CN110777737A - 用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土及其施工方法 - Google Patents

用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土及其施工方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110777737A
CN110777737A CN201910982477.7A CN201910982477A CN110777737A CN 110777737 A CN110777737 A CN 110777737A CN 201910982477 A CN201910982477 A CN 201910982477A CN 110777737 A CN110777737 A CN 110777737A
Authority
CN
China
Prior art keywords
clay
phase change
core wall
solid
liquid phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910982477.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110777737B (zh
Inventor
刘东海
王友乐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN201910982477.7A priority Critical patent/CN110777737B/zh
Publication of CN110777737A publication Critical patent/CN110777737A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110777737B publication Critical patent/CN110777737B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02B—HYDRAULIC ENGINEERING
    • E02B7/00—Barrages or weirs; Layout, construction, methods of, or devices for, making same
    • E02B7/02—Fixed barrages
    • E02B7/04—Dams across valleys
    • E02B7/06—Earth-fill dams; Rock-fill dams
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/06—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to solid or vice versa
    • C09K5/063—Materials absorbing or liberating heat during crystallisation; Heat storage materials
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02B—HYDRAULIC ENGINEERING
    • E02B3/00—Engineering works in connection with control or use of streams, rivers, coasts, or other marine sites; Sealings or joints for engineering works in general
    • E02B3/16—Sealings or joints

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Bulkheads Adapted To Foundation Construction (AREA)

Abstract

本发明属于水利工程施工领域，为基于相变材料潜热供能的心墙相变黏土及其施工方法。本发明采取的技术方案是，用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土，将心墙黏土和固‑液相变材料进行直接混合，所述固‑液相变材料填充于黏土的孔隙中，利用固‑液相变材料凝固过程中所释放的相变潜热，在低温时段为心墙黏土提供补充热源；利用固‑液相变材料的融化吸热特性，吸收利用环境热源或人工热源，在高温时段补充心墙黏土在低温暴露时段内的损失热量；利用固‑液相变材料的不透水性，通过固‑液相变材料封堵土体中的渗流通道。相变黏土用于黏土心墙堆石坝的心墙筑坝材料。本发明主要应用于工程施工材料设计制造及相应施工场合。

