复合添加剂对地埋管回填材料综合性能的影响

费一超，周亚素，赵灵运，张永才

(东华大学 环境科学与工程学院， 上海 201620)

近年来，在建设节能环保型社会的过程中，各种形式的可再生能源被开发利用，例如暖通行业的地源热泵技术逐渐引起全球范围的关注。地源热泵由于具有能源利用可再生、节能效果显著、运行费用低、有利于环境保护等优点而得到广泛应用[1]。其中，对于地源热泵地埋管回填材料的研究颇多，常规的回填材料有黄沙、水泥和膨润土等。为了改善回填材料的性能，目前国内外研究人员通过添加各种添加剂，如建筑废弃物[2]、粉煤灰[3-5]、废钢渣[6-8]、石墨[9-10]等来提高回填材料的性能，这对地源热泵的长期高效稳定运行与未来健康发展具有重要意义[11]。

大量的废钢渣常年积累占据场地资源，且长时间置于水与土壤中会造成重金属污染，破坏生态平衡。在回填材料中添加废钢渣可以增加其内部摩擦角、黏聚力以及获得理想的弹性模量，经搅拌压实后，可以大幅提高回填材料的刚度和抗剪强度，且凝固后的材料使得废钢渣与外部环境隔离，从而减少废钢渣飘散，可避免水与土壤污染[7]。石墨的导热系数为80～150 W/(m·K)，其导热性能优于钢、铁、铅等金属材料，常温时化学性能稳定，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热阻，增加其导热系数，提高地源热泵换热效率[9]。

从现有的回填材料中研究发现，研究者普遍用某个单一添加剂替代常规的回填材料中的某种成分，这种添加确实能够增强回填材料的部分性能，然而，不同材料具有不同的基本属性，也会降低回填材料的其他一些性能。如邹玲[7]选用废钢渣作为回填材料添加剂进行研究发现，回填材料施工性能无明显变化，依然维持在一个较好水平，当替代砂的废钢渣质量分数以10%的间距增大时，饱水导热系数降低较快，降幅为0.02～0.21 W/(m·K)，废钢渣质量分数从0 增大到30%时，回填材料抗压强度保持不变，当废钢渣质量分数达到40%时，抗压强度显著降低。王冲[9]选用天然石墨作为回填材料添加剂进行研究发现：添加质量分数为3%、 6%、 9%的天然石墨粉后，回填材料导热系数分别达到了2.9、 3.0和3.2 W/(m·K)，强化传热效果明显；而当石墨质量分数为6%和9%时，回填材料抗压强度急剧降低，分别减小了37.6%和69.9%，严重影响回填材料的力学性能。

在分析了废钢渣与石墨作为回填材料添加剂的优缺点后发现，单独添加废钢渣或石墨时，在提高回填材料部分性能的同时破坏了其原有的某一性能。因此，本文通过将废钢渣和石墨同时作为回填材料添加剂，从施工性能、传热性能、力学性能3个角度分析寻找最优的材料配比，以此弥补单一添加剂对回填材料带来的不利影响，开发出性能完善的新型回填材料。

1 试验原料及方法

1.1 试验方案

为了进行性能对比，试验预先配置了一组常规回填材料的试样：水灰比值为0.55，砂灰比值为2.0，即水、水泥、砂的质量分数分别为15.5%、 28.2%、 56.3%。参考邹玲[7]和王冲[9]的试验方案，控制废钢渣质量分数为30%、石墨质量分数为3%时的回填材料性能相对较优，而本文考虑到同时添加废钢渣与石墨时，两种材料对回填材料性能的相互影响，因此采用等质量分数替代的方式，分别用石墨替代水泥，质量分数分别为2%、 3%、 4%、 5%、 6%，用废钢渣替代砂，质量分数分别为10%、 20%、 30%、 40%、 50%，两两组合配置新型回填材料试样25组。

样品的制作根据GB/T 50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》，将回填材料装入三联模中，试样与三联模一起在湿气中养护24 h，温度保持在(20±2)℃，相对湿度应不低于50%，24 h后将试样脱模，放至标准恒温恒湿养护箱中进行养护，养护箱温度保持在(20±1)℃，相对湿度不低于90%。依次进行回填材料的施工性能、力学性能与传热性能相关参数的测试。

