地源熱泵系統(tǒng)中水泥基灌漿材料性能優(yōu)化

鄒 玲，王偉山，鄭柏存，沈 軍

（1.華東理工大學(xué)體育新材料研發(fā)中心，上海 200237；2.上海三瑞化學(xué)有限公司，上海 200232）

近幾年，各種形式的可再生能源被開發(fā)利用，以代替化石燃料的使用。因其高效節(jié)能和環(huán)境友好，地源熱泵技術(shù)逐漸引起全世界范圍的關(guān)注。垂直地埋管換熱器因承載了整個熱交換過程而成為地源熱泵技術(shù)中最關(guān)鍵的課題［1～2］。影響熱交換過程的因素包括灌漿材料的導(dǎo)熱性、PE管間的熱干擾以及周圍巖土體的熱物性［3～4］。灌漿材料用于填充U形管與鉆孔壁之間的環(huán)形區(qū)域，這是熱交換過程的核心區(qū)，對地源熱泵系統(tǒng)性能的發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用［5］。

選用的灌漿材料，要求對環(huán)境沒有污染，具備良好的導(dǎo)熱、施工和力學(xué)性能等特性［6］。與傳統(tǒng)膨潤土基相比，水泥基灌漿材料具有更好的導(dǎo)熱性、經(jīng)濟(jì)性和足夠的耐久性，更適用于地源熱泵系統(tǒng)［7］。研究表明:廢鋼渣的加入可增強(qiáng)灌漿材料在不利環(huán)境下的耐久性，降低水化熱，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本［8］。廢鋼渣的主要成分為CaO和SiO2，與天然巖土的成分幾乎相同［9］，灌漿后經(jīng)膠凝材料作用迅速與其他組分形成固結(jié)體，不會對地下含水層造成污染。在煉鋼工藝中，廢鋼渣產(chǎn)量約為鋼產(chǎn)量的15%～20%。全國鋼渣產(chǎn)量約為0.8億噸，歷年總儲量逾4億噸，占地6萬畝［10］。目前我國對鋼渣的處理大都采用低價值的填埋方式，利用率不足30%。此外，地源熱泵施工產(chǎn)生的鉆井廢泥漿對周邊環(huán)境土壤、地表水和地下水產(chǎn)生的污染日趨嚴(yán)重［11］。

若能將上述廢料重新利用于地源熱泵灌漿材料，不僅可以變廢為寶，還能在一定程度上減少水泥、天然河砂等原材料的用量，從而降低經(jīng)濟(jì)成本。本實驗為獲得綜合性能良好的水泥基灌漿材料，并盡可能回收利用工業(yè)廢料和鉆井泥漿，較系統(tǒng)地研究了水灰比、砂灰比、鋼渣代砂率、鋼渣粉代水泥率和泥漿摻入率對灌漿材料工作性、導(dǎo)熱性以及固結(jié)強(qiáng)度的影響。

1 試驗原料和試驗設(shè)備

1.1 試驗用原材料

硅酸鹽水泥為海豹牌，型號PO42.5，用作膠凝材料。天然河砂，經(jīng)4.95mm方孔標(biāo)準(zhǔn)篩過篩，作為提高灌漿材料導(dǎo)熱性能的主要骨料。廢鋼渣是寶鋼集團(tuán)在煉鋼過程中排出的廢渣，試驗中將粗鋼渣磨細(xì)過篩，配成最大粒徑小于4.95mm、近似河砂級配的鋼渣砂。中位徑為19.4μm的細(xì)鋼渣粉用于替換水泥。泥漿由干粘土和水以質(zhì)量比1∶1配合而成。膨潤土由安吉縣金泰膨潤土有限公司提供，細(xì)度小于44μm，可作為增稠劑和膨脹劑，使灌漿材料具有較好的和易性，減少泌水［12～13］。減水劑是固含量為42%的聚羧酸系粉體減水劑，由上海三瑞化學(xué)有限公司提供。減水劑的添加在保證可泵性的同時，降低了水泥基灌漿材料的水灰比，提高了導(dǎo)熱性和耐久性。

1.2 實驗配比和測試設(shè)備

試驗中設(shè)計了5組影響因素實驗，共28個樣品，其中膨潤土和減水劑添加量分別占灌漿材料總質(zhì)量的1%和0.06%。實驗研究了砂灰比為2時，水灰比(質(zhì)量比)在0.45～0.7之間變化對灌漿材料性能的影響；研究了水灰比固定為0.6時砂灰比(質(zhì)量比)在1.8～2.8之間變化對導(dǎo)熱系數(shù)和工作性能的影響；研究鋼渣代砂率、鋼渣粉代水泥率及泥漿摻入率時將水灰比、砂灰比分別固定為0.6、2.1。采用等量取代法，即用等質(zhì)量的鋼渣取代河砂(替代率為0% ～60%)，用等質(zhì)量的細(xì)鋼渣粉取代水泥(替代率為0% ～30%)，用等質(zhì)量的泥漿取代灌漿材料(替代率為0% ～30%)。