Description

用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土及其施工方法
技术领域
本发明属于水利工程施工领域，具体而言，涉及一种用于冬季施工过程中心墙土料防冻控温的心墙相变黏土及其施工方法。
背景技术
黏土心墙是堆石坝防渗体结构的主要形式之一，其施工质量直接关系到大坝的运行安全。高寒区堆石坝的冬季施工普遍面临着心墙土料冻融问题的困扰：一方面，负温条件下的施工土料会因短时冻结而造成土体的压实性能降低[1]，为保证心墙土料的压实质量，需增加压实功和碾压遍数，使施工成本增加；另一方面，心墙土料经冻融后会引起结构开裂，致使防渗体的强度和防渗性能大幅降低[2]，对大坝的结构安全极为不利。我国现行的《碾压式土石坝施工规范》(DL/T 5129-2013)[3]规定：土石坝负温下填筑，应编制专项施工措施，压实时土料温度应在-1℃以上；当日最低气温在-10℃以下，或在0℃以下且风速大于10m/s时，应停止施工。为防止施工土料冻结，目前一般采用白天正温时段施工，夜间负温时段停止施工并施加保温被，以及冻结心墙土料挖除置换等防冻措施。该方法严重干扰正常的施工作业程序，致使工期大幅延长。
现阶段，对于高寒区黏土心墙堆石坝冬季施工的防冻控温保证手段尚相对匮乏。中科院冻土工程国家重点实验室[4]，针对高寒区冬季昼夜温差大的特点，在两河口工程开展了相关研究工作，并提出了夜间覆盖保温材料、现场实时监测、空气对流加热调控、正温时段揭开保温层施工等心墙土料冻融防控措施，可有效降低心墙土料的冻融风险。除此之外，其他可供参考的工程实践与相关研究鲜有报道。上述工程措施，虽然能够一定程度上优化保温覆盖的施工过程，但是，仍未从根本上解决心墙土料冬季施工质量与落后控温手段的矛盾，尚存在如下不足：(1)现有低温时段采用保温覆盖的防冻措施对施工作业干扰严重，无法满足低温下心墙连续施工的要求，易使工期延长；(2)缺乏有效的热源补充，现场实际的控温效果不易保证。
因此，迫切需要一种既不会对连续碾压施工作业产生干扰，又能持续有效地为施工土料提供稳定热源补充的新型黏土心墙材料及其施工方法，以延长冬季施工时间，保证心墙土料防冻控温需求。同时，该材料还应兼备一定的强度和防渗性能，可以作为堆石坝的防渗体结构使用。
参考文献：
[1]苏安双,李兆宇,于沭,等.寒区负温环境下筑堤砂土压实性能研究[J].水力发电学报,2018,37(1):110-120.
[2]穆彦虎,朱忻怡,岳攀,等.寒区大坝心墙土料冬季冻融与防控监测[J].冰川冻土,2018,40(4):756-763.
[3]碾压式土石坝施工规范：DL T 5129-2013[S].北京:中国电力出版社,2014.
[4]中科院冻土工程国家重点实验室.两河口心墙土料冻融机理及防控措施研究[R].兰州:2018。
发明内容
为克服现有技术的不足，针对现有依赖表层覆盖保温、冬季低温时段内需停工进行施工防冻的普通心墙黏土的缺陷，本发明旨在提出基于相变材料潜热供能的心墙相变黏土及其施工方法。本发明采取的技术方案是，用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土，将心墙黏土和固-液相变材料进行直接混合，所述固-液相变材料填充于黏土的孔隙中，利用固-液相变材料凝固过程中所释放的相变潜热，在低温时段为心墙黏土提供补充热源；利用固-液相变材料的融化吸热特性，吸收利用环境热源或人工热源，在高温时段补充心墙黏土在低温暴露时段内的损失热量；利用固-液相变材料的不透水性，通过固-液相变材料封堵土体中的渗流通道。相变黏土用于黏土心墙堆石坝的心墙筑坝材料施工。
心墙相变黏土，为固-液相变材料与心墙黏土以一定掺量经掺混制备的相变复合材料，黏土低液限黏土，质量占比为92.6％-96.2％，固-液相变材料为相变液体石蜡，其组分是低碳链正构烷烃C14C30，占比为80％-99％，其他正构烷烃CnC2n+2即直链碳原子数为11-18、少量带个别支链的烷烃、带长侧链的单环环烷烃占比为1％-20％，固-液相变材料占心墙相变黏土质量的3.8％-7.4％。
所述固-液相变材料的具体组成及掺量，应根据心墙的控温效果、防渗和强度等工作性能指标综合确定。具体的确定方法如下：
(1)根据实际控温需求，参照上述标准初步拟定固-液相变材料中低碳链正构烷烃C14C30占比及固-液相变材料掺量的备选配比，并利用热物性试验对以一定比例掺混后制备的心墙相变黏土的等效热物性参数进行标定，如相变温度、凝固相变潜热、焓值衰减率等；
(2)通过相变传热有限元分析方法，根据施工环境温度对设计工况下心墙相变黏土的控温方案进行数值模拟，通过表层土料最低温度与最大冻结深度等指标对心墙相变黏土的制备方案进行优化比选；
(3)通过多循环控温试验，验证由步骤(2)拟定的心墙相变黏土制备方案的实际控温效果，并结合三轴剪切试验、变水头渗透试验，对掺混后制备的心墙相变黏土的强度、防渗性能进行测试；
(4)如果黏土心墙的控温效果、防渗、强度等工作性能指标中有一项不满足规范要求，则需重新调整相变液体石蜡的组分及其掺量，重复步骤(1)-(3)，直至满足相关要求为止。
(5)在满足控温、强度和防渗符合规范施工要求的前提下，综合考虑经济性，合理确定制备心墙相变黏土所需固-液相变材料的具体的组成及掺量即制备配比，并标定心墙相变黏土的相变温度、凝固相变潜热、焓值衰减率等热物性参数。
步骤(2)中，相变传热有限元分析模型如下：
Figure BDA0002235643770000021
Figure BDA0002235643770000031
