含碳纖維回填料導(dǎo)熱性能試驗(yàn)研究

陳爾雷

摘要：在PHC管樁的樁芯內(nèi)放置換熱管并充填回填料可以形成PHC能源管樁。為了提高回填料的導(dǎo)熱性能，可以摻入碳纖維、鋼纖維等導(dǎo)熱系數(shù)更高的材料。本文以高嶺土為研究對(duì)象，通過摻入不同規(guī)格、不同含量的碳纖維，運(yùn)用型號(hào)為EKO-HC-110的導(dǎo)熱儀測量含碳纖維高嶺土的導(dǎo)熱系數(shù)，研究影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素和提高導(dǎo)熱系數(shù)的方法。在高嶺土中摻入6mm碳纖維，最優(yōu)纖維摻量在0.3%時(shí)，土體導(dǎo)熱系數(shù)提升35.1%;在高嶺土中摻入3mm碳纖維，最優(yōu)纖維摻量在0.3%至0.5%，土體導(dǎo)熱系數(shù)提升30.8%;在高嶺土中摻入碳纖維粉，最優(yōu)纖維摻量在0.7%時(shí)，土體導(dǎo)熱系數(shù)提升16.5%。

關(guān)鍵詞：碳纖維;高嶺土;導(dǎo)熱系數(shù);纖維摻量;干密度

在近幾年，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分迅速，呈快速上升的趨勢，因此不少地質(zhì)專家認(rèn)為加強(qiáng)淺層地溫能的開發(fā)與淺層地溫能的利用可以幫助我們國家發(fā)展資源節(jié)約型社會(huì)以及環(huán)境友好型社會(huì)。

一、緒論

綜合以上PHC管樁的基本性能特點(diǎn)、優(yōu)勢、應(yīng)用范圍、成本等特點(diǎn)，PHC管樁在能源地下結(jié)構(gòu)這一大的背景下，對(duì)淺層地溫能的開發(fā)與利用有較大幫助。因此通過試驗(yàn)研究并測量摻入碳纖維的高嶺土的導(dǎo)熱系數(shù)，探究土體導(dǎo)熱性能的變化規(guī)律，為PHC能源管樁在淺層地溫能領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用提供參考。

二、試驗(yàn)的方法與步驟

（一）試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備包括：型號(hào)為EKO-HC-110的導(dǎo)熱儀、高精度低溫恒溫槽、加壓泵、保鮮膜、502膠、凡士林、壓樣儀器（液壓推土器）、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀（6.18cm×2cm）、塑料盆、透明膠帶、含水率為0%的高嶺土、碳纖維粉、6mm長度的碳纖維、3mm長度的碳纖維、噴水壺以及精度為0.01g的電子秤。

采用的碳纖維種類包括6mm碳纖維、3mm碳纖維和碳纖維粉。高嶺土摻入碳纖維的含量為0%、0.3%、0.5%、0.7%、3%的樣本，摻入每種百分含量碳纖維的高嶺土各制3個(gè)平行樣本;含碳纖維高嶺土試樣的干密度設(shè)置為為1.5g/cm3與1.7g/cm3兩種，每個(gè)干密度對(duì)應(yīng)的含水率分別取15%。同時(shí)，制作素高嶺土空白樣，空白樣的干密度也設(shè)置為1.5g/cm3與1.7g/cm3兩種，含水率均為15%，共6個(gè)樣本。試樣的數(shù)量總計(jì)有78個(gè)。

（二）試驗(yàn)步驟

EKO-HC-110導(dǎo)熱儀測量的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀試樣的導(dǎo)熱系數(shù)測量的總體范圍控制在0.1～10W/（㎡·K），并且該導(dǎo)熱儀的計(jì)算精度范圍控制在±5%;該型號(hào)導(dǎo)熱儀器進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)所測試出來的結(jié)果誤差控制在±0.2%，并且該導(dǎo)熱儀器的熱導(dǎo)能力的最大值不會(huì)高于600W/（㎡·K），該儀器導(dǎo)熱系數(shù)測量的可控溫度的總體范圍在0～110℃之間，EKO-HC-110導(dǎo)熱儀的儀器的樣品規(guī)格如下：它的直徑為51～63mm，厚度范圍在0～25mm。該型號(hào)導(dǎo)熱儀器采用RS-232C規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)接口，EKO-HC-110導(dǎo)熱儀通過數(shù)據(jù)線與電腦連接起來，用熱穩(wěn)定法，上下兩個(gè)加熱板存在溫差，上板的溫度設(shè)置成25℃，下板的溫度設(shè)置成15℃[18]。試驗(yàn)所需要測量的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀試樣的樣品放在下板正中央的位置，EKO-HC-110導(dǎo)熱儀通過控制在上下兩個(gè)加熱板的熱傳感器中間的熱流輸出量并且控制上下兩個(gè)板的溫度，以此為原理計(jì)算出高嶺土標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀試樣（6.18cm×2cm）的導(dǎo)熱系數(shù)。

