基于石墨混凝土的能源樁傳熱特性強(qiáng)化研究

隋智力，趙春雷，李慶文，孟媛，張祥勇，李文利

(1.北京城市學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)部， 北京 100083；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083；3.中國新興建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司， 北京 100039)

0 引言

能源樁是地源熱泵應(yīng)用的一種新形式，它將地下?lián)Q熱器融合到建筑結(jié)構(gòu)的地基基礎(chǔ)中。相較于傳統(tǒng)地源熱泵，能源樁減少了單獨(dú)鉆孔及埋管回填的步驟，降低了工程成本。同時利用了樁體自身混凝土作為導(dǎo)熱材料，較傳統(tǒng)地源熱泵回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)更高，熱阻更低，傳熱效率更高。將埋管置于建筑樁基中，大大減小了地下空間的占用，有著極大的推廣前景。

能源樁樁體的直徑較大，其內(nèi)部埋管換熱器的幾何形式豐富。同時，樁體內(nèi)部進(jìn)行的換熱過程對能源樁最終的換熱量有著很大的影響[1-5]。因此，提高能源樁工作效率，研究能源樁換熱過程中溫度場及力學(xué)響應(yīng)，并對能源樁傳熱強(qiáng)化與力學(xué)強(qiáng)度開展研究對于提高能源樁工作效率與結(jié)構(gòu)安全有重要的意義[6-7]。能源樁的換熱效率受到例如管徑、埋管形式、管內(nèi)流體流速、樁體材料等多方面因素影響[8-17]，而目前對于能源樁傳熱的研究，主要仍從傳熱計算、傳熱過程、樁體承載力、溫度場分布等方面開展[18-21]，對于增強(qiáng)能源樁傳熱特性的樁體材料研究較為有限。然而，通過添加一定高導(dǎo)熱系數(shù)物質(zhì)來提高能源樁工作效率是切實(shí)可行的方案。因此，本文從樁體材料方面著手，對提升能源樁換熱效率進(jìn)行研究，通過添加高導(dǎo)熱系數(shù)的石墨粉制備石墨混凝土并研究其導(dǎo)熱性能和力學(xué)性質(zhì)。通過使用COMSOL數(shù)值模擬軟件驗(yàn)證其對能源樁傳熱的強(qiáng)化效果。

1 石墨混凝土的制備

本實(shí)驗(yàn)采用青島天盛達(dá)公司生產(chǎn)的32目大鱗片石墨粉，其主要化學(xué)成分為C(含碳量99 %)，以及少量的Al2O3、MgO、CaO等成分。配合比的選擇嚴(yán)格參考《普通混凝土設(shè)計規(guī)程》[22]中對最大水膠比與最小用水量、水泥用量、砂率等指標(biāo)的設(shè)計方法，設(shè)計強(qiáng)度C40。同時考慮到石墨混凝土要求一定的流動性與坍落度，選用坍落度為55～70 mm的配合比進(jìn)行設(shè)計(圖1-a)。水泥采用標(biāo)準(zhǔn)P.O 42.5，其比重為3∶1，初凝時間不早于45 min，終凝時間不遲于12 h。選用中砂(黃砂)，砂率為33 %，水膠比為0.41。將石墨看作細(xì)骨料替代砂子，設(shè)計4組0 %，2 %，5 %，8 %不同體積比含量的石墨進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。依據(jù)《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[23]，并根據(jù)試驗(yàn)確定聚羧酸減水劑用量，將母液與水充分混合之后再倒入水泥砂子中進(jìn)行攪拌。配合比見表1。

表1 石墨混凝土試塊配合比

采用人工手拌的方式，先將減水劑母液加入一定量水中形成減水劑溶液，再將石墨、砂、水泥拌和均勻后，加入一定量溶液繼續(xù)攪拌。待出漿后加入石子和剩余水進(jìn)行攪拌。拌和完成后立即測量塌落度，保證其滿足和易性要求。

混凝土拌和完成后裝入試模里，為了防止有氣泡在試件內(nèi)部形成，需要用搗棒從邊緣向中間進(jìn)行搗實(shí)，用其余的混凝土填補(bǔ)后使用刮刀刮平。貼上標(biāo)簽放入室內(nèi)，靜置24 h后拆模，試塊(圖1)尺寸為100 mm×100 mm×100 mm[圖1(b)]，放入標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱[圖1(c)]。