1.2 试验原料

硫铝酸盐水泥，型号为po42.5，28 d抗压强度为45 MPa；天然石墨粉，规格为325目，选用纯度为95%；细黄沙，粒径为0.1～0.2 mm；废钢渣，粒径为0.5 mm，其粒径略大于细黄沙，可相对提高材料强度。

1.3 评价指标

使用添加剂的回填材料应具有良好的综合性能，常用施工性能、力学性能、传热性能的指标评价其性能优劣。

1.3.1 施工性能

在地埋管施工过程中，由于钻孔作业面狭窄、界面存在死角或回填盲区，要求回填材料能顺利注入钻孔内部，并充分填充与压实。流动性好的回填材料可以充满埋管与钻孔之间的空隙，使换热器与周围地层有良好的接触，进而减小接触热阻，增强换热效果[10]。

本文参照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》和GB/T 50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》，以流动度作为评价回填材料施工性能的指标，选用水泥胶砂流动度测定仪。将拌好的回填材料胶砂分两层迅速装入试模，按规定进行捣压，捣压完毕后取下模套，将小刀倾斜从中间向边缘分两次以近水平的角度抹去高出截锥圆模的胶砂，并擦去落在桌面上的胶砂，将截锥圆模垂直向上轻轻提起，立刻开动跳桌，以每秒一次的频率在(25±1)s内完成25次跳动，跳动完毕，用卡尺测量胶砂底面互相垂直的两个方向直径，计算平均值并取整数，单位为mm，该平均值即为回填材料的流动度。

1.3.2 传热性能

在地源热泵地埋管系统中，回填材料作为地埋管换热器和周围地层的传热介质，其将地下可利用的浅层地热能传递到换热器中供给系统的运行，提高回填材料的导热系数可以直接降低传热介质的热阻，提高传热效率，从而使地埋管的钻孔深度和数量适当减少，降低地源热泵的初装成本[10]。

本文以导热系数作为评价回填材料传热性能的指标，选用TCI导热系数测试仪，其基于的原理为瞬态平面热源法测试材料的导热系数，导热系数范围为0～220 W/(m·K)，精度优于5%。将回填材料试样平整面置于探测传感器之上，开启测试仪与软件即可直接读出试样的导热系数，每组测试的周期为60 s，其中，试样测试时间为5 s，探测传感器冷却时间为55 s。

1.3.3 力学性能

回填材料的良好力学性能可以保证足够的强度来固定U型管，通常回填材料的强度越大，材料的密实、抗渗性能也越好。在地源热泵地埋管系统工作期间，由于热应力或冻结应力的影响，当这些应力变化时会造成回填材料的结构性破坏，将危及其水密性和密封能力，因此，要求回填材料满足基本的力学强度[10]。

本文参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，以抗压强度作为评价回填材料力学性能的指标，选用电子万能材料试验机，该仪器最大负荷为2 000 kN，示值精度为±1%。将回填材料试样置于试验机压板之间，用软件控制上压板的下降速度为3 mm/min，直至试样被压至结构完全破坏后停止试验，测得抗压强度峰值作为该试样的抗压强度。

2 复合添加剂对回填材料性能的影响分析

常规回填材料的测试结果为流动度12.7 mm、导热系数2.19 W/(m·K)、抗压强度8.335 MPa，并以此数据为基础进行新型回填材料的指标增长率或下降率分析。

2.1 施工性能

复合添加剂回填材料的施工性能测试分析结果如图1和2所示。

(a) 流动度

(b) 流动度增长率图1 废钢渣质量分数对回填材料施工性能的影响Fig.1 Effect of scrap steel mass fraction on the construction performance of grouting material

