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原文传递相变材料应用于寒区冻土路基维护试验及数值模拟研究

论文题名：	相变材料应用于寒区冻土路基维护试验及数值模拟研究
关键词：	冻土路基维护;相变材料;热量吸收;稳定性
摘要：	随着中国国民经济水平的不断提高和西部大开发与“一带一路”等国家战略的深入推进，作为基础设施的青藏公路在人口流动、信息交换、物流集散和国防建设等诸多方面发挥重要作用。而青藏公路建设作为典型冻土区工程，面临着全球气候变暖及冻胀变形等难题，影响青藏公路长期服役性能。本文针对由于温度变化而引起的冻土路基性能劣化的问题，提出在普通路基材料中加入相变材料组成复合相变材料，或设置含相变材料结构板，利用相变材料相变释放或吸收热量，合理和有效地改良路基及下覆冻土层的热学稳定性，从而避免冻土路基工程性能发生劣化。　　本文首先分析了各类型相变材料的特征，根据相变性能及工作环境温度选择质量比为97:3正癸醇-棕榈酸混合物和液态石蜡作为相变主体材料；采用直接结合法和微胶囊结合法制备了复合相变水泥材料，并通过瞬态平面法、单轴压缩试验、差示扫描量热分析和准一维传热试验对复合相变水泥材料的导热系数、抗压强度、相变性能和调温性能进行测试。其次，通过数值模拟的研究手段，建立了二维冻土路基温度场的数值模型，提出一种铺设于路基基床下路堤底部的相变结构层，并通过数值模拟验证了铺设相变结构层改善冻土路基热环境的有效性，在此基础上，研究了相变材料相变潜热、相变温度及相变结构层铺设厚度对改善冻土路基温度场的影响。主要取得了以下成果：　　（1）正癸醇与棕榈酸在质量比为97.0:3.0时形成低共熔物，其结晶温度为3.2℃，结晶焓值为254.1J/g；液态石蜡相变材料相变温度为3.28℃、相变潜热为168.2J/g；石蜡微胶囊相变材料相变温度为2.20℃、相变潜热为100.2J/g。　　（2）复合相变水泥材料在融化状态下的导热系数随相变材料掺量的增加而线性降低，且正癸醇-棕榈酸相变材料对复合相变水泥材料导热系数的负面影响大于液态石蜡相变材料，采用微胶囊包裹法制备的复合相变水泥材料的导热系数低于采用直接结合法制备的复合相变水泥材料的导热系数。　　（3）随着相变材料掺量的增加，采用直接结合法制备的复合相变水泥材料的抗压强度呈线性降低，且正癸醇-棕榈酸对材料抗压强度的负面影响显著大于液态石蜡；石蜡微胶囊相变材料的抗压强度与相变材料掺量呈先增后减的抛物线关系，在低掺量下（＜15wt%），其抗压强度高于以直接结合法制备的复合相变水泥材料的抗压强度，且高于普通水泥材料的抗压强度。　　（4）随相变材料掺量的增加，复合相变水泥材料的名义相变潜热增大；石蜡微胶囊相变水泥试样的名义相变温度随掺量增加而升高，更接近纯石蜡微胶囊本身的相变温度；含减水剂石蜡微胶囊相变水泥试样的名义相变温度随掺量增加而线性降低，且低于石蜡微胶囊相变水泥试样的名义相变温度。　　（5）掺量为胶凝材料的1.5wt%时，聚羧酸高效减水的掺入使得石蜡微胶囊相变水泥材料低掺量下的导热系数增大，高掺量下的导热系数随掺量增加平缓降低。同时，聚羧酸高效减水的掺入提高了石蜡微胶囊相变水泥材料的抗压强度，降低其名义相变温度。　　（6）若不在制备后进行密封处理，采用直接结合法制备的复合相变水泥中的相变材料易流失，而微胶囊相变水泥材料中的相变材料能够稳定存在，调温性能较好。对于同种复合相变水泥材料，相变材料的掺量越多，其抵抗温升的效果越好；对于同掺量相变水泥材料，相变材料掺量低于15wt%时，正癸醇-棕榈酸相变水泥材料和含减水剂石蜡微胶囊相变水泥材料的调温效果相近，而石蜡微胶囊相变水泥材料的调温性能最好，相变材料掺量高于15wt%时，含减水剂石蜡微胶囊相变水泥材料的调温效果最好。　　（7）利用COMSOL有限元软件，建立二维冻土路基温度场的数值模型，验证了在冻土路基基床下部路堤底铺设相变结构层，能够削减路基内部温度波动幅度，延迟峰值时间，有效改良路基及下覆冻土层的热学稳定性，且相变材料的相变潜热越高、相变结构层越厚，其调温效果越好；但相变结构层的影响范围有限，其应用对路基边坡2m外天然土体的温度分布几乎无影响。除此之外，应根据实际工作环境合理选取相变温度，旨在能够最大程度发挥相变材料的调温性能，使其储热能力得到完全体现。
作者：	张丽影
专业：	建筑与土木工程
导师：	周扬
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国矿业大学(江苏)
学位年度：	2022