(a) 坍落度測試示意圖

2 石墨混凝土性能測試

2.1 石墨混凝土導(dǎo)熱性能測試

試驗(yàn)采用DRE-III多功能導(dǎo)熱系數(shù)測試儀進(jìn)行測定，測量探頭材料為金屬鎳，使用溫度：-50～150 ℃，最大功率為10 w，最大電壓為20 V，最大電流1 A，電阻為10 Ω。探頭總厚度，包括黏結(jié)層為(0.16±0.02)mm，測試時先用石英玻璃標(biāo)定，其結(jié)果見表2。

表2 不同石墨含量混凝土導(dǎo)熱系數(shù)

根據(jù)測量結(jié)果，繪制了石墨含量與試塊導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系曲線，如圖2。

由圖2可知，當(dāng)石墨含量在0～2 %的區(qū)間時，其導(dǎo)熱性能增長較緩，石墨含量達(dá)到2 %以后導(dǎo)熱系數(shù)持續(xù)快速增加。這是因?yàn)槭珒?nèi)部的碳原子有剩余電子，與相鄰平面上碳原子的剩余電子作為電子云存在于網(wǎng)狀平面之間，使石墨具有良好的導(dǎo)熱性，石墨的導(dǎo)熱性在室溫下具有非常高的導(dǎo)熱系數(shù)。提高石墨含量可有效增強(qiáng)材料的導(dǎo)熱能力。其結(jié)果顯示當(dāng)石墨含量達(dá)到8 %時，試塊的導(dǎo)熱系數(shù)已達(dá)到約2.7 W/(m·K)。由函數(shù)曲線可得到導(dǎo)熱系數(shù)k與石墨含量百分比Cg之間的擬合關(guān)系式為

(1)

圖2 導(dǎo)熱系數(shù)增長曲線

2.2 石墨混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

圖3 石墨混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)曲線

在標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后，進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)測定試塊強(qiáng)度。采用TAW-2000微機(jī)控制電液伺服巖石三軸壓力機(jī)測定其單軸抗壓強(qiáng)度。

壓力機(jī)加荷速度取0.5～0.8 MPa/s。對于每種配比的三組試塊取算術(shù)平均值，當(dāng)最大值或最小值超過中間值的15 %時，把最大值與最小值一并舍除，取中間值作為該組的抗壓強(qiáng)度值。對于本次實(shí)驗(yàn)100 mm×100 mm×100 mm試樣，尺寸換算系數(shù)取0.95得到最終抗壓強(qiáng)度。其最終結(jié)果如圖3所示。

圖3數(shù)據(jù)表明，在恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)條件下，不同組別的混凝土的28d強(qiáng)度較7d強(qiáng)度均有不同程度的增長。0 %含量石墨組7 d抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值為42.50 MPa，而28 d抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值為47.00 MPa，增長10.6 %。2 %含量石墨組7 d抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值為38.00 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值為43.70 MPa，增長15 %。5 %含量石墨組7 d抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值為28.50 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值為35.97 MPa，增長26.2 %。8 %含量石墨組7 d抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值為19.00 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值為25.52 MPa，增長34.3 %。

圖4 導(dǎo)熱系數(shù)與抗壓強(qiáng)度正交曲線

進(jìn)一步分析可知，不同石墨體積比試塊的28 d單軸抗壓強(qiáng)度分別為47.00、43.70、35.97、25.52 MPa。與不摻石墨混凝土相比，2 %石墨混凝土抗壓強(qiáng)度下降7.0 %，5 %石墨混凝土抗壓強(qiáng)度下降23.5 %，8 %石墨混凝土抗壓強(qiáng)度下降45.7 %，其下降的強(qiáng)度已接近原強(qiáng)度的一半。這是由于石墨作為粒度較細(xì)且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的片狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部孔隙較多，會增大混凝土的內(nèi)部缺陷，同時石墨質(zhì)軟，強(qiáng)度不高，因此過多地添加石墨對混凝土的強(qiáng)度不利。0 %不摻石墨混凝土實(shí)測強(qiáng)度大于C40強(qiáng)度等級，達(dá)到C45強(qiáng)度等級。而加入石墨之后強(qiáng)度呈現(xiàn)“加速下降”趨勢。但實(shí)測導(dǎo)熱系數(shù)增強(qiáng)呈現(xiàn)“加速上升”趨勢。