由图1可知：在相同石墨质量分数下，随着废钢渣质量分数的提高，回填材料的流动度呈线性增加，说明废钢渣的添加有利于提高回填材料的施工性能。其中，在石墨质量分数为4%的回填材料流动度随废钢渣质量分数变化的斜率最大，增幅达到了8.4 mm， 增长幅度最为明显(如图1(a)所示)。在石墨质量分数为2%～4%下，随着废钢渣质量分数的增加，回填材料流动度增长率的变化幅度较大，最大增长率可达81.9%，而在石墨质量分数为5%～6%下，回填材料流动度的整体增长率变化幅度减小，且增长率近似趋于一致(如图1(b)所示)。

(a) 流动度

(b) 流动度增长率图2 石墨质量分数对回填材料施工性能的影响Fig.2 Effect of graphite mass fraction on the construction performance of grouting material

由图2可知，石墨对复合添加剂回填材料的流动度影响不大。而单独将石墨作为添加剂时，随着石墨质量分数的增加，回填材料流动度呈下降的趋势。因为石墨为无机物呈刚性，且具有疏水性和无流动性，石墨粒子对回填材料的流动起到了较大的阻碍作用，从而使其流动度减小。此外，在相同废钢渣质量分数下，当石墨质量分数为2%～4%时，回填材料的流动度略微增加，而超过4%时流动度有下降的趋势。这是因为石墨质量分数的增加对流动度的不利影响超过了废钢渣替代下的有利影响，造成了回填材料流动度的突然下降(如图2(a)所示)。在废钢渣质量分数为50%时，回填材料整体的流动度增长率最高，约为75%(如图2(b)所示)。

综上分析可知，从施工性能的角度考虑，新型回填材料推荐替代砂的废钢渣质量分数为50%、替代水泥的石墨质量分数为4%。

2.2 传热性能

复合添加剂回填材料的传热性能测试分析结果如图3和4所示。

(a) 导热系数

(b) 导热系数下降率图3 废钢渣质量分数对回填材料传热性能的影响Fig.3 Effect of scrap steel mass fraction on the heat-transfer performance of grouting material

(a) 导热系数

(b) 导热系数下降率图4 石墨质量分数对回填材料传热性能的影响Fig.4 Effect of graphite mass fraction on the heat-transfer performance of grouting material

由图3可知，在相同石墨质量分数下，随着废钢渣质量分数的提高，回填材料的导热系数明显降低(如图3(a)所示)。回填材料的导热系数下降率均超过14%，从整体来看，石墨质量分数为2%时的降幅最大，最多可达24.9%，随后随着石墨质量分数的提高，整体的降幅有所减小(如图3(b)所示)。

由图4可知，在相同废钢渣质量分数下，当石墨质量分数为2%～3%时，回填材料的导热系数变化不大，之后随着石墨质量分数增加，导热系数呈明显增大趋势。由此可以发现，随着石墨的添加可以很好地弥补废钢渣对回填材料导热系数的不利影响(如图4(a)所示)。在相同石墨质量分数下，随着废钢渣质量分数的提高，回填材料导热系数下降率有所增加。而在废钢渣质量分数为20%时，随着石墨质量分数的提高，最大可以弥补6.5%左右导热系数的损失(如图4(b)所示)。

综上分析可知，从传热性能的角度考虑，新型回填材料推荐替代砂的废钢渣质量分数为10%、替代水泥的石墨质量分数为6%。

2.3 力学性能

复合添加剂回填材料的力学性能测试分析结果如图5和6所示。

由图5可知，在相同石墨质量分数下，随着废钢渣质量分数的提高，回填材料的抗压强度呈先增加后下降且趋于平稳的趋势。在废钢渣质量分数为10%～30%时，回填材料的抗压强度随着废钢渣质量分数的增加而明显上升，最大值可达16.463 MPa，而废钢渣质量分数超过30%后，抗压强度均有不同程度的下降(如图5(a)所示)。在相同石墨质量分数下的回填材料抗压强度增长率均随着废钢渣质量分数的提高呈先上升后又略有降低的趋势(如图5(b)所示)。

(a) 抗压强度

(b) 抗压强度增长率图5 废钢渣质量分数对回填材料力学性能的影响Fig.5 Effect of scrap steel mass fraction on the mechanical performance of grouting material