制漿結(jié)束后，立即測試灌漿材料的工作性能，包括流動度、稠度和粘度。流動度測定方法參考《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50448－2008)，設(shè)備為100mm(下口直徑)×70mm(上口直徑)×60mm(高度)的截錐圓模。測試時，預(yù)先將截錐圓模放置在玻璃板中心，將攪拌好的灌漿材料迅速倒?jié)M截錐圓模，漿體與其上口平齊。徐徐提起截錐圓模，灌漿材料在無擾動條件下自由流動直至停止，測量底面最大擴(kuò)散直徑與其垂直方向的直徑，取兩者平均值作為流動度［14］。測試稠度和粘度所用設(shè)備分別為SC145型砂漿稠度儀、NDJ－1旋轉(zhuǎn)式粘度計。稠度的測試方法參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T70－2009)，該規(guī)范定義標(biāo)準(zhǔn)圓錐體以其自身的重量自由沉入砂漿中的厘米數(shù)為稠度值。稠度值越大，流動度越大，粘度越小，說明灌漿材料的工作性能越好。

工作性能測試完成后，用一組內(nèi)壁尺寸為40mm×40 mm×160 mm的三棱模成型，24h后脫模，然后對試件進(jìn)行編號，再分別放入養(yǎng)護(hù)室水養(yǎng)和標(biāo)養(yǎng)。導(dǎo)熱性能的測定采用湘潭市儀器儀表有限公司提供的DRE－2C導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，它基于瞬態(tài)平面熱源法，可測試固體、粉體、膠狀和各向異性材料的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)和比熱。將水養(yǎng)14d的樣品取出，去除表面水后測其吸水飽和狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)。然后，置于40℃的烘箱中干燥一周，冷卻至室溫后測試干燥狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)。40℃不是灌漿材料的絕干溫度，而是它在實際應(yīng)用中的極限溫度。標(biāo)養(yǎng)28d試樣的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度采用濟(jì)南中路昌試驗機(jī)制造有限公司提供的YAW－300C型壓力試驗機(jī)測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 工作性能

試樣的工作性能測試結(jié)果見圖1。圖1a表明，隨著水灰比從0.45增大到0.7，流動度和稠度經(jīng)歷了一個先迅速增大后趨于穩(wěn)定的過程，粘度則先減小后保持不變。因此，為保證灌漿材料的工作性能，應(yīng)使水灰比大于0.55，但也不宜過大，否則會出現(xiàn)分層現(xiàn)象。當(dāng)砂灰比從1.8增大至2.2時，工作性能大致保持不變，而后隨著砂灰比的增大而降低，為保證流變性，砂灰比小于2.2為宜(圖1b)。

圖1c和圖1d表明，鋼渣代替部分骨料或膠凝材料加入灌漿材料中，灌漿材料的工作性能無明顯變化，依然維持在一個較好水平，這為廢鋼渣替代河砂或水泥提供了流變性保證。圖1e表明，當(dāng)摻入泥漿后，灌漿材料的工作性能會進(jìn)一步提高。

2.2 導(dǎo)熱性能

圖1 灌漿材料試樣的工作性能測試結(jié)果Fig.1 Workability results of test specimens

各試樣的導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果見圖2。經(jīng)過7天干燥，灌漿材料的導(dǎo)熱系數(shù)與飽水狀態(tài)相比降低了12.9% ～30.8%，有些試樣甚至達(dá)到了43.8%。導(dǎo)熱系數(shù)隨水灰比的變化規(guī)律見圖2a，在一定水灰比范圍內(nèi)降低水灰比能提高灌漿材料的導(dǎo)熱系數(shù)，這一結(jié)論與Allan的研究結(jié)果一致［15］。圖2b呈現(xiàn)的是砂灰比從1.8增大到2.8時導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律，此規(guī)律與鄭秀華等［16］的研究結(jié)果相同，即導(dǎo)熱系數(shù)具有隨石英砂含量增大而增大的趨勢。結(jié)果表明，當(dāng)砂灰比以0.2的間距增大時，導(dǎo)熱系數(shù)的增幅為0.01～0.17 W/(m·K)；當(dāng)砂灰比大于2.4后，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)變化不再顯著，飽水導(dǎo)熱系數(shù)和干燥導(dǎo)熱系數(shù)分別穩(wěn)定在2.49 W/(m·K)、2.03 W/(m·K)。

