。酚醛保温板

单独扫描干燥样品和水样。数字10表明，当扫描干燥样品时，灰度值范围为6到115，而当扫描含水量时，灰度值范围为0到255，包括所有灰度值。对于含水的酚醛绝缘板，当灰度值小于或等于65时，在酚醛化板的内部没有任何水;同时，对于具有8比特深度的图像，所述最大灰度值是255。因此，酚醛保温板的CT扫描图像中，当灰度值在65-255范围内，则水的混合物中和酚醛绝缘材料;当灰度值为255时，像素的质量含量达到饱和度。另外，当灰度值为65时，水含量为0％。含水保温材料的灰度为65至255分为100份;也就是说，当像素的质量含量增加1％时，点的灰度值增加1.9。因此，灰度值可用于定量描述材料的饱和度。对于耐水样本，研究了各个像素的饱和度。 With the area of the pixel as the base, the gray value is high, andm是干燥状态，并且材料的含水状态之间的边界灰度值。当灰度值小于或等于m中，像素和灰度值的底面积的乘积表示的干燥样品的体积。当灰度值达到最大值D.图像中，像素被认为是充满水和饱和的;当灰度值介于之间m和D.，为非饱和含水试样的体积。图像中每个像素的面积乘以其自身的灰度，构成一个小体积;因此，将图像中所有的小体积相加，即可得到灰度值所代表的材料的总体积。

设CT扫描图像的像素总数为N，让灰色值是一世（一世 = 0, 1, …, 255). If the number of pixels in the image with a gray value equal to一世是N_一世，则用灰度值表示的材料的总体积为: 在哪里S.是像素区域和G是灰度值表示的水含量的样品的体积。

饱和试样的总体积用灰度值表示为: 在哪里D.是所有像素的最大灰度值的图像中，0D. ≤ 255;G_S.为含水量为100%的物料的体积，用灰色值表示;和N为图像像素的总数。

通过灰度值表示的图像体积的水分含量（容积灰的水分含量）为 在哪里m是the boundary value of the drying state and water-bearing state of materials, 0 < m < 255.

体积含水量可使用此算法来计算，并且将结果表示为如图11．一般的算法，并在此研究中提出的算法表现出相似的总体趋势，增加与质量增加水分含量。当质量水分含量超过3500％时，两种算法的计算的结果而变化到一定程度。通常，计算的结果（表7.）由灰度值表示并通过质谱含水量中计算出的体积的水含量是吻合。

3.2.2。去皮聚氨酯保温板

类似于上述酚醛绝缘板，含水量的聚氨酯绝缘板具有灰色值分布，其范围为0至255（图12)．分析表明，含水聚氨酯保温板的干燥部分具有小于50的灰度值。因此，当灰度值范围为50至255，水含量与聚氨酯保温材料混合;当灰度值是255，则像素的水含量达到饱和;并且当灰度值为50时，水的含量为0％。从50到255含有水的热绝缘材料的灰度值被划分成100份;即，当1％的像素的水含量增加，由2.05％的像素的增加的灰度值。因此，灰度值可被用于定量描述的材料的饱和度。通过使用衍生物式中，在灰度级的含水聚氨酯保温板的体积含水率被计算。结果如表所示8.．

按质量计水分含量的转化测量的体积的水分含量通常同意通过在本研究中提出的灰度值所表示的体积含水率的计算结果。体积水分含量与质量增加水分含量增加。

3.3。保温材料的导热系数和质量含水率的关系

通过保温材料结构的传热通常是由几种传热模式引起的，这些模式通常包括固体的传导、对流、气体的传导和热辐射[40］.当多孔介质中颗粒的平均直径不超过4-6 mm时，对流换热对材料内部换热的影响可以忽略不计;当多孔材料的温度不高于573 K(299.85℃)时，辐射的影响可以忽略不计[41］.在本研究中，在不考虑对流和辐射热传递的情况下，隔热材料的有效导热率达到上述条件。因此，本研究的范围仅涵盖了导热对隔热材料的导热率的影响。在分析多孔材料中的各种传热过程的机理中，可以将多孔材料中的固体骨架和各种流体的传热模式转化为等效的导热，并且可以使用该多孔材料的有效导热率macroscopic condition described by Fourier’s law. In this study, the influence of moisture content on the thermal conductivity of materials is the effective thermal conductivity obtained by the equivalent internal heat transfer of water content materials to thermal conductivity.

