STUDY ON THE FIELD MEASUREMENT METHOD OF ROCK THERMAL CONDUCTIVITY
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摘要:
导热系数是岩石重要的物理参数之一，其在地热能开发及岩土热工程应用中有着重要意义.目前的测试方法需要将岩样采回实验室进行表面加工，运输和加工过程会破坏岩石结构和影响含水率等，不仅测试工艺复杂，而且导致测试结果不准确.本研究提出一种现场获取岩石导热系数的新方法.利用导热耦合剂填充岩石表面与探头之间的接触面，减小测试过程中的接触热阻，辅助热物性测试仪器来开展野外导热系数测试工作.通过配制不同导热硅脂与不同铜粉掺量充分混合的导热耦合剂进行对比实验，确定导热耦合剂的最优配比.实验表明，导热耦合剂的涂抹能有效地减小探头与岩石表面的接触热阻，提高测试精度，且导热耦合剂本身对岩石的导热系数影响甚微.研究成果可为野外准确便捷地获得岩石导热系数提供参考.
Abstract:Thermal conductivity coefficient, as one of the important physical parameters of rock, is of great significance in geothermal energy development and geotechnical thermal engineering application. The current test method requires the collected rock samples to be processed in the laboratory. The transportation and processing can damage the rock structure and affect the water content. It needs a complex test process, and yields inaccurate results. This study proposes a new test method to obtain the thermal conductivity coefficient of rock on site. The contact surface between rock surface and probe is filled with thermal coupling agent to reduce thermal contact resistance during the test process, and the field thermal conductivity test is carried out with the aid of the thermophysical property tester. The optimal ratio of thermal coupling agent is determined by the comparison experiment of preparing thermal coupling agents by fully mixing different amounts of thermally conductive silicone grease and copper powder. The experiment shows that the application of thermal coupling agent can effectively reduce the thermal contact resistance between probe and rock surface, and improve the test precision. Moreover, the thermal coupling agent itself has little effect on the thermal conductivity coefficient of rock. The research results can provide reference for obtaining thermal conductivity coefficient of rock accurately and conveniently in the field.
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表 1 常见导热填料的导热系数
Table 1. Thermal conductivity coefficient of common conductive fillers
材料名称 导热系数/〔W/(m·K)〕 材料名称 导热系数/〔W/(m·K)〕 纯铝 236 AlN 300 纯铜 398 Al2O3 36 银 427 石墨 105~243 锌 121 金刚石 2000 
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表 2 导热硅脂信息
Table 2. Features of thermal conductive silicone grease
导热胶编号 名称 生产厂家 密度/(g/cm3) 工作温度/℃ 导热系数/〔W/(m·K)〕 第一类 导热硅脂 奥斯邦(中国)有限公司 2 -60~+300 1 第二类 导热硅脂 无锡市科朗电子材料有限公司 2.3 -50~+200 2.5 第三类 银硅脂 梓宏数码专营店 2 -30~+280 4.15
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表 3 岩石基本物理参数
Table 3. Basic physical parameters of rock
编号 岩性 导热系数/ 〔W/(m·K)〕 体积比热/ 〔106 J/(m3·K)〕 密度/ (g/cm3) 孔隙率/% 1 C灰岩 2.89 2.14 2.68 0.74 2 S粉砂岩 2.32 1.69 2.62 13.11 3 D石英砂岩 3.45 1.81 2.65 6.42
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表 4 导热耦合剂制备
Table 4. Preparation of thermal coupling agents
导热硅脂编号 导热硅脂与铜粉质量比 第一类 100 : 30 100 : 40 100 : 50 第二类 100 : 30 100 : 40 100 : 50 第三类 100 : 30 100 : 40 100 : 50
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表 5 粉砂岩导热系数测试结果
Table 5. Test results of the thermal conductivity coefficient for siltstone
导热胶种类 测试条件 导热系数/ 〔W/(m·k)〕 相对误差 无 粗糙表面 1.69 -27.16% 第一类 粗糙表面+100: 30导热耦合剂 2.65 14.22% 粗糙表面+100: 40导热耦合剂 2.85 22.84% 粗糙表面+100: 50导热耦合剂 2.45 5.60% 第二类 粗糙表面+100: 30导热耦合剂 2.98 28.45% 粗糙表面+100: 40导热耦合剂 2.94 26.72% 粗糙表面+100: 50导热耦合剂 2.99 28.88% 第三类 粗糙表面+100: 30导热耦合剂 2.18 -6.03% 粗糙表面+100: 40导热耦合剂 2.13 -8.19% 粗糙表面+100: 50导热耦合剂 2.22 -4.31% 无 平整表面 2.32
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表 6 灰岩导热系数测试结果
Table 6. Test results of the thermal conductivity coefficient for limestone
导热胶种类 测试条件 导热系数/ 〔W/(m·k)〕 相对误差 无 粗糙表面 1.60 -44.64% 第一类 粗糙表面+100: 30导热耦合剂 2.68 -7.27% 粗糙表面+100: 40导热耦合剂 2.74 -5.19% 粗糙表面+100: 50导热耦合剂 2.71 -6.23% 第二类 粗糙表面+100: 30导热耦合剂 3.05 5.54% 粗糙表面+100: 40导热耦合剂 2.94 1.73% 粗糙表面+100: 50导热耦合剂 2.98 3.11% 第三类 粗糙表面+100: 30导热耦合剂 2.39 -17.30% 粗糙表面+100: 40导热耦合剂 1.78 -38.41% 粗糙表面+100: 50导热耦合剂 2.51 -13.15% 无 平整表面 2.89
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表 7 石英砂岩导热系数测试结果
Table 7. Test results of the thermal conductivity coefficient for quartz sandstone