(a) 抗压强度

(b) 抗压强度增长率图6 石墨质量分数对回填材料力学性能的影响Fig.6 Effect of graphite mass fraction on the mechanical performance of grouting material

由图6可知，在相同废钢渣质量分数下，随着石墨质量分数的提高，回填材料的抗压强度并没有非常明显的变化。因为废钢渣对抗压强度的有利影响与石墨的不利影响产生了抵消，使得回填材料的抗压强度基本维持在一个较为平稳的区间内，而其中又以废钢渣质量分数为30%的回填材料抗压强度平均值最高(如图6(a)所示)。在废钢渣质量分数为30%时，回填材料整体的抗压强度增长率最高，其中5%石墨质量分数的抗压强度增长率达到97.5%(如图6(b)所示)。

综上分析可知，从力学性能的角度考虑，新型回填材料推荐替代砂的废钢渣质量分数为30%、替代水泥的石墨质量分数为5%。

3 回填材料综合性能分析

从上述试验结果分析可知，废钢渣质量分数和石墨质量分数对回填材料的流动度、导热系数、抗压强度的影响程度不同，且废钢渣质量分数对这3个指标的影响均非常显著，而石墨质量分数仅对导热系数的影响显著。因此，针对废钢渣和石墨的不同特点，以及评判回填材料3种不同性能指标的重要性，在此运用综合评分法，兼顾废钢渣、石墨质量分数，找出使两个指标都尽可能好的水平，据此评判新型回填材料的综合性能。

为了体现3个性能指标对回填材料影响的重要程度，分别选择熵权法(客观)和优序图法(主观)确定流动度、导热系数和抗压强度的权重分配，取两者权重平均数，为方便计算，在此对计算结果进行取整处理。3种性能的权重分配具体计算结果如表1所示。

表1 权重分配计算结果Table 1 Results of weight allocation %

设定废钢渣质量分数为因素A，其10%、 20%、 30%、 40%、 50%质量分数水平分别为1、 2、 3、 4、 5；石墨质量分数为因素B，其2%、 3%、 4%、 5%、 6%质量分数水平分别为1、 2、 3、 4、 5。由表1可知，选择流动度、导热系数和抗压强度的权重占比分别为30%、 50%、 20%，通过综合评分法计算，具体结果如表2所示。

表2 综合评分法计算结果Table 2 Results of integrated score method

由表2可知，在25组试验方案中，其最优水平组合为A5B2，其评分最高为108.86，即废钢渣质量分数为50%和石墨质量分数为3%时，该配比下的回填材料综合性能最优。

平均每个水平废钢渣质量分数的5组试验综合评分结果如图7所示。

(b) 石墨图7 不同废钢渣和石墨质量分数下的评分情况Fig.7 Score of scrap steel and graphite mass fraction

由图7(a)可知，当废钢渣质量分数在10%～40%内变化过程中，评分均值总体呈现一个上升的趋势，而当废钢渣质量分数超过40%时，其评分均值有所下降。当石墨质量分数在2%～6%内变化过程中，评分均值总体呈现上升的趋势(如图7(b)所示)。

因此，综合考虑各水平的评分均值情况，可以认为将替代砂的废钢渣质量分数控制在40%、替代水泥的石墨质量分数控制在6%，可以得到综合性能最优的回填材料。

4 结 语

采用废钢渣和石墨同时替代常规的回填材料(水灰比0.55、砂灰比2.0)中的砂和水泥，从施工性能、传热性能、力学性能的3个指标(流动度、导热系数、抗压强度)进行分析，并运用综合评分法评估后，得到以下结论：

(1) 控制废钢渣质量分数为50%和石墨质量分数为4%，可以使回填材料得到良好的施工性能；

(2) 控制废钢渣质量分数为10%和石墨质量分数为6%，可以使回填材料得到良好的传热性能；

(3) 控制废钢渣质量分数30%和石墨质量分数为5%，可以使回填材料得到良好的力学性能；

(4) 综合考虑回填材料的施工性能、传热性能、力学性能，发现在废钢渣质量分数40%，石墨质量分数为6%时，其综合性能最优。