費一超，周亞素，趙靈運，張永才

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620)

近年來，在建設(shè)節(jié)能環(huán)保型社會的過程中，各種形式的可再生能源被開發(fā)利用，例如暖通行業(yè)的地源熱泵技術(shù)逐漸引起全球范圍的關(guān)注。地源熱泵由于具有能源利用可再生、節(jié)能效果顯著、運行費用低、有利于環(huán)境保護等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用[1]。其中，對于地源熱泵地埋管回填材料的研究頗多，常規(guī)的回填材料有黃沙、水泥和膨潤土等。為了改善回填材料的性能，目前國內(nèi)外研究人員通過添加各種添加劑，如建筑廢棄物[2]、粉煤灰[3-5]、廢鋼渣[6-8]、石墨[9-10]等來提高回填材料的性能，這對地源熱泵的長期高效穩(wěn)定運行與未來健康發(fā)展具有重要意義[11]。

大量的廢鋼渣常年積累占據(jù)場地資源，且長時間置于水與土壤中會造成重金屬污染，破壞生態(tài)平衡。在回填材料中添加廢鋼渣可以增加其內(nèi)部摩擦角、黏聚力以及獲得理想的彈性模量，經(jīng)攪拌壓實后，可以大幅提高回填材料的剛度和抗剪強度，且凝固后的材料使得廢鋼渣與外部環(huán)境隔離，從而減少廢鋼渣飄散，可避免水與土壤污染[7]。石墨的導(dǎo)熱系數(shù)為80～150 W/(m·K)，其導(dǎo)熱性能優(yōu)于鋼、鐵、鉛等金屬材料，常溫時化學(xué)性能穩(wěn)定，向回填材料中添加一定量的石墨可以有效降低回填材料的熱阻，增加其導(dǎo)熱系數(shù)，提高地源熱泵換熱效率[9]。

從現(xiàn)有的回填材料中研究發(fā)現(xiàn)，研究者普遍用某個單一添加劑替代常規(guī)的回填材料中的某種成分，這種添加確實能夠增強回填材料的部分性能，然而，不同材料具有不同的基本屬性，也會降低回填材料的其他一些性能。如鄒玲[7]選用廢鋼渣作為回填材料添加劑進行研究發(fā)現(xiàn)，回填材料施工性能無明顯變化，依然維持在一個較好水平，當替代砂的廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)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)，廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)從0 增大到30%時，回填材料抗壓強度保持不變，當廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)達到40%時，抗壓強度顯著降低。王沖[9]選用天然石墨作為回填材料添加劑進行研究發(fā)現(xiàn)：添加質(zhì)量分數(shù)為3%、 6%、 9%的天然石墨粉后，回填材料導(dǎo)熱系數(shù)分別達到了2.9、 3.0和3.2 W/(m·K)，強化傳熱效果明顯；而當石墨質(zhì)量分數(shù)為6%和9%時，回填材料抗壓強度急劇降低，分別減小了37.6%和69.9%，嚴重影響回填材料的力學(xué)性能。

在分析了廢鋼渣與石墨作為回填材料添加劑的優(yōu)缺點后發(fā)現(xiàn)，單獨添加廢鋼渣或石墨時，在提高回填材料部分性能的同時破壞了其原有的某一性能。因此，本文通過將廢鋼渣和石墨同時作為回填材料添加劑，從施工性能、傳熱性能、力學(xué)性能3個角度分析尋找最優(yōu)的材料配比，以此彌補單一添加劑對回填材料帶來的不利影響，開發(fā)出性能完善的新型回填材料。

1 試驗原料及方法

1.1 試驗方案

為了進行性能對比，試驗預(yù)先配置了一組常規(guī)回填材料的試樣：水灰比值為0.55，砂灰比值為2.0，即水、水泥、砂的質(zhì)量分數(shù)分別為15.5%、 28.2%、 56.3%。參考鄒玲[7]和王沖[9]的試驗方案，控制廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)為30%、石墨質(zhì)量分數(shù)為3%時的回填材料性能相對較優(yōu)，而本文考慮到同時添加廢鋼渣與石墨時，兩種材料對回填材料性能的相互影響，因此采用等質(zhì)量分數(shù)替代的方式，分別用石墨替代水泥，質(zhì)量分數(shù)分別為2%、 3%、 4%、 5%、 6%，用廢鋼渣替代砂，質(zhì)量分數(shù)分別為10%、 20%、 30%、 40%、 50%，兩兩組合配置新型回填材料試樣25組。

樣品的制作根據(jù)GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，將回填材料裝入三聯(lián)模中，試樣與三聯(lián)模一起在濕氣中養(yǎng)護24 h，溫度保持在(20±2)℃，相對濕度應(yīng)不低于50%，24 h后將試樣脫模，放至標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護，養(yǎng)護箱溫度保持在(20±1)℃，相對濕度不低于90%。依次進行回填材料的施工性能、力學(xué)性能與傳熱性能相關(guān)參數(shù)的測試。