Figure BDA0002235643770000032
Figure BDA0002235643770000033
Figure BDA0002235643770000034
式中，k为心墙相变黏土的等效导热系数；T为t时刻深度为x处心墙相变黏土的温度；qgen为固-液相变材料的凝固相变放热量；qs为心墙相变黏土吸收的太阳辐射热量；qa为空气与心墙相变黏土之间的辐射换热量；qc为心墙相变黏土与空气之间的对流换热量；ρ为心墙相变黏土的等效密度；c为心墙相变黏土的等效比热；Q为固-液相变材料的凝固潜热；ρPCM为固-液相变材料的密度；VPCM为固-液相变材料的体积；VF为已发生凝固相变的相变材料的体积分数；αs为心墙相变黏土的太阳辐射吸收系数；td为日照持续时间；Qs为一天内日照的太阳总辐射量；ε为心墙相变黏土与空气间的辐射换热系数；σb为Stefan-Boltzmann常数；TaK为空气的绝对温度；TcK为心墙相变黏土表面的绝对温度；h为心墙相变黏土与空气之间的对流换热系数。
步骤(4)中，心墙相变黏土的工作性能综合评价模型采用物元可拓评价模型，具体如下：
a)根据心墙相变黏土的试验与数值模拟得到的控温、强度和防渗、经济性指标值，建立物元矩阵Rk，如式(6)所示：
Figure BDA0002235643770000035
式中，Pk为待评价单元，即制备配比方案；Ci为待评价单元的第i向特征，即控温、强度、防渗、经济性评价指标；Xi为评价指标Ci的量值；
b)以各评价等级关于对应指标Ci所属的数值范围作为经典域R，如式(7)所示：
Figure BDA0002235643770000036
式中，Nj为标准事物划分的第j个评价等级；Xij＝[aij,bij]为评价等级Nj关于评价指标Ci的取值范围；
c)以等级评价的全体关于对应评价指标Ci所属的数值范围作为节域Rp，如式(8)所示；
式中，Np为等级评价的全体；Xpi＝[api,bpi]为等级评价的全体Np关于评价指标Ci的取值范围；
d)计算关联函数及关联度Kj(xi)，如式(9)-(12)所示；
Figure BDA0002235643770000042
Figure BDA0002235643770000043
Figure BDA0002235643770000044
|Xij|＝bij-aij (12)
式中，ρ(xi,Xij)、ρ(xi,Xpi)为关联函数，即物元量xi到控制域Xij＝[aij,bij]、Xpi＝[api,bpi]的最短距离；
e)确定待评价单元Pk对各等级Nj的综合关联度Kj(Pk)，如式(13)所示；
Figure BDA0002235643770000045
式中，wi为第i项评价指标Ci的权重；Kj(Pk)为待评价单元Pk属于第j级评价结果Nj的综合关联度；
f)待评价单元Pk的等级评定。若Kj＝max{Kj(Pk)}，则Pk为第j级。当Kj(Pk)>0时，
表示评价单元超过标准对象上限，且数值越大越易于开发；当0<Kj(Pk)<1时，表示评价单元符合标准对象要求；当-1<Kj(Pk)<0时，表示评价单元不符合某级评价标准的要求，但具备转化为标准对象的条件，其绝对值越小，越易于转换；当Kj(Pk)<-1时，表示评价单元不符合某级评价标准的要求，且不具备转化为标准对象的条件；
g)根据评价结果确定心墙相变黏土的最优制备配比方案。
用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土施工方法，步骤如下：
(1)采用前文所述固-液相变材料的具体组成及掺量确定方法，根据当地环境温度与实际控温需求，通过前文步骤(2)-(3)初拟固-液相变材料的设计选型与掺量；利用前文步骤(3)-(4)对相变黏土的工作性能进行检验；最后通过前文步骤(5)进行合理确定心墙相变黏土的制备配比；
(2)向黏土中加入固-液相变材料，经均匀搅拌，制备心墙相变黏土；
(3)对掺混后制备的心墙相变黏土按最优含水率进行加水拌和；
(4)将加水拌和后的心墙相变黏土加热至相变温度以上1-5℃，优选2-3℃，并对已制备的相变黏土进行保温处理；
(5)将加热后的心墙相变黏土及时运至现场，依据设计工况下的初始温度，对心墙相变黏土的入仓温度进行检测；
(6)向心墙区填筑相变黏土至每层心墙土料的设计填筑厚度，并采用凸块振动碾进行连续碾压施工；
(7)填筑坝体其他分区坝料至每层坝料的设计填筑厚度，一般与相变黏土心墙平起上升；
(8)重复步骤(2)-(7)直至坝体成型，或达到冬季施工期坝体形象面貌。
步骤(2)和步骤(3)中，所述心墙相变黏土的拌和方式相同，且均采用强制式黏土搅拌机进行机械拌和，每盘拌和时间不小于50s。
步骤(4)中，所述心墙相变黏土可采用红外加热或烘箱加热方式提升初始温度。
步骤(5)中，所述心墙相变黏土填筑过程应为连续填筑。如因故停工，在复工前应将所述心墙相变黏土加热至所述固-液相变材料的相变温度以上1-5℃，并洒水湿润，保持含水率在控制范围内。
步骤(6)中，所述相变黏土心墙每层坝料的设计填筑厚度一般为0.3m。
本发明的特点及有益效果是：
本发明旨在克服现有心墙冬季施工控温手段的不足，提出一种基于相变材料潜热供能的心墙相变黏土及其施工方法。其有益效果如下：
(1)提出了一种用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土。所述心墙相变黏土能够利用固-液相变材料的融化吸热特性，吸收利用环境热源或人工热源，并以相变潜热的形式储存。在低温施工时段内，通过凝固放热过程持续有效地为施工土料提供稳定热源补给，防止心墙土料发生低温冻结。从而，可以延长冬季施工时间，解决高寒区黏土心墙堆石坝在冬季施工过程中因心墙土料防冻而导致的工期延长问题。