使用热盘的热物理性质分析仪酚醛绝缘板的干燥条件下的热导率和剥离聚氨酯绝缘基板进行评价。结果如表所示9.．

自制作的准稳态方法用于评估具有不同质量含量的绝缘材料的导热率。测试结果如图所示13．

如表所示9.那the phenolic insulation board and peeled polyurethane insulation board core have average thermal conductivities of 0.040 and 0.029 W/(m·K), respectively, as determined using the Hot Disk method. Figure13表明，酚醛化板的平均导热率在干燥条件下为0.04019 w /（m k），剥离后0.02982 w /（m k），其大于使用热盘导热率分析仪测定的结果，以及偏差分别为3.19％和0.33％。两种方法之间的导热率差异小于5％。因此，准稳态方法是测量导热率的可靠技术。

如图所示13，对于酚醛绝缘板，导热率和质量含量之间的关系可分为三个阶段：快速生长阶段，慢速生长阶段和急剧增加的阶段。在第一阶段，质量水分含量从0％增加到1000％，导热率的幅度增加78.57％。在第二阶段，质量含量从1000％增加到2200％，导热率的幅度增加46.48％。在第三阶段，质量含量从2200％增加到3500％，导热率的幅度增加是134.78％。酚醛绝缘板的导热率和质量含量之间的关系大致抛物线。对于聚氨酯绝缘板，导热率和质量水分含量之间的关系大致线性，当质量含量从0％增加至24％时，导热率生长率为68.76％。

在工程中，多孔建筑材料的质量含量与导热率之间的关系通常表示为线性函数，如下所示[42-44]： 在哪里λ._E.是有效热导率（单位为W /（米·K））;λ._D.是干燥的材料的热传导率（单位是W /（米·K））;ω.为含水率(单位为kg/kg);和一种^∧是经验常数。

因此，当酚醛绝缘板的质量含量小时，导热率可以源自上述线性关系;但是，当水含量高时，该公式不再适用。功率功能可用于近似质量含量和导热率之间的关系，如下： 在哪里B.^∧和C^∧’为拟合系数。

在图14，分别用幂函数和线性函数拟合酚醛保温板和去皮聚氨酯保温板的质量含水率与导热系数的关系，拟合结果的相关系数较高。根据材料的质量含水率，利用拟合公式可以预测酚醛保温板和去皮聚氨酯保温板的导热系数。预测公式如下:

3．4．保温材料导热系数与灰体积含水率的关系

保温材料质量含水率与导热系数之间的关系仅表明含水率对导热系数的影响，而不表明水分分布对导热系数的影响。Gv由扫描图像的灰度值得到，可以描述保温材料中水分的分布情况。Gv与导热系数的关系相当于描述孔隙水分布对导热系数的影响。

3.4.1。含水保温材料导热系数与Gv的关系

如表所示8.，GV，其对应于酚醛保温板的不同质量的水分含量和剥离聚氨酯保温板，可以得到，并且酚醛保温板的热导率和剥离聚氨酯保温板具有不同质量的水分含量可以通过进行预测配合配方。因此，功率函数可用于拟合酚醛绝缘板的导热率和GV之间的关系，并且一维一阶等式可用于拟合剥离聚氨酯的导热率和GV之间的关系绝缘板。统一的拟合公式如下： 其中m^∧和n^∧’为拟合系数。

的热导率和酚醛保温板的GV和剥离聚氨酯保温板之间的关系在图中示出15并表示如下:

3.4.2。含冰热绝缘材料的导热系数与GV的关系

在隧道周围的温度变化的趋势由正弦函数所描述（图16) [45］.寒冷地区隧道内的空气温度在零度以下时，保温材料吸水后在低温条件下结冰。冰的导热系数为2.24 W/(m·K)，约为水的4倍。因此，含冰保温材料的导热系数较大，使保温材料的效果变差[46-53］.

为了计算GV的基础上，酚醛保温板的热导率，提起笔通过水的热导率相乘，并将残余干燥体积比由试样的干燥过程中的热导率相乘。通过使用拟合公式确定将所述计算出的热传导率由热导率，可以得到相应的比例。根据此比率，当水变成冰，含冰酚醛保温板的热导率是通过用冰的热导率，乘以相应比例代水的热导率计算的值。该值用于在冷冻后估计含水酚醛保温板的整体热导率。计算结果列于表10．

采用相同的方法计算含冰聚氨酯保温板的导热系数，确定了含冰去皮聚氨酯保温板的导热系数。结果如表所示11．

4.结论

（1）获得了酚醛保温板和聚氨酯保温板的CT图像。利用CT扫描图像的灰度值提出了Gv的概念，可以更好地描述保温材料孔隙水的分布。通过对体积含水率与体积含水率的比较，建立了质量含水率与体积含水率的关系。（2）自制准稳态试验机的精度通过评估干式绝缘材料的热导率验证。自制准稳态测试仪的优点在于，它可以测量与水含量的热绝缘材料的热导率。因此，酚醛绝热板的质量水分含量和热导率和聚氨酯隔热板之间的关系可被确定。（3）根据保温材料的质量含水率与导热系数的关系来评价Gv与材料导热系数的关系。不仅创新性地提出了导热系数的预测方法;文中还讨论了孔隙水分布对保温材料导热性能的影响。

数据可用性

用于支持这项研究结果的测试数据包括在文章中，可以免费获得。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

这项研究是由中国国家自然科学基金（批准号51378071）和中国陕西省自然科学基金（批准no.2130-2116-0351）的支持。作者感谢研究者对他们的实验研究的支持。

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