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砾质土料施工防冻控温提供了借鉴。
相变材料根据相变形式可分为固－ 固相变材料、固 － 液相变材料、固 － 气相变材料、液 － 气相变材
料，由于固－ 气相变材料和液－ 气相变材料在相变过程中体积变化较大且易流失，固 － 固相变材料与其
他建筑材料结合性差，固－ 液相变材料由于其稳定的相变温度和较小的体积变化成为经济实用的储能
研究材料。石蜡基有机固－ 液相变材料在相变过程中无过冷无相分离、相变过程可逆，性能稳定、无
毒及价格便宜等优点成为理想的相变储能材料。本文采用石蜡基 ＰＣＭ 制备心墙相变砾质土，开展其
工程特性、热学控温性能试验及传热数值模拟，验证相变砾质土作为心墙坝料及心墙冬季施工控温的
可行性。本研究可为改善高心墙砾质土料冬季防冻性能、延长心墙冬季施工时间提供一种潜在途径。

２ 相变砾质土工程特性及热学试验

２．１ 试验材料 试验所用黏土取自两河口砾质心墙堆石
坝工程，剔除 ２ｍｍ以上粒径的土颗粒，测得黏土的液限
为 ２９．７６％，塑限为 １７．４６％，塑性指数为 １２．３，土性为低
液限黏土。试验所用砾石为人工碎石，剔除 ２ｍｍ以下及
２０ｍｍ以上粒径的碎石。试验土料是掺砾量为 ４０％的砾
质黏土，其 颗 粒 级 配 曲 线 如 图 １所 示，颗 粒 级 配 满 足
《碾压式土石坝设计规范》 中防渗体砾石土要求。
本文相变材料用于防止心墙土料冻结，其相变温度
应略高于冰点（ ０℃） ［２３］ ，故选取相变温度为 ５℃的石蜡 图 １ 颗粒级配曲线
作为相变材料，具有高潜热、无过冷现象、环境友好、性质稳定、使用寿命长等特点 ［２４］ 。试验所选用
的石蜡基 ＰＣＭ主要成分为正十四烷，外观无色、无味，相变温度在 ５℃附近，相变潜热为 １９３．３Ｊ?ｇ。
２．２ 试样制备 通过直掺法制备相变砾质土，ＰＣＭ 掺量（ＰＣＭ 质量与砾质土质量之比）分别取 ０％、
４％和 ６％。按照压实度 ９７％的最大干密度和最优含水率进行制样。根据试样尺寸确定各组分材料质
量，先将砾石和黏土搅拌均匀后，再加入 ＰＣＭ搅拌均匀，待 ＰＣＭ充分被土样吸附后，再加水至搅拌
均匀，最后通过静压分层制样成型。
２．３ 相变砾质土工程特性试验结果
２．３．１ 击实试验及渗透试验结果 选择 ＰＣＭ掺量 ４％和 ６％作为试验组，未掺 ＰＣＭ的砾质土作为对照
组。采用重型击实试验，确定不同 ＰＣＭ 掺量下相变砾质土的最大干密度和最优含水率。击实试验结
果如表 １所示，相变砾质土的最大干密度和最优含水率随 ＰＣＭ掺量增加而降低。
２．３．２ 渗透试验结果 随着 ＰＣＭ 掺量的增加，渗透系
数不断降低，见表 １。石蜡基 ＰＣＭ 会填充 孔 隙，造 成
孔隙变窄或堵死孔隙，从而砾质土有效孔隙率减少 ［２５］ ，
渗流通道减少，渗透系数显著下降；此外，ＰＣＭ 的 疏
水性导致孔隙中 ＰＣＭ会阻碍水的迁移 ［２６］ ，从而渗透系
数下降。可 见，ＰＣＭ 掺 入 能 够 提 高 砾 质 土 的 抗 渗 性，
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渗透系数小于 １０ ｃｍ·ｓ ，满足 《碾压式土石坝设计
规范》 对心墙的防渗功能要求。
２．３．３ 无侧限抗压强度试验结果 图 ２为 ０％、４％和
６％ＰＣＭ掺量下试样无侧限抗压强度试验的应力 － 应变
图 ２ 不同 ＰＣＭ掺量下相变砾质土应力－ 应变曲线
曲线。可知，在本文研究的 ＰＣＭ掺量内，随着 ＰＣＭ 掺
量的增加，抗压强度随之上升；相变砾质土的塑性下降，脆性上升；变形模量随 ＰＣＭ 掺量增加而增
加。试验结果见表 １。

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