隋智力，趙春雷，李慶文，孟媛，張祥勇，李文利

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

0 引言

能源樁是地源熱泵應用的一種新形式，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熱材料，較傳統(tǒng)地源熱泵回填材料的導熱系數(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響應，并對能源樁傳熱強化與力學強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，通過添加一定高導熱系數(shù)物質(zhì)來提高能源樁工作效率是切實可行的方案。因此，本文從樁體材料方面著手，對提升能源樁換熱效率進行研究，通過添加高導熱系數(shù)的石墨粉制備石墨混凝土并研究其導熱性能和力學性質(zhì)。通過使用COMSOL數(shù)值模擬軟件驗證其對能源樁傳熱的強化效果。

1 石墨混凝土的制備

本實驗采用青島天盛達公司生產(chǎn)的32目大鱗片石墨粉，其主要化學成分為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、砂率等指標的設(shè)計方法，設(shè)計強度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的配合比進行設(shè)計(圖1-a)。水泥采用標準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行實驗。依據(jù)《混凝土外加劑應用技術(shù)規(guī)范》[23]，并根據(jù)試驗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行搗實，用其余的混凝土填補后使用刮刀刮平。貼上標簽放入室內(nèi)，靜置24 h后拆模，試塊(圖1)尺寸為100 mm×100 mm×100 mm[圖1(b)]，放入標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱[圖1(c)]。

(a) 坍落度測試示意圖

2 石墨混凝土性能測試

2.1 石墨混凝土導熱性能測試

試驗采用DRE-III多功能導熱系數(shù)測試儀進行測定，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定，其結(jié)果見表2。

表2 不同石墨含量混凝土導熱系數(shù)

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

由圖2可知，當石墨含量在0～2 %的區(qū)間時，其導熱性能增長較緩，石墨含量達到2 %以后導熱系數(shù)持續(xù)快速增加。這是因為石墨內(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熱性，石墨的導熱性在室溫下具有非常高的導熱系數(shù)。提高石墨含量可有效增強材料的導熱能力。其結(jié)果顯示當石墨含量達到8 %時，試塊的導熱系數(shù)已達到約2.7 W/(m·K)。由函數(shù)曲線可得到導熱系數(shù)k與石墨含量百分比Cg之間的擬合關(guān)系式為

(1)

圖2 導熱系數(shù)增長曲線

2.2 石墨混凝土抗壓強度實驗

圖3 石墨混凝土抗壓強度實驗曲線

在標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7 d和28 d后，進行力學強度試驗測定試塊強度。采用TAW-2000微機控制電液伺服巖石三軸壓力機測定其單軸抗壓強度。

壓力機加荷速度取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度值。對于本次實驗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)護條件下，不同組別的混凝土的28d強度較7d強度均有不同程度的增長。0 %含量石墨組7 d抗壓強度實驗值為42.50 MPa，而28 d抗壓強度實驗值為47.00 MPa，增長10.6 %。2 %含量石墨組7 d抗壓強度實驗值為38.00 MPa，28 d抗壓強度實驗值為43.70 MPa，增長15 %。5 %含量石墨組7 d抗壓強度實驗值為28.50 MPa，28 d抗壓強度實驗值為35.97 MPa，增長26.2 %。8 %含量石墨組7 d抗壓強度實驗值為19.00 MPa，28 d抗壓強度實驗值為25.52 MPa，增長34.3 %。

圖4 導熱系數(shù)與抗壓強度正交曲線

進一步分析可知，不同石墨體積比試塊的28 d單軸抗壓強度分別為47.00、43.70、35.97、25.52 MPa。與不摻石墨混凝土相比，2 %石墨混凝土抗壓強度下降7.0 %，5 %石墨混凝土抗壓強度下降23.5 %，8 %石墨混凝土抗壓強度下降45.7 %，其下降的強度已接近原強度的一半。這是由于石墨作為粒度較細且化學性質(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，強度不高，因此過多地添加石墨對混凝土的強度不利。0 %不摻石墨混凝土實測強度大于C40強度等級，達到C45強度等級。而加入石墨之后強度呈現(xiàn)“加速下降”趨勢。但實測導熱系數(shù)增強呈現(xiàn)“加速上升”趨勢。

結(jié)合實測導熱系數(shù)與抗壓強度數(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 %時近似達到強度曲線與導熱系數(shù)曲線的相交點，此時導熱系數(shù)增長近1倍，抗壓強度下降23 %，可認為是在石墨體積率替代方案下的綜合考慮傳熱強化與強度下降的合理方案，為能源樁石墨混凝土現(xiàn)場施工提供參考。同時，本次實驗給出在石墨體積率替代方案下強度衰減規(guī)律，可結(jié)合工程實際能源樁樁體混凝土需要的強度進行配合比設(shè)計。

3 能源樁傳熱強化效果的驗證

3.1 能源樁傳熱特性模擬

圖5 能源樁數(shù)值模型

為驗證石墨混凝土對能源樁的換熱提升，使用COMSOL軟件進行數(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。水從螺旋管口進入后進行熱交換，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，將各項材料熱物性指標設(shè)為定值，樁體材料分別采用普通混凝土(導熱系數(shù)0.97 W/(m·K))和5 %石墨混凝土(導熱系數(shù)1.88 W/(m·K))進行對比。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行監(jiān)測的結(jié)果如圖6所示?？梢灾庇^看出，同樣工況下運行一周后，采用5 %石墨混凝土的能源樁的進出口水溫差為2.27 ℃，0 %石墨的普通混凝土的能源樁進出口水溫差為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，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熱系數(shù)與抗壓強度的變化規(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行導熱系數(shù)測定，驗證了石墨對于能源樁混凝土的傳熱強化性能。對石墨體積比0 %，2 %，5 %，8 %的不同石墨混凝土試塊進行導熱系數(shù)測試，導熱系數(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，其抗壓強度分別下降7.0 %、23.4 %、45.7 %，強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，導熱系數(shù)增長近1倍，抗壓強度下降23 %，可認為是在石墨體積率替代方案下的綜合考慮的傳熱強化與強度下降的合理方案。

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，且提升效果明顯。