(2)所述心墙相变黏土具有良好的密实性，对原有心墙土料的强度影响较小，并且由于固-液相变材料具有不透水性，填充于心墙土料的孔隙中，对渗流通道进行封堵，能够在一定程度上提高心墙的防渗性能，可以满足作为堆石坝心墙防渗体结构的防渗、强度等要求。
(3)提出了一种心墙相变黏土的施工方法。所述施工方法施工工艺简单，通过直接掺混方式制备，且能够适应心墙土料的连续碾压施工，与后续填筑碾压相互独立，可提前制备，不影响施工连续性的保持，有效延长冬季可施工时段。
附图说明：
图1是本发明所述相变黏土心墙堆石坝断面示意图；
图2是本发明所述心墙相变黏土的相变传热有限元分析模型示意图；
图3是本发明所述心墙相变黏土的加热方式示意图。
具体实施方式
本发明旨在克服现有心墙施工控温手段的不足，针对现有依赖表层覆盖保温、冬季低温时段内需停工进行施工防冻的普通心墙黏土的缺陷，提出了一种基于相变材料潜热供能的心墙相变黏土及其施工方法。
所述相变黏土不仅需满足低温条件下心墙土料的施工防冻的要求，而且还需满足作为大坝心墙防渗体结构的防渗、强度等要求。所述固-液相变材料填充于黏土的孔隙中，利用固-液相变材料凝固过程中所释放的相变潜热，在低温时段为心墙黏土提供补充热源；利用固-液相变材料的融化吸热特性，在高温时段吸收利用环境热源或人工热源，补充心墙黏土在低温暴露时段内的损失热量。所述相变黏土用于填筑堆石坝的相变黏土心墙，如图1所示。心墙相变黏土可依照原有心墙土料的施工工艺进行连续填筑碾压施工；低温施工时段内暴露心墙土料的损失热量，由固-液相变材料凝固过程中所释放的相变潜热补充，防止冬季施工过程中的心墙土料冻结；利用所述固-液相变材料的不透水特性，通过分布于心墙土料的孔隙中的固-液相变材料封堵渗流通道。
另外，所述心墙相变黏土还可以具有如下附加技术特征：
本发明提出的心墙相变黏土，为固-液相变材料与心墙黏土以一定掺量经掺混制备的相变复合材料。
所述黏土应符合《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)规定的可用于心墙防渗填筑料的黏土的一般要求。
所述固-液相变材料不溶于水，通过固-液相变材料对相变黏土中孔隙的填充，封堵渗流通道。
所述固-液相变材料应具有稳定的化学性质，不会对周边环境造成污染。
所述固-液相变材料的相变温度应保证掺混后制备的相变黏土能够在略高于冰点的温度范围内发生相变，通过固-液相变材料凝固过程中所释放的相变潜热为心墙土料补给低温暴露时段内的损失热量。具体的固-液相变材料的相变温度，可以根据现场实际工况，通过数值模拟和试验方法拟定。
所述固-液相变材料的凝固相变潜热应保证掺混后制备的相变黏土在低温施工时段内的表层最低温度能够满足相关规范对于冬季施工温度的要求。具体的固-液相变材料的凝固相变潜热，可以根据现场实际工况，通过数值模拟和试验方法拟定。
所述固-液相变材料的焓值衰减率应保证固-液相变材料在经历多次相变循环后的凝固相变潜热无明显的损失。具体的固-液相变材料的焓值衰减率，可以根据现场实际工况，通过数值模拟和试验方法拟定。
所述固-液相变材料的掺量，应保证掺混后制备的相变黏土能够在施工时段内经历多次(至少2次)低温循环后的表层最低温度仍能满足相关规范对于冬季施工温度的要求，以应对因故短期停工等特殊工况对心墙相变黏土施工的影响。具体的固-液相变材料的掺量，可以根据现场实际工况，通过数值模拟和试验方法拟定。
本发明是一种用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土及其施工方法。所述固-液相变材料的具体组成及掺量，应根据心墙的控温效果、防渗和强度等工作性能指标综合确定。具体的心墙相变黏土制备和施工方法如下：
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土，如图1所示，包括：①黏土和②固-液相变材料，所述②固-液相变材料填充于①黏土孔隙中，利用②固-液相变材料在低温时段凝固过程中所释放的相变潜热为心墙黏土提供补充热源，并利用②固-液相变材料在高温时段的融化吸热特性对心墙黏土进行充能。
根据本发明上述心墙相变黏土，②固-液相变材料直接掺混在①黏土中制备心墙相变黏土，可依照原有心墙土料的施工工艺进行连续填筑碾压施工；低温施工时段内暴露心墙土料的损失热量，由②固-液相变材料的凝固过程中所释放的潜热补充，防止冬季施工过程中的心墙土料冻结；利用所述②固-液相变材料的不透水性，通过分布于心墙土料的孔隙中的固液相变材料(参见图1)对渗流通道进行封堵。下面参考图1对本发明上述心墙相变黏土进行详细描述。
根据本发明的具体实施例，图1中所述①黏土可选为符合《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)规定的可用于心墙防渗填筑料的低液限黏土，质量占比为92.6％-96.2％，以保证填筑碾压成型后的相变黏土心墙具有足够的基础防渗性能及良好的塑性。
根据本发明的具体实施例，图1中所述②固-液相变材料可选用相变液体石蜡，其主要组分是低碳链正构烷烃C14C30，占比为80％-99％，其他正构烷烃CnC2n+2(直链碳原子数为11-18)及少量带个别支链的烷烃、带长侧链的单环环烷烃占比为1％-20％。一般②固-液相变材料占心墙相变黏土质量的3.8％-7.4％。