导热胶种类 测试条件 导热系数/ 〔W/(m·k)〕 相对误差 无 粗糙表面 2.96 -14.20% 第一类 粗糙表面+100: 30导热耦合剂 4.09 18.55% 粗糙表面+100: 40导热耦合剂 3.9 13.04% 粗糙表面+100: 50导热耦合剂 3.6 4.35% 第二类 粗糙表面+100: 30导热耦合剂 4.47 29.57% 粗糙表面+100: 40导热耦合剂 5.06 46.67% 粗糙表面+100: 50导热耦合剂 4.95 43.48% 第三类 粗糙表面+100: 30导热耦合剂 4.14 20.00% 粗糙表面+100: 40导热耦合剂 4.09 18.55% 粗糙表面+100: 50导热耦合剂 3.84 11.30% 无 平整表面 3.45
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表 8 导热耦合剂影响测试结果
Table 8. Test results under the effect of thermal coupling agents
样品岩性 测试条件 导热系数/ 〔W/(m·k)〕 相对误差 粉砂岩 平整表面 2.32 5.17% 平整表面+100: 50导热耦合剂 2.44 灰岩 平整表面 2.89 1.04% 平整表面+100: 50导热耦合剂 2.92 石英砂岩 平整表面 3.45 4.93% 平整表面+100: 50导热耦合剂 3.62
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[1] Midttømme K, Roaldset E, Aagaard P. Thermal conductivity of selected claystones and mudstones from England[J]. Clay Minerals, 1998, 33(1):131-145. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=000985598545327
[2] 许模, 王迪, 蒋良文, 等.岩土体导热系数研究进展[J].地球科学与环境学报, 2011, 33(4):421-427, 433. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/xagcxyxb201104015
[3] 欧新功, 金振民, 王璐, 等.中国大陆科学钻探主孔100~2000 m岩石热导率及其各向异性:对研究俯冲带热结构的启示[J].岩石学报, 2004, 20(1):109-118. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ysxb98200401004
[4] Bloomer J R. Thermal conductivities of mudrocks in the United Kingdom[J]. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 1981, 14(4):357-362.
[5] Sundberg J, Back P E, Ericsson L O, et al. Estimation of thermal conductivity and its spatial variability in igneous rocks from in situ density logging[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2009, 46(6):1023-1028. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=21bee49ad673c16055bb87518bbfa0bb
[6] Moench A F, Evans D D. Thermal conductivity and diffusivity of soil using a cylindrical heat source[J]. Soil Science Society of America Journal, 1970, 34(3):377-381.
[7] Menberg K, Steger H, Zorn R, et al. Determination of thermal conductivity in the subsurface using laboratory and field experiments and theoretical models[J]. Grundwasser, 2013, 18(2):103-116. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=576d3c8deb8657c89989f14b7f15a785
[8] Blázquez C S, Martín A F, Nieto I M, et al. Thermal conductivity map of the Avila region (Spain) based on thermal conductivity measurements of different rock and soil samples[J]. Geothermics, 2017, 65:60-71. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=551931015bdf03e8aa88f11f921071dc
[9] Çanakci H, Demirboğa R, Karakoç M B, et al. Thermal conductivity of limestone from Gaziantep (Turkey)[J]. Building and Environment, 2007, 42(4):1777-1782. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=bb82ba99adfb4793e4c9415e857c2381
[10] Stylianou I I, Tassou S, Christodoulides P, et al. Measurement and analysis of thermal properties of rocks for the compilation of geothermal maps of Cyprus[J]. Renewable Energy, 2016, 88:418-429. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=1c80ce9d90d2bb85b981a425489da189
[11] 张平, 宣益民, 李强.界面接触热阻的研究进展[J].化工学报, 2012, 63(2):335-349. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hgxb201202001
[12] 许强.导热硅橡胶的制备和性能研究[D].济南: 山东大学, 2010.
[13] 刘汉, 吴宏武.填充型导热高分子复合材料研究进展[J].塑料工业, 2011, 39(4):10-13. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=slgy201104003
[14] Wang L, Li F P, Su Z T. Effective thermal conductivity behavior of filled vulcanized perfluoromethyl vinyl ether rubber[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2008, 108(5):2968-2974. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=10.1002/app.27612
[15] 韩志慧, 刘传超, 范和平.导热绝缘胶粘剂的研究进展及其在金属基板上的应用[C]//CPCA2011春季国际PCB技术/信息论坛论文集.上海: 中国印制电路行业协会, 2011: 9-16.
[16] 王秀丽.高性能热界面材料的制备与接触热阻实验研究[D].南京: 南京理工大学, 2014.
[17] 周文英, 齐暑华, 李国新, 等.导热胶粘剂研究[J].材料导报, 2005, 19(5):26-29, 33. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgjnj200611006
[18] 张捷.界面处理对材料导热性能影响的研究[D].南京: 南京航空航天大学, 2015.
[19] 乔宇, 骆进, 项伟, 等.秭归地区陆源碎屑岩导热系数试验研究[J].地质科技情报, 2019, 38(1):82-89. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/dzkjqb201901009
[20] 谢华清, 王锦昌, 程曙霞, 等.热针法测量材料导热系数研究[J].应用科学学报, 2002, 20(1):6-9. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yykxxb200201002
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图(6)
表(8)
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