本发明涉及一种橡胶-砂轻质填料的导热系数确定方法，属于土木工程中的岩土工程地下回填材料热学参数确定技术领域。
背景技术：
根据统计，由于车辆的快速增长，每年大约有15亿吨废旧轮胎被清除。大量废旧轮胎被放置在储存库和垃圾填埋场，它们占据了大量的土地资源，而其余的大部分都被燃烧销毁，没有得到有效的利用，造成大量的热能和有毒烟雾污染，对人类健康和周围环境产生了严重的威胁。目前，废旧轮胎的日益增长引起了人们对回收和再利用的关注。解决废旧轮胎的问题仍然是迫切需要解决的问题。近年来，轮胎颗粒由于具有良好的工程特性(高弹性、低比重、高耐久性)，在许多岩土工程中得到了成功的应用，如路基回填、填埋场、排水建筑物、挡水加固、沥青路面和土质边坡的稳定化、防水系统的利用等。从可持续发展的角度出发，轮胎颗粒与砂的混合物作为回填材料，可以消耗大量来自储存或填埋场的废废旧轮胎，进一步减少环境污染，提高环境效益。
随着社会和经济的发展，很多涉及轻质填料的工程技术问题的设计和研究都需要事先确定其热物理参数，例如石油天然气管道埋设、高压地下电缆布置、高放射性废物的储存、地下建筑物的绝缘设计、地下换热器系统布置等。轻质回填材料在地基处理、管道保护、能量吸收、减振等方面具有一定的应用潜力。只有掌握了轻质回填材料热物理参数，才能准确预测热管道、高压电缆、地下换热器等地下工程周围的温度场，保证地下工程热结构稳定性分析和隔热层设计的安全性，能进一步预测地下热结构对周围土层或相邻地下建筑物的热力学影响，为相邻地下热结构建筑物或设备隔热层厚度的设计提供安全设计参数。然而，与纯砂回填料不同，由于橡胶颗粒存在一定的保温作用，橡胶-砂混合对地热相关结构周围的传热产生不同的影响，反之会影响这些结构的设计。目前，国内还没有橡胶-砂轻质填料导热系数确定方法。
至今为止，国内外已有大量的专家学者对岩土材料的导热系数进行了深入的研究和探讨，并取得了不少的成果。但是，还没有确定橡胶-砂轻质填料导热系数的方法，利用砂导热系数确定方法的过程很繁琐，国内相关规范以表格的形式仅列举了草炭粉质粘土、粉土-粉质粘土、碎石粉质粘土和砂砾等4种典型土在不同干密度和含水率条件下的导热系数，但并未涉及砂颗粒大小与含砂率对导热系数的影响。典型的导热系数可以采用对规范数据进行内插法或外延法确定，而其他类土导热系数取值则没有可靠依据。此外，导热系数是控制岩土材料在地热应用中传热过程的代表性热参数。因此，研究橡胶-砂轻质回填料的导热系数可以为地热相关工程结构提供重要的热学参数。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种橡胶-砂轻质填料的导热系数确定方法，以利于简便、快捷地计算橡胶-砂轻质填料的导热系数。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种橡胶-砂轻质填料的导热系数确定方法，包括如下步骤：
步骤1，根据砂颗粒筛分试验，将试验用砂分为细砂颗粒、中砂颗粒与粗砂颗粒；
步骤2，根据提前确定的不同含水率与不同含砂率，将细砂颗粒、中砂颗粒与粗砂颗粒分别与橡胶颗粒进行混合，得到橡胶-细砂试样、橡胶-中砂试样与橡胶-粗砂试样，采用静压力设备对各试样进行压缩，获取各试样的干密度；
步骤3，根据热探针设备得到各试样的导热系数实测值，基于多元线性回归方法对含水率、含砂率、干密度以及导热系数实测值进行回归分析，得到关于含水率、含砂率与干密度这三个参数的导热系数预测经验公式如下：
当轻质填料为橡胶-细砂时，
λ＝-0.21922+0.70204sf+2.23429w+0.09133ρd
当轻质填料为橡胶-中砂时，
λ＝-0.19363+0.86823sf+2.45905w+0.05535ρd
当轻质填料为橡胶-粗砂时，
λ＝-0.02929+0.63099sf+2.80857w+0.04517ρd
其中，λ为导热系数，单位w/(℃·m)；sf为含砂率，单位％；w为含水率，单位％；ρd为干密度，单位g/cm3。
作为本发明的一种优选方案，步骤3所述根据热探针设备得到各试样的导热系数实测值之前，需要对热探针设备进行60秒的热平衡处理。
作为本发明的一种优选方案，步骤2所述提前确定的不同含水率分别为2％、4％、6％、8％、10％与12％。
作为本发明的一种优选方案，步骤2所述提前确定的不同含砂率分别为2％、4％、6％与8％。
作为本发明的一种优选方案，步骤1所述细砂颗粒、中砂颗粒与粗砂颗粒的粒径大小范围分别为0.075mm-0.25mm、0.25mm-0.5mm与0.5mm-2mm。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明可以简便、快捷地确定橡胶-砂轻质填料在任意含砂率、含水率与干密度和下的导热系数，为地下热工程温度场的计算和结构设计提供准确的导热系数数值。
2、本发明克服了在运用固定的经验导热系数值模拟轻质填料温度场计算的不足，使得温度场模拟计算更贴近实际。
3、本发明保证地下工程热结构稳定性分析和隔热层设计的安全性，能进一步预测地下热结构对周围土层或相邻地下建筑物的热力学影响，为相邻地下热结构建筑物或设备隔热层厚度的设计提供安全设计参数。
