基于石墨混凝土的能源桩传热特性强化研究

隋智力，赵春雷，李庆文，孟媛，张祥勇，李文利

(1.北京城市学院 城市建设学部， 北京 100083；2.北京科技大学 土木与资源工程学院， 北京 100083；3.中国新兴建设开发有限责任公司， 北京 100039)

0 引言

能源桩是地源热泵应用的一种新形式，它将地下换热器融合到建筑结构的地基基础中。相较于传统地源热泵，能源桩减少了单独钻孔及埋管回填的步骤，降低了工程成本。同时利用了桩体自身混凝土作为导热材料，较传统地源热泵回填材料的导热系数更高，热阻更低，传热效率更高。将埋管置于建筑桩基中，大大减小了地下空间的占用，有着极大的推广前景。

能源桩桩体的直径较大，其内部埋管换热器的几何形式丰富。同时，桩体内部进行的换热过程对能源桩最终的换热量有着很大的影响[1-5]。因此，提高能源桩工作效率，研究能源桩换热过程中温度场及力学响应，并对能源桩传热强化与力学强度开展研究对于提高能源桩工作效率与结构安全有重要的意义[6-7]。能源桩的换热效率受到例如管径、埋管形式、管内流体流速、桩体材料等多方面因素影响[8-17]，而目前对于能源桩传热的研究，主要仍从传热计算、传热过程、桩体承载力、温度场分布等方面开展[18-21]，对于增强能源桩传热特性的桩体材料研究较为有限。然而，通过添加一定高导热系数物质来提高能源桩工作效率是切实可行的方案。因此，本文从桩体材料方面着手，对提升能源桩换热效率进行研究，通过添加高导热系数的石墨粉制备石墨混凝土并研究其导热性能和力学性质。通过使用COMSOL数值模拟软件验证其对能源桩传热的强化效果。

1 石墨混凝土的制备

本实验采用青岛天盛达公司生产的32目大鳞片石墨粉，其主要化学成分为C(含碳量99 %)，以及少量的Al2O3、MgO、CaO等成分。配合比的选择严格参考《普通混凝土设计规程》[22]中对最大水胶比与最小用水量、水泥用量、砂率等指标的设计方法，设计强度C40。同时考虑到石墨混凝土要求一定的流动性与坍落度，选用坍落度为55～70 mm的配合比进行设计(图1-a)。水泥采用标准P.O 42.5，其比重为3∶1，初凝时间不早于45 min，终凝时间不迟于12 h。选用中砂(黄砂)，砂率为33 %，水胶比为0.41。将石墨看作细骨料替代砂子，设计4组0 %，2 %，5 %，8 %不同体积比含量的石墨进行实验。依据《混凝土外加剂应用技术规范》[23]，并根据试验确定聚羧酸减水剂用量，将母液与水充分混合之后再倒入水泥砂子中进行搅拌。配合比见表1。

表1 石墨混凝土试块配合比

采用人工手拌的方式，先将减水剂母液加入一定量水中形成减水剂溶液，再将石墨、砂、水泥拌和均匀后，加入一定量溶液继续搅拌。待出浆后加入石子和剩余水进行搅拌。拌和完成后立即测量塌落度，保证其满足和易性要求。

混凝土拌和完成后装入试模里，为了防止有气泡在试件内部形成，需要用捣棒从边缘向中间进行捣实，用其余的混凝土填补后使用刮刀刮平。贴上标签放入室内，静置24 h后拆模，试块(图1)尺寸为100 mm×100 mm×100 mm[图1(b)]，放入标准恒温恒湿养护箱[图1(c)]。

(a) 坍落度测试示意图

2 石墨混凝土性能测试

2.1 石墨混凝土导热性能测试

试验采用DRE-III多功能导热系数测试仪进行测定，测量探头材料为金属镍，使用温度：-50～150 ℃，最大功率为10 w，最大电压为20 V，最大电流1 A，电阻为10 Ω。探头总厚度，包括黏结层为(0.16±0.02)mm，测试时先用石英玻璃标定，其结果见表2。

表2 不同石墨含量混凝土导热系数

根据测量结果，绘制了石墨含量与试块导热系数的关系曲线，如图2。

由图2可知，当石墨含量在0～2 %的区间时，其导热性能增长较缓，石墨含量达到2 %以后导热系数持续快速增加。这是因为石墨内部的碳原子有剩余电子，与相邻平面上碳原子的剩余电子作为电子云存在于网状平面之间，使石墨具有良好的导热性，石墨的导热性在室温下具有非常高的导热系数。提高石墨含量可有效增强材料的导热能力。其结果显示当石墨含量达到8 %时，试块的导热系数已达到约2.7 W/(m·K)。由函数曲线可得到导热系数k与石墨含量百分比Cg之间的拟合关系式为

(1)

图2 导热系数增长曲线

2.2 石墨混凝土抗压强度实验

图3 石墨混凝土抗压强度实验曲线

在标准恒温恒湿养护箱中养护7 d和28 d后，进行力学强度试验测定试块强度。采用TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴压力机测定其单轴抗压强度。

压力机加荷速度取0.5～0.8 MPa/s。对于每种配比的三组试块取算术平均值，当最大值或最小值超过中间值的15 %时，把最大值与最小值一并舍除，取中间值作为该组的抗压强度值。对于本次实验100 mm×100 mm×100 mm试样，尺寸换算系数取0.95得到最终抗压强度。其最终结果如图3所示。