1.2 試驗原料

硫鋁酸鹽水泥，型號為po42.5，28 d抗壓強度為45 MPa；天然石墨粉，規(guī)格為325目，選用純度為95%；細黃沙，粒徑為0.1～0.2 mm；廢鋼渣，粒徑為0.5 mm，其粒徑略大于細黃沙，可相對提高材料強度。

1.3 評價指標

使用添加劑的回填材料應(yīng)具有良好的綜合性能，常用施工性能、力學(xué)性能、傳熱性能的指標評價其性能優(yōu)劣。

1.3.1 施工性能

在地埋管施工過程中，由于鉆孔作業(yè)面狹窄、界面存在死角或回填盲區(qū)，要求回填材料能順利注入鉆孔內(nèi)部，并充分填充與壓實。流動性好的回填材料可以充滿埋管與鉆孔之間的空隙，使換熱器與周圍地層有良好的接觸，進而減小接觸熱阻，增強換熱效果[10]。

本文參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》和GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，以流動度作為評價回填材料施工性能的指標，選用水泥膠砂流動度測定儀。將拌好的回填材料膠砂分兩層迅速裝入試模，按規(guī)定進行搗壓，搗壓完畢后取下模套，將小刀傾斜從中間向邊緣分兩次以近水平的角度抹去高出截錐圓模的膠砂，并擦去落在桌面上的膠砂，將截錐圓模垂直向上輕輕提起，立刻開動跳桌，以每秒一次的頻率在(25±1)s內(nèi)完成25次跳動，跳動完畢，用卡尺測量膠砂底面互相垂直的兩個方向直徑，計算平均值并取整數(shù)，單位為mm，該平均值即為回填材料的流動度。

1.3.2 傳熱性能

在地源熱泵地埋管系統(tǒng)中，回填材料作為地埋管換熱器和周圍地層的傳熱介質(zhì)，其將地下可利用的淺層地?zé)崮軅鬟f到換熱器中供給系統(tǒng)的運行，提高回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以直接降低傳熱介質(zhì)的熱阻，提高傳熱效率，從而使地埋管的鉆孔深度和數(shù)量適當減少，降低地源熱泵的初裝成本[10]。

本文以導(dǎo)熱系數(shù)作為評價回填材料傳熱性能的指標，選用TCI導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，其基于的原理為瞬態(tài)平面熱源法測試材料的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)范圍為0～220 W/(m·K)，精度優(yōu)于5%。將回填材料試樣平整面置于探測傳感器之上，開啟測試儀與軟件即可直接讀出試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，每組測試的周期為60 s，其中，試樣測試時間為5 s，探測傳感器冷卻時間為55 s。

1.3.3 力學(xué)性能

回填材料的良好力學(xué)性能可以保證足夠的強度來固定U型管，通?；靥畈牧系膹姸仍酱?，材料的密實、抗?jié)B性能也越好。在地源熱泵地埋管系統(tǒng)工作期間，由于熱應(yīng)力或凍結(jié)應(yīng)力的影響，當這些應(yīng)力變化時會造成回填材料的結(jié)構(gòu)性破壞，將危及其水密性和密封能力，因此，要求回填材料滿足基本的力學(xué)強度[10]。

本文參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》，以抗壓強度作為評價回填材料力學(xué)性能的指標，選用電子萬能材料試驗機，該儀器最大負荷為2 000 kN，示值精度為±1%。將回填材料試樣置于試驗機壓板之間，用軟件控制上壓板的下降速度為3 mm/min，直至試樣被壓至結(jié)構(gòu)完全破壞后停止試驗，測得抗壓強度峰值作為該試樣的抗壓強度。

2 復(fù)合添加劑對回填材料性能的影響分析

常規(guī)回填材料的測試結(jié)果為流動度12.7 mm、導(dǎo)熱系數(shù)2.19 W/(m·K)、抗壓強度8.335 MPa，并以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行新型回填材料的指標增長率或下降率分析。

2.1 施工性能

復(fù)合添加劑回填材料的施工性能測試分析結(jié)果如圖1和2所示。

(a) 流動度

(b) 流動度增長率圖1 廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)對回填材料施工性能的影響Fig.1 Effect of scrap steel mass fraction on the construction performance of grouting material