結(jié)合實(shí)測導(dǎo)熱系數(shù)與抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)可得到二者正交曲線，見圖4，可發(fā)現(xiàn)石墨體積百分比在5 %時近似達(dá)到強(qiáng)度曲線與導(dǎo)熱系數(shù)曲線的相交點(diǎn)，此時導(dǎo)熱系數(shù)增長近1倍，抗壓強(qiáng)度下降23 %，可認(rèn)為是在石墨體積率替代方案下的綜合考慮傳熱強(qiáng)化與強(qiáng)度下降的合理方案，為能源樁石墨混凝土現(xiàn)場施工提供參考。同時，本次實(shí)驗(yàn)給出在石墨體積率替代方案下強(qiáng)度衰減規(guī)律，可結(jié)合工程實(shí)際能源樁樁體混凝土需要的強(qiáng)度進(jìn)行配合比設(shè)計。

3 能源樁傳熱強(qiáng)化效果的驗(yàn)證

3.1 能源樁傳熱特性模擬

圖5 能源樁數(shù)值模型

為驗(yàn)證石墨混凝土對能源樁的換熱提升，使用COMSOL軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。能源樁換熱系統(tǒng)由換熱液、換熱埋管、樁體材料及周圍土體構(gòu)成。關(guān)于U型、雙U型、W型、螺旋型等不同埋管形式對于能源樁傳熱的影響，目前研究普遍認(rèn)為螺旋型換熱效率最大，故本次模擬采用螺旋型埋管。螺旋半徑0.3 m，螺距0.3 m。水從螺旋管口進(jìn)入后進(jìn)行熱交換，并從直線管上升至樁頂出水口。樁基半徑0.4 m，樁長15 m，樁周土體設(shè)計為長寬均為9 m，高18 m的長方體。模型網(wǎng)格劃分如圖5所示。

為簡化分析，將各項(xiàng)材料熱物性指標(biāo)設(shè)為定值，樁體材料分別采用普通混凝土(導(dǎo)熱系數(shù)0.97 W/(m·K))和5 %石墨混凝土(導(dǎo)熱系數(shù)1.88 W/(m·K))進(jìn)行對比。埋管為PVC材質(zhì)，換熱液為水。土壤密度為1 800 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為1.5 W/(m·K)，比熱容1 200 J/(kg·K)。

模型模擬工程中夏季能源樁的實(shí)際工況，循環(huán)水流速設(shè)定為0.5 m/s，入口水溫32 ℃,土壤溫度為17 ℃。模擬能源樁持續(xù)工作一周，并不斷記錄出口水溫

3.2 模擬結(jié)果分析

圖6 不同樁體材料能源樁出口水溫曲線

對不同樁體材料的能源樁的出口水溫進(jìn)行監(jiān)測的結(jié)果如圖6所示?？梢灾庇^看出，同樣工況下運(yùn)行一周后，采用5 %石墨混凝土的能源樁的進(jìn)出口水溫差為2.27 ℃，0 %石墨的普通混凝土的能源樁進(jìn)出口水溫差為1.82 ℃。這表明采用5 %石墨混凝土的能源樁的換熱能力較普通能源樁更強(qiáng)，且提升效果明顯。

4 結(jié)論

通過開展石墨混凝土能源樁的傳熱特性研究，分析了不同石墨百分比混凝土試件的導(dǎo)熱系數(shù)與抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，并基于數(shù)值模擬的方法，探討了石墨對混凝土傳熱特性強(qiáng)化的影響，得出的主要結(jié)論如下：

① 通過制作石墨混凝土試塊進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測定，驗(yàn)證了石墨對于能源樁混凝土的傳熱強(qiáng)化性能。對石墨體積比0 %，2 %，5 %，8 %的不同石墨混凝土試塊進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測試，導(dǎo)熱系數(shù)平均值分別為0.97、1.24、1.88、2.73 W/(m·K)，呈加速上升趨勢。

② 對石墨混凝土(C40配合比設(shè)計)而言，加入的石墨體積比為2 %、5 %、8 %時，其抗壓強(qiáng)度分別下降7.0 %、23.4 %、45.7 %，強(qiáng)度呈逐漸下降的趨勢。通過分析發(fā)現(xiàn)，石墨體積比為5 %時，導(dǎo)熱系數(shù)增長近1倍，抗壓強(qiáng)度下降23 %，可認(rèn)為是在石墨體積率替代方案下的綜合考慮的傳熱強(qiáng)化與強(qiáng)度下降的合理方案。

③ COMSOL軟件的有限元數(shù)值模擬的結(jié)果表明，采用5 %石墨混凝土的能源樁的換熱能力較普通能源樁更強(qiáng)，且提升效果明顯。