根据本发明的具体实施例，图1中所述②固-液相变材料应不溶于水，利用填充于①黏土的孔隙中的所述②固-液相变材料的不透水性，通过②固-液相变材料对渗流通道进行封堵，以形成致密的防渗体。
根据本发明的具体实施例，图1中所述②固-液相变材料应具有稳定的化学性质，以保证②固-液相变材料不会随渗流流失而对周边环境造成污染。
根据本发明的具体实施例，图1中所述②固-液相变材料的相变温度一般为2-8℃，以保证掺混后制备的心墙相变黏土能够在略高于冰点的温度范围内发生相变。进而，保证心墙相变黏土在冻结前通过②固-液相变材料凝固过程中所释放的相变潜热为低温暴露时段内的心墙土料补给损失热量，延缓施工土料的温度下降过程，防止心墙土料发生低温冻结。
根据本发明的具体实施例，所述②固-液相变材料的相变温度一般优选3-6℃，其目的在于：(1)提高相变温度下限，以保证②固-液相变材料较早地发生相变，降低由于①黏土的低导热性造成的热滞后性给②固-液相变材料的施工控温产生的不利影响；(2)降低相变温度上限，以保证不影响②固-液相变材料控温性能的基础上合理降低拌和料的预热温度，加快心墙相变黏土的制备过程，提高施工效率。具体的②固-液相变材料的相变温度，可以根据现场实际工况，通过数值模拟和试验方法拟定。
根据本发明的具体实施例，图1中所述②固-液相变材料的凝固相变潜热一般不小于160J/g，以保证掺混后制备的相变黏土在低温施工时段内的表层最低温度能够满足相关规范对于冬季施工温度要求，利用凝固相变潜热储存足够的热量，以供低温施工时段缓慢释放。进而，保证②固-液相变材料持续有效地为低温时段的施工土料提供稳定的热源补给，防止土料发生低温冻结。具体的②固-液相变材料的凝固相变潜热，可以根据现场实际工况，通过数值模拟和试验方法拟定。
根据本发明的具体实施例，图1中所述②固-液相变材料的焓值衰减率一般不大于5％，以保证②固-液形变材料在经历多次相变循环后的凝固相变潜热无明显的损失。进而，保证②固-液相变材料的相变潜热能够重复利用。具体的②固-液相变材料的焓值衰减率，可以根据现场实际工况，通过数值模拟和试验方法拟定。
根据本发明的具体实施例，图1中所述②固-液相变材料的掺量一般为4％-8％，以保证掺混后制备的相变黏土能够在施工时段内经历多次(至少2次)低温循环后的表层最低温度仍能满足相关规范对于施工温度要求。进而，保证心墙相变黏土能够应对因故停工等特殊情况对施工质量的影响。在白天回温时段吸收太阳能，并以融化相变潜热形式储存于②固-液相变材料中，为上覆土层碾压填筑完成前的低温暴露时段的防冻控温积蓄储备热能。具体的②固-液相变材料的掺量，可以根据现场实际工况，通过数值模拟和试验方法拟定。
根据本发明的具体实施例，所述②固-液相变材料的相变温度、凝固相变潜热、焓值衰减率等热物性参数及掺量的具体的确定方法如下：
(1)根据实际控温需求，参照上述标准初步拟定②固-液相变材料中低碳链正构烷烃C14C30占比及②固-液相变材料掺量的备选配比，并利用热物性试验对以一定比例掺混后制备的心墙相变黏土的等效热物性参数进行标定，如相变温度、凝固相变潜热、焓值衰减率等；
(2)通过相变传热有限元分析方法，根据施工环境温度对设计工况下心墙相变黏土的控温方案进行数值模拟，通过表层土料最低温度与最大冻结深度等指标对心墙相变黏土的制备方案进行优化比选。
(3)通过多循环控温试验，验证由步骤(2)拟定的心墙相变黏土制备方案的实际控温效果，并结合三轴剪切试验、变水头渗透试验，对掺混后制备的心墙相变黏土的强度、防渗性能进行测试。
(4)如果黏土心墙的控温效果，防渗，强度等工作性能指标中有一项不满足规范要求，则需重新调整相变液体石蜡的组分(如提高低碳链正构烷烃C14C30占比)及其掺量，重复步骤(1)-(3)，直至满足相关要求为止。
(5)在满足控温、强度和防渗符合规范施工要求的前提下，综合考虑经济性，合理确定制备心墙相变黏土所需②固-液相变材料的具体的组成及掺量，并表征心墙相变黏土的相变温度、凝固相变潜热、焓值衰减率等热物性参数。
根据本发明的具体实施例，步骤(2)中，相变传热有限元分析模型如图2所示。
Figure BDA0002235643770000081
Figure BDA0002235643770000092
Figure BDA0002235643770000093
Figure BDA0002235643770000094
式中，k为心墙相变黏土的等效导热系数；T为t时刻深度为x处心墙相变黏土的温度；qgen为固-液相变材料的凝固相变放热量；qs为心墙相变黏土吸收的太阳辐射热量；qa为空气与心墙相变黏土之间的辐射换热量；qc为心墙相变黏土与空气之间的对流换热量；ρ为心墙相变黏土的等效密度；c为心墙相变黏土的等效比热；Q为固-液相变材料的凝固潜热；ρPCM为固-液相变材料的密度；VPCM为固-液相变材料的体积；VF为已发生凝固相变的相变材料的体积分数；αs为心墙相变黏土的太阳辐射吸收系数；td为日照持续时间；Qs为一天内日照的太阳总辐射量；ε为心墙相变黏土与空气间的辐射换热系数；σb为Stefan-Boltzmann常数；TaK为空气的绝对温度；TcK为心墙相变黏土表面的绝对温度；h为心墙相变黏土与空气之间的对流换热系数。
根据本发明的具体实施例，步骤(4)中，心墙相变黏土的工作性能综合评价模型可以采用物元可拓评价模型，具体如下：
a)根据心墙相变黏土的试验与数值模拟得到的控温、强度和防渗、经济性指标值，建立物元矩阵Rk，如式(6)所示：
Figure BDA0002235643770000095