由圖1可知：在相同石墨質(zhì)量分數(shù)下，隨著廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)的提高，回填材料的流動度呈線性增加，說明廢鋼渣的添加有利于提高回填材料的施工性能。其中，在石墨質(zhì)量分數(shù)為4%的回填材料流動度隨廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)變化的斜率最大，增幅達到了8.4 mm， 增長幅度最為明顯(如圖1(a)所示)。在石墨質(zhì)量分數(shù)為2%～4%下，隨著廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)的增加，回填材料流動度增長率的變化幅度較大，最大增長率可達81.9%，而在石墨質(zhì)量分數(shù)為5%～6%下，回填材料流動度的整體增長率變化幅度減小，且增長率近似趨于一致(如圖1(b)所示)。

(a) 流動度

(b) 流動度增長率圖2 石墨質(zhì)量分數(shù)對回填材料施工性能的影響Fig.2 Effect of graphite mass fraction on the construction performance of grouting material

由圖2可知，石墨對復(fù)合添加劑回填材料的流動度影響不大。而單獨將石墨作為添加劑時，隨著石墨質(zhì)量分數(shù)的增加，回填材料流動度呈下降的趨勢。因為石墨為無機物呈剛性，且具有疏水性和無流動性，石墨粒子對回填材料的流動起到了較大的阻礙作用，從而使其流動度減小。此外，在相同廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)下，當石墨質(zhì)量分數(shù)為2%～4%時，回填材料的流動度略微增加，而超過4%時流動度有下降的趨勢。這是因為石墨質(zhì)量分數(shù)的增加對流動度的不利影響超過了廢鋼渣替代下的有利影響，造成了回填材料流動度的突然下降(如圖2(a)所示)。在廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)為50%時，回填材料整體的流動度增長率最高，約為75%(如圖2(b)所示)。

綜上分析可知，從施工性能的角度考慮，新型回填材料推薦替代砂的廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)為50%、替代水泥的石墨質(zhì)量分數(shù)為4%。

2.2 傳熱性能

復(fù)合添加劑回填材料的傳熱性能測試分析結(jié)果如圖3和4所示。

(a) 導(dǎo)熱系數(shù)

(b) 導(dǎo)熱系數(shù)下降率圖3 廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)對回填材料傳熱性能的影響Fig.3 Effect of scrap steel mass fraction on the heat-transfer performance of grouting material

(a) 導(dǎo)熱系數(shù)

(b) 導(dǎo)熱系數(shù)下降率圖4 石墨質(zhì)量分數(shù)對回填材料傳熱性能的影響Fig.4 Effect of graphite mass fraction on the heat-transfer performance of grouting material

由圖3可知，在相同石墨質(zhì)量分數(shù)下，隨著廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)的提高，回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)明顯降低(如圖3(a)所示)?；靥畈牧系膶?dǎo)熱系數(shù)下降率均超過14%，從整體來看，石墨質(zhì)量分數(shù)為2%時的降幅最大，最多可達24.9%，隨后隨著石墨質(zhì)量分數(shù)的提高，整體的降幅有所減小(如圖3(b)所示)。

由圖4可知，在相同廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)下，當石墨質(zhì)量分數(shù)為2%～3%時，回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)變化不大，之后隨著石墨質(zhì)量分數(shù)增加，導(dǎo)熱系數(shù)呈明顯增大趨勢。由此可以發(fā)現(xiàn)，隨著石墨的添加可以很好地彌補廢鋼渣對回填材料導(dǎo)熱系數(shù)的不利影響(如圖4(a)所示)。在相同石墨質(zhì)量分數(shù)下，隨著廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)的提高，回填材料導(dǎo)熱系數(shù)下降率有所增加。而在廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)為20%時，隨著石墨質(zhì)量分數(shù)的提高，最大可以彌補6.5%左右導(dǎo)熱系數(shù)的損失(如圖4(b)所示)。

綜上分析可知，從傳熱性能的角度考慮，新型回填材料推薦替代砂的廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)為10%、替代水泥的石墨質(zhì)量分數(shù)為6%。

2.3 力學(xué)性能

復(fù)合添加劑回填材料的力學(xué)性能測試分析結(jié)果如圖5和6所示。

由圖5可知，在相同石墨質(zhì)量分數(shù)下，隨著廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)的提高，回填材料的抗壓強度呈先增加后下降且趨于平穩(wěn)的趨勢。在廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)為10%～30%時，回填材料的抗壓強度隨著廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)的增加而明顯上升，最大值可達16.463 MPa，而廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)超過30%后，抗壓強度均有不同程度的下降(如圖5(a)所示)。在相同石墨質(zhì)量分數(shù)下的回填材料抗壓強度增長率均隨著廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)的提高呈先上升后又略有降低的趨勢(如圖5(b)所示)。

(a) 抗壓強度

(b) 抗壓強度增長率圖5 廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)對回填材料力學(xué)性能的影響Fig.5 Effect of scrap steel mass fraction on the mechanical performance of grouting material