三、試驗(yàn)結(jié)果分析

（一）碳纖維種類及摻量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

當(dāng)高嶺土中摻入6mm長度的碳纖維的含量達(dá)到0.3%時(shí)，高嶺土的導(dǎo)熱系數(shù)最高，為0.8821W/（m·K），且比同等含水率以及干密度的不摻入任何碳纖維的空白樣高嶺土的導(dǎo)熱系數(shù)顯著增高，增幅達(dá)35.7%。但隨著高嶺土中摻入6mm長度的碳纖維的摻量緩慢提升，其導(dǎo)熱系數(shù)變化起伏明顯，當(dāng)6mm長度碳纖維的摻量從0.3%增加至0.5%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)下降幅度最大，下降幅度為26.8%。而當(dāng)在高嶺土中摻入6mm長度的碳纖維的摻量大幅度提升到3%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)反而較低，因此，從經(jīng)濟(jì)效益（碳纖維的成本）以及試驗(yàn)預(yù)期目的來說，不宜再提高6mm長度的碳纖維的摻量，并且6mm長度的碳纖維的摻量控制在0.3%左右時(shí)高嶺土的導(dǎo)熱性能較好。

（二）干密度及摻量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

當(dāng)高嶺土中摻入碳纖維粉時(shí)，不同干密度對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)影響較小，當(dāng)纖維摻量為0.5%時(shí)，1.5g/cm3干密度的高嶺土的導(dǎo)熱系數(shù)比1.7g/cm3干密度的高嶺土的導(dǎo)熱系數(shù)高，在其余纖維摻量為1.7g/cm3干密度的高嶺土的導(dǎo)熱系數(shù)比1.5g/cm3干密度的高嶺土的導(dǎo)熱系數(shù)高，碳纖維粉的摻量為0.7%時(shí)兩種干密度情況下的導(dǎo)熱系數(shù)差別最大，干密度1.7g/cm3（0.8234W/（m·K））的導(dǎo)熱系數(shù)高于干密度1.5g/cm3（0.7571W/（m·K））的。總體變化趨勢為隨著碳纖維粉的纖維摻量的提升，導(dǎo)熱系數(shù)逐步提升，從經(jīng)濟(jì)效益（碳纖維的成本）以及試驗(yàn)預(yù)期效果來說，摻入碳纖維粉的纖維摻量控制在0.7%至1%這一區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，并且把高嶺土的干密度控制在1.7g/cm3時(shí)，高嶺土等粘性土體的導(dǎo)熱系數(shù)較高。對(duì)土體的導(dǎo)熱性能提升較好。

結(jié)論

高嶺土為一種常見的粘性土體，因此試驗(yàn)也可以把高嶺土換成性質(zhì)類似的其他粘性土進(jìn)行探究，例如下蜀土、黃土等，讓試驗(yàn)探究的結(jié)果，即在回填料中摻入碳纖維可以有效提升土體的導(dǎo)熱性能，讓這一試驗(yàn)結(jié)果更具有普遍性?？梢蕴骄康牟牧喜恢固祭w維一種，碳纖維的導(dǎo)熱性能比一般材料好，也可以換成其他導(dǎo)熱性能較好同時(shí)成本適中的材料進(jìn)行探究，例如銅粉、鋼纖維等，用這些材料進(jìn)行試驗(yàn)，探究粘性土體或其他常見土體的導(dǎo)熱性能，或者改變土體的干密度、含水率進(jìn)行探究，找到最優(yōu)的土體的干密度或者含水率，使土體導(dǎo)熱性能提升。在能源地下結(jié)構(gòu)，甚至是未來淺層地溫能的開發(fā)以及淺層地溫能的利用方面提供許多幫助。

參考文獻(xiàn)

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