具体实施方式
下面结合实例和附表详细描述本发明的实施方式，所述实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明的砂橡胶-砂轻质填料的导热系数确定方法原理是：将橡胶颗粒和砂颗粒按既定的颗粒大小、含砂率、含水率与干密度配成不同的试样，用热探针法分别测试试样的导热系数，用origin数据分析软件，基于多元线性回归方法对试验参数进行回归分析，从而得到关于含砂率、含水率与干密度的导热系数预测经验公式。
本发明的橡胶-砂轻质填料的导热系数确定方法，该方法包括以下步骤：
(1)根据砂颗粒筛分试验得出，将试验用砂分为细砂(0.075mm-0.25mm)、中砂(0.25mm-0.5mm)与粗砂(2mm-0.5mm)。
(2)据不同橡胶-砂试样的含砂率、含水率与干密度试验参数；采用origin数据分析软件，基于多元线性回归方法分析对试验参数进行回归分析，从而得到关于含砂率、含水率与干密度的三个参数的导热系数预测经验公式：
橡胶-细砂轻质填料
λ＝-0.21922+0.70204sf+2.23429w+0.09133ρd
橡胶-中砂轻质填料
λ＝-0.19363+0.86823sf+2.45905w+0.05535ρd
橡胶-粗砂轻质填料
λ＝-0.02929+0.63099sf+2.80857w+0.04517ρd
式中，λ为导热系数，单位w/(℃·m)；sf为含砂率，单位％；w为含水率，单位％；ρd为干密度，单位g/cm3。
按上述方案，土样的制备如下：
(1)根据砂颗粒筛分试验，将试验用砂分为细砂、中砂与粗砂。
(2)采用废旧轮胎粉碎机，得到不同粒径橡胶颗粒。
(3)将试验分为三组，分别为橡胶-细砂试样、橡胶-中砂试样与橡胶-粗砂试样，根据提前确定的含水率与含砂率，将砂颗粒与橡胶颗粒混合，装入到有机透明圆柱筒内，采用静压力设备对橡胶砂混合物压缩，获取不同压实度的橡胶-砂试样，用保鲜膜包裹起来，放到恒温室内12h备用。
本发明的橡胶-砂混合物试样的导热系数确定方法具体步骤如下：
(1)根据砂颗粒筛分试验，将试验用砂分为细砂(0.075mm-0.25mm)、中砂(0.25mm-0.5mm)与粗砂(0.5mm-2mm)。
(2)采用废旧轮胎粉碎机，得到橡胶颗粒，粒径大小为0.1mm-3mm。
(3)将试验分为三组，分别为橡胶-细砂试样、橡胶-中砂试样与橡胶-粗砂试样，根据提前确定的含水率与含砂率，含水率分别为2％、4％、6％、8％、10％与12％，含砂率分别为2％、4％、6％与8％。将砂颗粒与橡胶颗粒混合，装入到有机透明圆柱筒内(内直径为75mm，外直径77mm，高度150mm)，采用静压力设备对橡胶砂混合物压缩，获取不同干密度的橡胶-砂试样，干密度数值详见橡胶-砂轻质填料导热系数计算表1-3，用保鲜膜包裹起来，放到恒温室内12h备用，使其内部水分趋于均匀。
(4)通过贯入装置将热探针由试样中心垂直、缓慢插入，贯入过程应避免造成对试样的破坏。由于热探针直径较小，插入样品时可忽略对试样的压紧作用。测试开始前需要对热探针进行热平衡处理，探针由室内进入试样需要一定的时间以适应温度的变化，热探针测试设备的热平衡时间为60s，经过60s后，开始进行土体导热系数测试，整个测试过程由仪器自动完成，持续时间为300s。测试结果要求标准偏差小于0.1，若偏差大于此要求则需检查仪器设备重新测量。
(5)将测得的所有橡胶-砂轻质填料导热系数汇总，并整理成图表，观察其变化规律。
(6)对影响导热系数的三个因素即含砂率、含水率与干密度进行显著性分析。显著性分析结果显示，橡胶-砂轻质填料的导热系数与含砂率、含水率与干密度相关性较高。
(7)依据显著性分析结果，采用多元线性回归分析法分析数据推导出三种砂颗粒范围下的橡胶-砂轻质填料导热系数的经验公式：
橡胶-细砂轻质填料
λ＝-0.21922+0.70204sf+2.23429w+0.09133ρd
橡胶-中砂轻质填料
λ＝-0.19363+0.86823sf+2.45905w+0.05535ρd
橡胶-粗砂轻质填料
λ＝-0.02929+0.63099sf+2.80857w+0.04517ρd
式中，λ为导热系数，单位w/(℃·m)；sf为含砂率，单位％；w为含水率，单位％；ρd为干密度，单位g/cm3。
表1橡胶-细砂轻质填料根据经验公式得出的计算结果
表2橡胶-中砂轻质填料根据经验公式得出的计算结果
表3橡胶-粗砂轻质填料根据经验公式得出的计算结果
计算导热系数与实测导热系数进行对比，对橡胶-细砂轻质填料，有71％的数据误差在10％以下，89％的数据误差在20％以下；对橡胶-中砂轻质填料，有82％的数据误差在10％以下，98％的数据误差在20％以下；对橡胶-粗砂轻质填料，有67％的数据误差在10％以下，93％的数据误差在20％以下，表明计算数据接近实测数据，经验公式应用于工程实践中可以更有效、更快速地确定出橡胶-砂轻质回填料的导热系数，具有一定的实践意义。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。