式中，Pk为待评价单元，即制备方案；Ci为待评价单元的第i向特征，即控温、强度、防渗、经济性评价指标；Xi为评价指标Ci的量值；
b)以各评价等级关于对应指标Ci所属的数值范围作为经典域R，如式(7)所示：
Figure BDA0002235643770000096
式中，Nj为标准事物划分的第j个评价等级；Xij＝[aij,bij]为评价等级Nj关于评价指标Ci的取值范围；
c)以等级评价的全体关于对应评价指标Ci所属的数值范围作为节域Rp，如式(8)所示；
Figure BDA0002235643770000101
式中，Np为等级评价的全体；Xpi＝[api,bpi]为等级评价的全体Np关于评价指标Ci的取值范围；
d)计算关联函数及关联度Kj(xi)，如式(9)-(12)所示；
Figure BDA0002235643770000102
Figure BDA0002235643770000103
Figure BDA0002235643770000104
|Xij|＝bij-aij (12)
式中，ρ(xi,Xij)、ρ(xi,Xpi)为关联函数，即物元量xi到控制域Xij＝[aij,bij]、Xpi＝[api,bpi]的最短距离；
e)确定待评价单元Pk对各等级Nj的综合关联度Kj(Pk)，如式(13)所示；
Figure BDA0002235643770000105
式中，wi为第i项评价指标Ci的权重；Kj(Pk)为待评价单元Pk属于第j级评价结果Nj的综合关联度。
f)待评价单元Pk的等级评定。若Kj＝max{Kj(Pk)}，则Pk为第j级。当Kj(Pk)>0时，
表示评价单元超过标准对象上限，且数值越大越易于开发；当0<Kj(Pk)<1时，表示评价单元符合标准对象要求；当-1<Kj(Pk)<0时，表示评价单元不符合某级评价标准的要求，但具备转化为标准对象的条件，其绝对值越小，越易于转换；当Kj(Pk)<-1时，表示评价单元不符合某级评价标准的要求，且不具备转化为标准对象的条件。
g)根据评价结果确定心墙相变黏土的最优制备配比。
根据本发明的实施例的心墙相变黏土，其采用相变黏土作为筑坝材料。所述心墙相变黏土是由①黏土和②固-液相变材料以直接掺混方式制备，经碾压填筑形成心墙防渗体。其中，②固-液相变材料填充于①黏土孔隙，通过凝固过程中所释放的相变潜热，持续为低温暴露时段内的心墙土料补充损失热量，以达到施工过程中对心墙土料防冻控温的目的。利用所述②固-液相变材料对施工土料进行防冻控温，可以采用连续碾压填筑的施工方式，以减少覆盖保温措施对于心墙施工过程的干扰。采用所述心墙相变黏土作为堆石坝防渗体结构，应综合考虑黏土心墙的控温效果、防渗、强度等工作性能指标及经济性，以期在保证心墙施工过程中控温需求的基础上，不对填筑碾压成型后的相变黏土心墙的强度产生明显影响，并在一定程度上改善心墙的防渗性能。
根据本发明的第二个方面，本发明还提出一种上述心墙相变黏土的冬季施工方法，包括：
(1)采用前文所述固-液相变材料的具体组成及掺量确定方法，根据当地环境温度与实际控温需求，通过前文步骤(2)-(3)初拟固-液相变材料的设计选型与掺量；利用前文步骤(3)-(4)对相变黏土的工作性能进行检验；最后通过前文步骤(5)进行综合比选，确定心墙相变黏土的制备配比；
(2)向①黏土中加入②固-液相变材料，均匀搅拌，制备心墙相变黏土；
(3)对掺混后制备的心墙相变黏土按最优含水率进行加水拌和；
(4)将加水拌和后的心墙相变黏土加热至相变温度以上1-5℃，优选2-3℃，并对已制备的相变黏土进行保温处理；
(5)将加热后的心墙相变黏土及时运至现场，依据设计工况下的初始温度，对心墙相变黏土的入仓温度进行检测；
(6)向③心墙区填筑相变黏土至每层心墙土料的设计填筑厚度，并采用凸块振动碾进行连续碾压施工；
(7)填筑④坝体其他分区坝料至每层坝料的设计填筑厚度，一般与相变黏土心墙平起上升；
(8)重复步骤(2)-(7)直至坝体成型，或达到冬季施工期坝体形象面貌。
根据本发明的实施例的心墙相变黏土的施工方法，一方面，所述①黏土与②固-液相变材料可通过直接掺混方式制备，与后续碾压填筑过程相互独立，以保证心墙相变黏土可以提前制备，不影响施工连续性的保持；另一方面，利用②固-液相变材料的融化吸热特性，通过对拌和料进行预热，将补充热能以相变潜热的形式储存在②固-液相变材料中，待低温施工时段，通过②固-液相变材料凝固过程中的相变潜热释放为心墙土料持续提供稳定的热源补给。此外，利用填充于①黏土的孔隙中的②固-液相变材料的不透水性，通过②固-液相变材料封堵渗流通道，以形成致密的防渗体。
根据本发明的具体实施例，步骤(2)和步骤(3)中，所述心墙相变黏土采用强制式黏土搅拌机进行机械拌和。每盘拌和时间不小于50s，以保证固-液相变材料掺混后的心墙相变黏土能够均匀拌和，防止控温薄弱区与不均匀沉降的发生。
根据本发明的具体实施例，步骤(4)中，所述心墙相变黏土可采用红外加热或烘箱加热方式提升初始温度(见图3)以保证掺混后的心墙相变黏土的施工温度高于②固-液相变材料的相变温度，进而能够充分利用②固-液相变材料的相变潜热在低温施工时段为心墙土料供能。
根据本发明的具体实施例，步骤(5)中，所述心墙相变黏土填筑过程应为连续填筑，如因故停工，在复工前应将所述心墙相变黏土加热至所述②固-液相变材料的相变温度以上1-5℃，并洒水湿润，保持含水率在控制范围内，以保证②固-液相变材料的相变潜热能够被充分利用，使掺混后制备的心墙相变黏土具有显著的防冻控温效果。
步骤(6)中，所述相变黏土心墙每层坝料的设计填筑厚度一般为0.3m。