图3数据表明，在恒温恒湿养护条件下，不同组别的混凝土的28d强度较7d强度均有不同程度的增长。0 %含量石墨组7 d抗压强度实验值为42.50 MPa，而28 d抗压强度实验值为47.00 MPa，增长10.6 %。2 %含量石墨组7 d抗压强度实验值为38.00 MPa，28 d抗压强度实验值为43.70 MPa，增长15 %。5 %含量石墨组7 d抗压强度实验值为28.50 MPa，28 d抗压强度实验值为35.97 MPa，增长26.2 %。8 %含量石墨组7 d抗压强度实验值为19.00 MPa，28 d抗压强度实验值为25.52 MPa，增长34.3 %。

图4 导热系数与抗压强度正交曲线

进一步分析可知，不同石墨体积比试块的28 d单轴抗压强度分别为47.00、43.70、35.97、25.52 MPa。与不掺石墨混凝土相比，2 %石墨混凝土抗压强度下降7.0 %，5 %石墨混凝土抗压强度下降23.5 %，8 %石墨混凝土抗压强度下降45.7 %，其下降的强度已接近原强度的一半。这是由于石墨作为粒度较细且化学性质稳定的片状结构，其内部孔隙较多，会增大混凝土的内部缺陷，同时石墨质软，强度不高，因此过多地添加石墨对混凝土的强度不利。0 %不掺石墨混凝土实测强度大于C40强度等级，达到C45强度等级。而加入石墨之后强度呈现“加速下降”趋势。但实测导热系数增强呈现“加速上升”趋势。

结合实测导热系数与抗压强度数据可得到二者正交曲线，见图4，可发现石墨体积百分比在5 %时近似达到强度曲线与导热系数曲线的相交点，此时导热系数增长近1倍，抗压强度下降23 %，可认为是在石墨体积率替代方案下的综合考虑传热强化与强度下降的合理方案，为能源桩石墨混凝土现场施工提供参考。同时，本次实验给出在石墨体积率替代方案下强度衰减规律，可结合工程实际能源桩桩体混凝土需要的强度进行配合比设计。

3 能源桩传热强化效果的验证

3.1 能源桩传热特性模拟

图5 能源桩数值模型

为验证石墨混凝土对能源桩的换热提升，使用COMSOL软件进行数值模拟分析。能源桩换热系统由换热液、换热埋管、桩体材料及周围土体构成。关于U型、双U型、W型、螺旋型等不同埋管形式对于能源桩传热的影响，目前研究普遍认为螺旋型换热效率最大，故本次模拟采用螺旋型埋管。螺旋半径0.3 m，螺距0.3 m。水从螺旋管口进入后进行热交换，并从直线管上升至桩顶出水口。桩基半径0.4 m，桩长15 m，桩周土体设计为长宽均为9 m，高18 m的长方体。模型网格划分如图5所示。

为简化分析，将各项材料热物性指标设为定值，桩体材料分别采用普通混凝土(导热系数0.97 W/(m·K))和5 %石墨混凝土(导热系数1.88 W/(m·K))进行对比。埋管为PVC材质，换热液为水。土壤密度为1 800 kg/m3，导热系数为1.5 W/(m·K)，比热容1 200 J/(kg·K)。

模型模拟工程中夏季能源桩的实际工况，循环水流速设定为0.5 m/s，入口水温32 ℃,土壤温度为17 ℃。模拟能源桩持续工作一周，并不断记录出口水温

3.2 模拟结果分析

图6 不同桩体材料能源桩出口水温曲线

对不同桩体材料的能源桩的出口水温进行监测的结果如图6所示。可以直观看出，同样工况下运行一周后，采用5 %石墨混凝土的能源桩的进出口水温差为2.27 ℃，0 %石墨的普通混凝土的能源桩进出口水温差为1.82 ℃。这表明采用5 %石墨混凝土的能源桩的换热能力较普通能源桩更强，且提升效果明显。

4 结论

通过开展石墨混凝土能源桩的传热特性研究，分析了不同石墨百分比混凝土试件的导热系数与抗压强度的变化规律，并基于数值模拟的方法，探讨了石墨对混凝土传热特性强化的影响，得出的主要结论如下：

① 通过制作石墨混凝土试块进行导热系数测定，验证了石墨对于能源桩混凝土的传热强化性能。对石墨体积比0 %，2 %，5 %，8 %的不同石墨混凝土试块进行导热系数测试，导热系数平均值分别为0.97、1.24、1.88、2.73 W/(m·K)，呈加速上升趋势。

② 对石墨混凝土(C40配合比设计)而言，加入的石墨体积比为2 %、5 %、8 %时，其抗压强度分别下降7.0 %、23.4 %、45.7 %，强度呈逐渐下降的趋势。通过分析发现，石墨体积比为5 %时，导热系数增长近1倍，抗压强度下降23 %，可认为是在石墨体积率替代方案下的综合考虑的传热强化与强度下降的合理方案。

③ COMSOL软件的有限元数值模拟的结果表明，采用5 %石墨混凝土的能源桩的换热能力较普通能源桩更强，且提升效果明显。