(a) 抗壓強度

(b) 抗壓強度增長率圖6 石墨質(zhì)量分數(shù)對回填材料力學(xué)性能的影響Fig.6 Effect of graphite mass fraction on the mechanical performance of grouting material

由圖6可知，在相同廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)下，隨著石墨質(zhì)量分數(shù)的提高，回填材料的抗壓強度并沒有非常明顯的變化。因為廢鋼渣對抗壓強度的有利影響與石墨的不利影響產(chǎn)生了抵消，使得回填材料的抗壓強度基本維持在一個較為平穩(wěn)的區(qū)間內(nèi)，而其中又以廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)為30%的回填材料抗壓強度平均值最高(如圖6(a)所示)。在廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)為30%時，回填材料整體的抗壓強度增長率最高，其中5%石墨質(zhì)量分數(shù)的抗壓強度增長率達到97.5%(如圖6(b)所示)。

綜上分析可知，從力學(xué)性能的角度考慮，新型回填材料推薦替代砂的廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)為30%、替代水泥的石墨質(zhì)量分數(shù)為5%。

3 回填材料綜合性能分析

從上述試驗結(jié)果分析可知，廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)和石墨質(zhì)量分數(shù)對回填材料的流動度、導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強度的影響程度不同，且廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)對這3個指標的影響均非常顯著，而石墨質(zhì)量分數(shù)僅對導(dǎo)熱系數(shù)的影響顯著。因此，針對廢鋼渣和石墨的不同特點，以及評判回填材料3種不同性能指標的重要性，在此運用綜合評分法，兼顧廢鋼渣、石墨質(zhì)量分數(shù)，找出使兩個指標都盡可能好的水平，據(jù)此評判新型回填材料的綜合性能。

為了體現(xiàn)3個性能指標對回填材料影響的重要程度，分別選擇熵權(quán)法(客觀)和優(yōu)序圖法(主觀)確定流動度、導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強度的權(quán)重分配，取兩者權(quán)重平均數(shù)，為方便計算，在此對計算結(jié)果進行取整處理。3種性能的權(quán)重分配具體計算結(jié)果如表1所示。

表1 權(quán)重分配計算結(jié)果Table 1 Results of weight allocation %

設(shè)定廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)為因素A，其10%、 20%、 30%、 40%、 50%質(zhì)量分數(shù)水平分別為1、 2、 3、 4、 5；石墨質(zhì)量分數(shù)為因素B，其2%、 3%、 4%、 5%、 6%質(zhì)量分數(shù)水平分別為1、 2、 3、 4、 5。由表1可知，選擇流動度、導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強度的權(quán)重占比分別為30%、 50%、 20%，通過綜合評分法計算，具體結(jié)果如表2所示。

表2 綜合評分法計算結(jié)果Table 2 Results of integrated score method

由表2可知，在25組試驗方案中，其最優(yōu)水平組合為A5B2，其評分最高為108.86，即廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)為50%和石墨質(zhì)量分數(shù)為3%時，該配比下的回填材料綜合性能最優(yōu)。

平均每個水平廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)的5組試驗綜合評分結(jié)果如圖7所示。

(b) 石墨圖7 不同廢鋼渣和石墨質(zhì)量分數(shù)下的評分情況Fig.7 Score of scrap steel and graphite mass fraction

由圖7(a)可知，當廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)在10%～40%內(nèi)變化過程中，評分均值總體呈現(xiàn)一個上升的趨勢，而當廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)超過40%時，其評分均值有所下降。當石墨質(zhì)量分數(shù)在2%～6%內(nèi)變化過程中，評分均值總體呈現(xiàn)上升的趨勢(如圖7(b)所示)。

因此，綜合考慮各水平的評分均值情況，可以認為將替代砂的廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)控制在40%、替代水泥的石墨質(zhì)量分數(shù)控制在6%，可以得到綜合性能最優(yōu)的回填材料。

4 結(jié) 語

采用廢鋼渣和石墨同時替代常規(guī)的回填材料(水灰比0.55、砂灰比2.0)中的砂和水泥，從施工性能、傳熱性能、力學(xué)性能的3個指標(流動度、導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強度)進行分析，并運用綜合評分法評估后，得到以下結(jié)論：

(1) 控制廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)為50%和石墨質(zhì)量分數(shù)為4%，可以使回填材料得到良好的施工性能；

(2) 控制廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)為10%和石墨質(zhì)量分數(shù)為6%，可以使回填材料得到良好的傳熱性能；

(3) 控制廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)30%和石墨質(zhì)量分數(shù)為5%，可以使回填材料得到良好的力學(xué)性能；

(4) 綜合考慮回填材料的施工性能、傳熱性能、力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在廢鋼渣質(zhì)量分數(shù)40%，石墨質(zhì)量分數(shù)為6%時，其綜合性能最優(yōu)。