Claims (6)

1.一种用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土，其特征是，将心墙黏土和固-液相变材料进行直接混合，所述固-液相变材料填充于黏土的孔隙中，利用固-液相变材料凝固过程中所释放的相变潜热，在低温时段为心墙黏土提供补充热源；利用固-液相变材料的融化吸热特性，吸收利用环境热源或人工热源，在高温时段补充心墙黏土在低温暴露时段内的损失热量；利用固-液相变材料的不透水性，通过固-液相变材料封堵土体中的渗流通道。相变黏土用于黏土心墙堆石坝的心墙筑坝材料施工。
2.如权利要求1所述的用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土，其特征是，心墙相变黏土为固-液相变材料与心墙黏土以一定掺量经掺混制备的相变复合材料，心墙黏土为低液限黏土，质量占比为92.6％-96.2％，固-液相变材料为相变液体石蜡，其组分是低碳链正构烷烃C14C30，占比为80％-99％，其他正构烷烃CnC2n+2即直链碳原子数为11-18、少量带个别支链的烷烃、带长侧链的单环环烷烃占比为1％-20％，固-液相变材料占心墙相变黏土质量的3.8％-7.4％。
3.如权利要求1所述的用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土，其特征是，所述固-液相变材料的具体组成及掺量，应根据心墙的控温效果、防渗和强度工作性能指标需综合确定，具体的确定方法如下：
(1)根据实际控温需求，参照上述标准初步拟定固-液相变材料中低碳链正构烷烃C14C30占比及固-液相变材料掺量的备选配比，并利用热物性试验对以一定比例掺混后制备的心墙相变黏土的等效热物性参数进行标定，如相变温度、凝固相变潜热、焓值衰减率等；
(2)通过相变传热有限元分析方法，根据施工环境温度对设计工况下心墙相变黏土的控温方案进行数值模拟，通过表层土料最低温度与最大冻结深度等指标对心墙相变黏土的制备方案进行优化比选；
(3)通过多循环控温试验，验证由步骤(2)拟定的心墙相变黏土制备方案的实际控温效果，并结合三轴剪切试验、变水头渗透试验，对掺混后制备的心墙相变黏土的强度、防渗性能进行测试；
(4)如果黏土心墙的控温效果、防渗、强度等工作性能指标中有一项不满足规范要求，则需重新调整相变液体石蜡的组分及其掺量，重复步骤(1)-(3)，直至满足相关要求为止。
(5)在满足控温、强度和防渗符合规范施工要求的前提下，综合考虑经济性，合理确定制备心墙相变黏土所需固-液相变材料的具体的组成及掺量即制备配比，并标定心墙相变黏土的相变温度、凝固相变潜热、焓值衰减率等热物性参数。
步骤(2)中，相变传热有限元分析模型如下：
Figure FDA0002235643760000012
Figure FDA0002235643760000022
Figure FDA0002235643760000023
式中，k为心墙相变黏土的等效导热系数；T为t时刻深度为x处心墙相变黏土的温度；qgen为固-液相变材料的凝固相变放热量；qs为心墙相变黏土吸收的太阳辐射热量；qa为空气与心墙相变黏土之间的辐射换热量；qc为心墙相变黏土与空气之间的对流换热量；ρ为心墙相变黏土的等效密度；c为心墙相变黏土的等效比热；Q为固-液相变材料的凝固潜热；ρPCM为固-液相变材料的密度；vPCM为固-液相变材料的体积；vF为已发生凝固相变的相变材料的体积分数；αs为心墙相变黏土的太阳辐射吸收系数；td为日照持续时间；Qs为一天内日照的太阳总辐射量；ε为心墙相变黏土与空气间的辐射换热系数；σb为Stefan-Boltzmann常数；TaK为空气的绝对温度；TcK为心墙相变黏土表面的绝对温度；h为心墙相变黏土与空气之间的对流换热系数。
4.如权利要求1所述的用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土，其特征是，步骤(4)中，心墙相变黏土的工作性能综合评价模型采用物元可拓评价模型，具体如下：
a)根据心墙相变黏土的试验与数值模拟得到的控温、强度和防渗、经济性指标值，建立物元矩阵Rk，如式(6)所示：
Figure FDA0002235643760000024
式中，Pk为待评价单元，即制备配比方案；Ci为待评价单元的第i向特征，即控温、强度、防渗、经济性评价指标；Xi为评价指标Ci的量值；
b)以各评价等级关于对应指标Ci所属的数值范围作为经典域R，如式(7)所示：
Figure FDA0002235643760000025
式中，Nj为标准事物划分的第j个评价等级；Xij＝[aij,bij]为评价等级Nj关于评价指标Ci的取值范围；
c)以等级评价的全体关于对应评价指标Ci所属的数值范围作为节域Rp，如式(8)所示；
Figure FDA0002235643760000031
式中，Np为等级评价的全体；Xpi＝[api,bpi]为等级评价的全体Np关于评价指标Ci的取值范围；
d)计算关联函数及关联度Kj(xi)，如式(9)-(12)所示；
Figure FDA0002235643760000032
Figure FDA0002235643760000033
Figure FDA0002235643760000034
|Xij|＝bij-aij (12)
式中，ρ(xi,Xij)、ρ(xi,Xpi)为关联函数，即物元量xi到控制域Xij＝[aij,bij]、Xpi＝[api,bpi]的最短距离；
e)确定待评价单元Pk对各等级Nj的综合关联度Kj(Pk)，如式(13)所示；
Figure FDA0002235643760000035
式中，wi为第i项评价指标Ci的权重；Kj(Pk)为待评价单元Pk属于第j级评价结果Nj的综合关联度；
f)待评价单元Pk的等级评定。若Kj＝max{Kj(Pk)}，则Pk为第j级。当Kj(Pk)＞0时，表示评价单元超过标准对象上限，且数值越大越易于开发；当0＜Kj(Pk)＜1时，表示评价单元符合标准对象要求；当-1＜Kj(Pk)＜0时，表示评价单元不符合某级评价标准的要求，但具备转化为标准对象的条件，其绝对值越小，越易于转换；当Kj(Pk)＜-1时，表示评价单元不符合某级评价标准的要求，且不具备转化为标准对象的条件；
g)根据评价结果确定心墙相变黏土的最优制备配比方案。
5.一种用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土施工方法，其特征是，施工步骤如下：
(1)采用前文所述固-液相变材料的具体组成及掺量确定方法，根据当地环境温度与实际控温需求，通过前文步骤(2)-(3)初拟固-液相变材料的设计选型与掺量；利用前文步骤(3)-(4)对相变黏土的工作性能进行检验；最后通过前文步骤(5)进行合理确定心墙相变黏土的制备配比；
(2)向黏土中加入固-液相变材料，经均匀搅拌，制备心墙相变黏土；
(3)对掺混后制备的心墙相变黏土按最优含水率进行加水拌和；
(4)将加水拌和后的心墙相变黏土加热至相变温度以上1-5℃，优选2-3℃，并对已制备的相变黏土进行保温处理；
(5)将加热后的心墙相变黏土及时运至现场，依据设计工况下的初始温度，对心墙相变黏土的入仓温度进行检测；
(6)向心墙区填筑相变黏土至每层心墙土料的设计填筑厚度，并采用凸块振动碾进行连续碾压施工；
(7)填筑坝体其他分区坝料至每层坝料的设计填筑厚度，一般与相变黏土心墙平起上升；
(8)重复步骤(2)-(7)直至坝体成型，或达到冬季施工期坝体形象面貌。
6.如权利要求7所述的用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土施工方法，其特征是，步骤(2)和步骤(3)中，所述心墙相变黏土的拌和方式相同，且均采用强制式黏土搅拌机进行机械拌和，每盘拌和时间不小于50s；
步骤(4)中，所述心墙相变黏土可采用红外加热或烘箱加热方式提升初始温度；
步骤(5)中，所述心墙相变黏土填筑过程应为连续填筑。如因故停工，在复工前应将所述心墙相变黏土加热至所述固-液相变材料的相变温度以上1-5℃，并洒水湿润，保持含水率在控制范围内；
步骤(6)中，所述相变黏土心墙每层坝料的设计填筑厚度一般为0.3m。
CN201910982477.7A 2019-10-16 2019-10-16 用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土及其施工方法 Active CN110777737B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910982477.7A CN110777737B (zh) 2019-10-16 2019-10-16 用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土及其施工方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910982477.7A CN110777737B (zh) 2019-10-16 2019-10-16 用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土及其施工方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110777737A true CN110777737A (zh) 2020-02-11
CN110777737B CN110777737B (zh) 2021-08-27