圖2c表明，當(dāng)鋼渣代砂率以10%的間距增大時，飽水導(dǎo)熱系數(shù)降低較快，降幅為0.02～0.21 W/(m·K)；相比之下干燥導(dǎo)熱系數(shù)變化較小，替代率達(dá)到40%后才會出現(xiàn)明顯降低，因此鋼渣代砂率必須控制在40%內(nèi)。圖2d顯示，當(dāng)鋼渣粉代水泥率以5%的間距增大時，導(dǎo)熱系數(shù)沒有明顯變化；當(dāng)替代率從15%增大到20%時，干燥導(dǎo)熱系數(shù)突然降低0.14 W/(m·K)，隨后又保持不變。圖2e表明泥漿的摻入率越高，導(dǎo)熱系數(shù)降低得越多。

2.3 固結(jié)強(qiáng)度

圖3a表明，水泥基灌漿材料的強(qiáng)度隨水灰比的增大而降低。即強(qiáng)度隨著水泥含量的增加而增大，這一特性與砂漿情況類似。圖3b表明，砂灰比的大小對抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度無顯著影響。

圖2 灌漿材料試樣的導(dǎo)熱性能測試結(jié)果Fig.2 Thermal conductivity results of test specimens

圖3 灌漿材料試樣的強(qiáng)度測試結(jié)果Fig.3 Strength results of test specimens

圖3c顯示，鋼渣代砂率從0%增大到30%時，強(qiáng)度保持不變，達(dá)到40%后，抗壓強(qiáng)度顯著降低。圖3d顯示，隨著鋼渣粉代水泥率的增大，抗壓強(qiáng)度緩慢降低，當(dāng)替代率增大到20%后，抗壓強(qiáng)度明顯降低。另外，圖3e表明，將泥漿部分摻入灌漿材料中時，灌漿材料的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨著鋼渣摻入率的增大而降低。

2.4 經(jīng)濟(jì)性分析

對替換前后的灌漿材料配方作表1所示的經(jīng)濟(jì)性分析。計算灌漿材料在水灰比、砂灰比分別為0.6、2.1，膨潤土和減水劑的添加量分別為1%和0.06%配比下的原材料價格，與加入工業(yè)廢料后的價格進(jìn)行對比。

若投資一個建筑面積為4800m2的地源熱泵項目，以4m×4m的井間距布置鉆孔，所需鉆孔數(shù)為300口，每口井所需灌漿材料約為3.25t，若按上述配比灌漿，所需的灌漿材料總成本為19.85萬元(表1)。

表1 添加工業(yè)廢料前后的灌漿材料經(jīng)濟(jì)性分析Table 1 Economy analysis of grouts before and after adding industrial waste

成本計算結(jié)果表明，鋼渣砂、鋼渣粉和鉆井泥漿的單獨作用能為一個中小型項目節(jié)約1～2萬元的初投資。若三者同時摻入，可節(jié)省4.93萬元的原材料成本，成本降低率達(dá)24.84%。三種廢料同時使用后，灌漿材料在綜合性能上是否具有加合性和優(yōu)越性，這一課題將在后續(xù)實驗中得到分析和驗證。

3 結(jié)論

(1)水灰比從0.45增大到0.7時，流動性增加但導(dǎo)熱性和強(qiáng)度逐漸降低。推薦水灰比范圍為0.55～0.6。

(2)砂灰比從1.8增大到2.2，工作性穩(wěn)定在一個較好狀態(tài)，繼續(xù)增大砂灰比時工作性會變差。導(dǎo)熱系數(shù)隨砂含量的增加而增大，而強(qiáng)度不隨砂灰比的大小而改變。本實驗推薦砂灰比以2～2.2為宜。

(3)廢鋼渣可用于部分替代骨料和膠凝材料。當(dāng)水灰比和砂灰比分別為0.6和2.1時，將粗鋼渣砂和微米尺度鋼渣粉的替代率分別控制在40%和20%內(nèi)，能獲得綜合性能良好的灌漿材料。

(4)實驗表明，僅考慮工作性時，在水泥基灌漿材料中摻入泥漿是一種經(jīng)濟(jì)有效的回灌方法。但由此引起的導(dǎo)熱變差和強(qiáng)度降低也不容忽視，推薦泥漿摻入率控制在10%以內(nèi)。

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