一、试验目的

土的冻结本质是孔隙水结晶过程，其冻结温度是判别土体是否进入冻结状态的关键指标。由于土颗粒表面能束缚及化学成分影响，土中水分冻结温度低于纯水（0℃）。本试验通过测定土体冻结时的温度变化，确定土中水的冻结温度，为寒区工程设计（如地基处理、道路防冻等）提供基础参数。

二、试验原理

1冻结过程三阶段

过冷阶段：土体冷却至初始温度，孔隙水未形成冰晶，持续时间长短取决于含水量及冷却速率。

结晶阶段：冰晶形成并释放潜热，导致土体温度急剧上升（热电势突然减小）。

恒定阶段：冰晶持续生长，土体温度稳定在冻结温度（热电势稳定）。

温度曲线特征（图T 0184-2）：

•跳跃：热电势突然减小，标志冰晶形成；

•稳定：连续三次热电势稳定在同一数值，即为冻结温度。

2冻结温度影响因素

•土颗粒分散度（黏土＞粉土＞砂土）；

•孔隙水化学成分（含盐量越高，冻结温度越低）；

•外加载荷（压力增大会降低冻结温度）。

三、仪器设备

1测温系统

•热电偶测温法（常规配置）：

•零温瓶：储存低温参考端（通常为冰水混合物，0℃）；

•低温瓶：提供稳定低温环境（如酒精-干冰混合液，可达-20℃以下）；

•热电偶：高精度温度传感器，插入土样中监测温度变化；

•数字表：实时显示热电势并转换为温度值。

•贝克曼温度计法（替代方案）：

•分辨率0.05℃，量程-10~+20℃；

•可省略零温瓶、低温瓶及数字表，直接读取温度值。

2其他设备

•恒温水槽：用于预冷土样至初始温度（通常为1~5℃）；

•冷却装置（如酒精-干冰浴）：提供低于0℃的冷却环境；

•试样容器：导热良好的金属或有机玻璃盒，内径100mm，高度100mm；

•数据记录仪（可选）：自动记录温度随时间变化曲线。

四、试验步骤

1试样制备

原状土：按自然沉积方向取出土样，削成直径100mm、高度100mm的圆柱体，称量密度并测定初始含水率。

扰动土：风干土样过筛（2mm筛），加纯水拌匀至目标含水率，分层击实至高度100mm。

2试样安装

将试样装入试样容器，表面覆盖滤纸以减少水分蒸发；

插入热电偶（或贝克曼温度计），热电偶端部需置于试样中心位置；

将试样容器置于冷却装置（如酒精-干冰浴）中，连接零温瓶与数字表（若用热电偶法）。

3温度控制与监测

初始温度设定：将试样预冷至1~5℃（模拟自然地温）；

冷却速率控制：通过调节冷却装置（如酒精-干冰比例）控制降温速率（建议0.5~1℃/min）；

温度监测：

•热电偶法：记录热电势变化，每10s读取一次数据；

•贝克曼温度计法：直接观察温度值，每1min记录一次。

4冻结过程判定

过冷阶段：温度持续下降，无结晶现象；

结晶阶段：热电势突然减小（或温度急剧上升），标志冰晶形成；

恒定阶段：热电势连续三次稳定在同一数值（或温度波动≤0.05℃），记录该值为冻结温度。

终止条件：连续三次稳定温度后，试验结束。

五、数据记录与计算

1数据记录表

注：若用热电偶法，需根据标定曲线将热电势转换为温度值。

2冻结温度确定

•取热电势连续三次稳定的数值（或贝克曼温度计读数）作为冻结温度（单位：℃）。

六、注意事项

冷却速率控制：

•降温过快可能导致过冷深度增大，影响冻结温度准确性；

•建议通过预试验确定最佳冷却速率（如0.5℃/min）。

热电偶安装：

•确保热电偶端部与试样中心紧密接触，避免接触不良导致数据误差；

•使用导热硅脂填充热电偶与试样间的空隙，提高导热效率。

环境干扰：

•试验过程中避免振动或气流扰动（如关闭实验室门窗）；

•远离热源（如暖气、阳光直射），防止环境温度波动影响冷却效果。

重复性验证：

•每组试验至少进行3次重复，冻结温度极差应≤0.2℃，否则需重新试验。

七、试验报告内容

土样基本信息（类型、初始密度、含水率、取样位置）；

试验条件（冷却速率、初始温度、终止条件）；

原始数据记录表（时间、热电势、温度）；

冻结温度计算结果（平均值、极差）；

温度曲线图（标注过冷、结晶、恒定阶段）。

编制单位：河北天棋-冻土检测技术研究所

发布日期：2025年7月1日星期二