Family

ID=69385547

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910982477.7A Active CN110777737B (zh) 2019-10-16 2019-10-16 用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土及其施工方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110777737B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111380906A (zh) * 2020-03-30 2020-07-07 大连理工大学 一种将冻土相变潜热转换为等效比热的精细化方法
CN114076638A (zh) * 2020-08-20 2022-02-22 北京振兴计量测试研究所 一种阈值材料的高温标定方法及设备

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN203947415U (zh) * 2014-07-07 2014-11-19 华东交通大学 一种含相变储能材料的控温防裂缝桥面板
CN106753261A (zh) * 2016-12-01 2017-05-31 上海电力学院 一种微胶囊相变材料及其制备方法
CN107265947A (zh) * 2017-06-29 2017-10-20 安徽理工大学 一种防温度裂缝的大体积水泥混凝土及其施工工艺
CN107675679A (zh) * 2017-09-12 2018-02-09 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 熔化石蜡应急封堵堤坝水下渗漏裂缝的方法与装置
WO2018140710A1 (en) * 2017-01-27 2018-08-02 Encapsys, Llc Encapsulates
CN109970400A (zh) * 2019-04-10 2019-07-05 中国矿业大学 寒区冬季主动吸收夏季保存冷量的材料及其制备与应用

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN203947415U (zh) * 2014-07-07 2014-11-19 华东交通大学 一种含相变储能材料的控温防裂缝桥面板
CN106753261A (zh) * 2016-12-01 2017-05-31 上海电力学院 一种微胶囊相变材料及其制备方法
WO2018140710A1 (en) * 2017-01-27 2018-08-02 Encapsys, Llc Encapsulates
CN107265947A (zh) * 2017-06-29 2017-10-20 安徽理工大学 一种防温度裂缝的大体积水泥混凝土及其施工工艺
CN107675679A (zh) * 2017-09-12 2018-02-09 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 熔化石蜡应急封堵堤坝水下渗漏裂缝的方法与装置
CN109970400A (zh) * 2019-04-10 2019-07-05 中国矿业大学 寒区冬季主动吸收夏季保存冷量的材料及其制备与应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王彩霞等: "中低温相变储热技术在供暖领域的研究应用", 《中外能源》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111380906A (zh) * 2020-03-30 2020-07-07 大连理工大学 一种将冻土相变潜热转换为等效比热的精细化方法
CN111380906B (zh) * 2020-03-30 2021-08-17 大连理工大学 一种将冻土相变潜热转换为等效比热的精细化方法
CN114076638A (zh) * 2020-08-20 2022-02-22 北京振兴计量测试研究所 一种阈值材料的高温标定方法及设备
CN114076638B (zh) * 2020-08-20 2023-10-13 北京振兴计量测试研究所 一种阈值材料的高温标定方法及设备

Also Published As

Publication number Publication date
CN110777737B (zh) 2021-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lai et al. A state-of-the-art review of sustainable energy based freeze proof technology for cold-region tunnels in China
Shen et al. Experimental thermal study of a new PCM-concrete thermal storage block (PCM-CTSB)
CN110777737B (zh) 用于冬季施工过程中防冻的心墙相变黏土及其施工方法
CN101104550A (zh) 一种建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆及其制备方法
CN102084064A (zh) 一种冻土区公路路基保护方法及路面结构
Li et al. Thermal dynamics of the permafrost active layer under increased precipitation at the Qinghai-Tibet Plateau
CN1234942C (zh) 复合温控通风路基
CN107870179A (zh) 用于测量沥青混凝土接触热阻的方法
CN101270572B (zh) 一种利用冷冻技术的大坝施工方法
Liu et al. Potential applications of phase change materials to extend the winter construction time of earth-rock dam in cold regions
Yu et al. Selection and testing of phase change materials in the physical models of buildings for heating and curing of construction elements made of precast concrete
Xie et al. The changing process and trend of ground temperature around tower foundations of Qinghai-Tibet Power Transmission line
Ren et al. Effects of freezing-thawing on the engineering performance of core wall soil materials of a dam in the process of construction
NL2034573B1 (en) Vertical buried pipe drilling backfill material suitable for ground source heat pump in karst area and preparation method thereof
CN104264702A (zh) 一种线路基础冬季施工的养护方法
Yu et al. The application of auto-temperature-controlled ventilation embankment in Qinghai-Tibet Railway
Zhang et al. Experimental and numerical study of heating embankment utilizing solar energy in seasonally frozen regions
Lu et al. Cooling and wetting of soil decelerated ground freezing–thawing processes of the active layer in Xing'an permafrost regions in Northeast China
Li et al. Optimum Selection of Structure Form and Materials for Highway Tunnel Insulation Layers
Liu et al. Numerical simulation of the anti-freezing performance of a phase change clay core-wall with loose covering
Zhang et al. Heat transfer characteristics of gravelly soils with different compactness during unidirectional freezing process
Qi et al. Effect of Subsoil Replacement in Frost-Sensitive Areas on the Frost Deformation of Channel
CN109970400A (zh) 寒区冬季主动吸收夏季保存冷量的材料及其制备与应用
Yu et al. Study on the Freeze‐Thaw Problems in the Winter Construction of the Lianghekou Earth‐Core Rockfill Dam and the Countermeasures for Prevention
Ren et al. Freeze–thaw process of backfill in a dam and its driving factors in seasonally frozen soil area

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant