CN113461381A - 一种传热强化型SiC混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种传热强化型SiC混凝土及其制备方法，属于混凝土技术领域。该混凝土包括：普通混凝土和SiC，其中，普通混凝土包括水泥、砂、石子以及水，SiC等质量替换砂，所占传热强化型混凝土的质量百分比小于或者等于15％，根据实际情况调整配比。优选混凝土中水泥、砂、石子、水配比如下：450份水泥、609份砂和SiC、1136份石子、205份水。制备时，将水泥、砂、石子、SiC进行干拌，使材料均匀混合；将混合后的干拌物加入水，继续搅拌；待材料充分混合后，迅速测定其塌落度，塌落度在55‑75mm时即满足和异性要求。本发明制备出传热强化型混凝土，该传热强化型SiC混凝土在保证混凝土自身强度的同时，可增大导热系数，提升传热效率，且制备工艺简单，成本低。

Description

一种传热强化型SiC混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土技术领域，特别是指一种传热强化型SiC混凝土及其制备方法。

背景技术

能源桩是一种新型的地下热交换器地源热泵***(以下简称新型的热泵***)，即直接将热交换管埋设于建筑物的桩基中，利用混凝土的导热性能，完成与周围岩土体的热量交换，并实现与上部建筑结构的热量传递，以达到建筑物冬暖夏凉的效果。

原本地源热泵需要单独设置一片场地来进行埋管换热器的钻孔、安装等操作，这一步骤与桩基的建设是完全分离的。但现在两者结合起来，节省了大量的土地空间，有利于城市的推广；同时由于不用单独为地源热泵钻孔，只需在桩浇筑前安装埋管，因此也节省了钻孔的费用，节约了部分成本；再者由于混凝土材料导热系数较许多土壤的导热系数要高，且回填密实性好，埋管换热器被安装在桩基础里面，较钻孔埋管形式有较好的传热性能，故将混凝土材料作为地源热泵的回填材料还有着不错的换热效果。因此从1984年奥地利首次使用了能源桩技术后，该技术在欧美各国迅速得到广泛的使用，近年来我国也有一些工程使用了能源桩技术。

目前国内外对能源桩的研究主要关注于优化埋管形式与提高桩材导热性能两大方向，涉及传热机制与换热增强、热力结构响应、群桩效应等多个方面来提高桩基与周围岩土体的换热效率。目前的研究中，一些典型的混凝土，例如钢纤维混凝土，强度有一定提升，但导热性能提升有限，成本上升。而石墨混凝土，导热性能大大提高，强度则出现了明显的损失，这不利于结构的安全性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种传热强化型SiC混凝土及其制备方法，在保证普通混凝土自身强度的同时，提高其导热系数，增大传热效率，热学性能和力学性能都有所提高。

该传热强化型SiC混凝土在普通混凝土中用SiC等质量部分替换砂子，其中，普通混凝土由水泥、砂子、石子和水制成，SiC所占传热强化型SiC混凝土的质量百分比小于或者等于15％。

其中，水泥、砂子和SiC、石子、水的质量比为：400至470份水泥、586至750份砂子和SiC、1050至1200份石子、190至210份水。

优选的，水泥、砂子和SiC、石子、水的质量比为：450份水泥、609份砂子和SiC、1136份石子、205份水。

SiC为工业36目，质量含量大于95％的黑SiC。

水泥为P.O.42.5级硅酸盐水泥。砂子和石子级配良好，其含泥量低、化学性质稳定、抗硫酸盐腐蚀性强。

在25℃温度环境下，SiC质量含量为5％的传热强化型SiC混凝土的导热系数为1.922W/(m·K)。

在25℃温度环境下，SiC质量含量为10％的传热强化型SiC混凝土的导热系数为2.206W/(m·K)。

在25℃温度环境下，SiC质量含量为15％的传热强化型SiC混凝土的导热系数为2.47W/(m·K)。

该传热强化型SiC混凝土的制备方法，包括步骤如下：

(1)将水泥、砂子和SiC、石子进行干拌，使材料均匀混合；

(2)向充分混合后的干拌物中加入水，继续搅拌；

(3)待材料充分混合后，迅速测定其塌落度，塌落度在55-75mm时即满足和易性要求，制备出传热强化型SiC混凝土。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，制备出传热强化型混凝土该传热强化型SiC混凝土在保证混凝土自身强度的同时，可增大导热系数，提升传热效率，且制备工艺简单，成本低。

附图说明

图1为本发明实施例中不同SiC含量混凝土的导热系数；

图2为本发明实施例中传热强化型混凝土的热量传递方向图；

图3为本发明实施例中不同SiC含量混凝土7d和28d的抗压强度；

图4为本发明实施例中传热强化型SiC混凝土的制备方法流程图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种传热强化型SiC混凝土及其制备方法。

为了本领域技术人员更好的理解本发明，首先将对能源桩进行解释：

建筑工程中，桩基是指由桩和连接桩顶的桩承台组成的深基础，或由柱与桩基连接的单桩基础。桩基具有承载力高、沉降量小等特点，因而广泛用于各种地质条件的工程，尤其适宜在软弱地基上建筑重型建筑物中采用。能源桩是将热交换管埋入/植入在桩基内的热泵***，利用其从地表获取浅层地温能，充分地利用混凝土良好的导热性能，与周围大地形成热交换的元件。

埋入/植入的热交换管的方式有多种，示例性地，包括采用U型、双U串联型、三U型、双W型、或螺旋型的布置，将热交换管埋入/植入混凝土中。

本发明中，传热强化型SiC混凝土在普通混凝土中用SiC等质量替换部分砂子，其中，普通混凝土由水泥、砂子、石子和水制成，SiC所占传热强化型SiC混凝土的质量百分比小于或者等于15％。

本发明传热强化型SiC混凝土在普通混凝土中加入了SiC，它具有以下特征：

(1)其导热系数同样远超铁、铜等金属材料，比石墨的导热系数略小；

(2)具有良好的化学稳定性，SiC在常温下耐酸碱，抗腐蚀，不与水泥中成分发生反应。能在不影响混凝土水化热的同时，提升混凝土的导热能力。

(3)SiC的硬度大，强度高，不吸水，其粉末质地与砂相似，适合作为细骨料的替代品。

因此将SiC这种材料加入混凝土，制作强化传热型混凝土，有望在保证混凝土强度的同时，大幅加强混凝土的传热能力，进而提升能源桩的换热效率，其为提高能源桩的热效益提供了一种全新、有效的依据。

如图4所示，该传热强化型SiC混凝土的制备方法，包括步骤如下：

(1)将水泥、砂子和SiC、石子进行干拌，使材料均匀混合；

(2)向充分混合后的干拌物中加入水，继续搅拌；

(3)待材料充分混合后，迅速测定其塌落度，塌落度在55-75mm时即满足和易性要求，制备出传热强化型SiC混凝土。

下面结合具体实施例予以说明。

实施例1

本实施例提供了一种传热强化型SiC混凝土，为了更加直观地反应该传热强化型混凝土的导热效果做如下分析。该传热强化型混凝土包括：普通混凝土和SiC，其中，普通混凝土包括水泥、砂子、石子以及水，其中，将SiC视为细骨料，等质量替换砂子，SiC所占的传热强化型混凝土的质量百分比小于或者等于15％。将SiC这种材料加入混凝土，制作强化传热型混凝土，有望在保证混凝土强度的同时，大幅加强混凝土的传热能力，进而提升能源桩的换热效率。

示例性地，混凝土中水泥、砂子、石子以及水的配比为：400至470份水泥、190至210份水、586至750份砂和SiC、1050至1200份石子，以上均为质量配比。本实施例中，优选的，混凝土中水泥、砂子和SiC、石子、水配比如下：450份水泥、609份砂子和SiC、1136份石子、205份水，以上均为质量配比。

进一步地，将SiC视为细骨料，等量替换砂子，从而得到传热强化型混凝土，添加的SiC的粒径与混凝土用砂的粒径基本一致，SiC含量约95％的工业36目黑碳化硅。一方面，SiC导热系数同样远超铁、铜等金属材料，比石墨的导热系数略小。另一方面，SiC具有良好的化学稳定性，SiC在常温下耐酸碱，抗腐蚀，不与水泥中成分发生反应。能在不影响混凝土水化热的同时，提升混凝土的导热能力。此外，SiC的硬度大，强度高，不吸水，其粉末质地与砂相似，适合作为细骨料的替代品。

本发明由于将SiC视为细骨料，在普通混凝土中等质量替换砂子，在保证普通混凝土强度的同时，大大的增加了其导热系数。为了验证该传热强化型SiC混凝土的导热性能，本实例按照在混凝土中添加不同质量百分比的SiC作为自变量进行实验。SiC所占传热强化型混凝土质量百分百小于或等于15％，示例性地，下面以SiC所占质量百分比分别为0(即普通混凝土)、5％、10％以及15％为例，对实验过程以及测试结果进行详细的描述：

首先，确定对所有试样进行导热系数测试的温度检测***，本实施例优选地温度检测***为DRE-III多功能快速导热系数测试仪(以下简称导热系数测试仪)，该导热系数测试仪采用瞬态平面热源法对试样进行导热系数的测试。瞬态平面热源法测定材料热物性的原理是基于无限大介质中阶跃加热的圆盘形热源产生的瞬态温度响应。利用热阻性材料做成一个平面的探头，同时作为热源和温度传感器。镍的热阻系数-温度和电阻的关系呈线性关系，即通过了解电阻的变化可以知道热量的损失，从而反映上述每一个试样的导热性能。

接着，确定用于导热系数测试仪上的探头，本实施优选地，采用HotDisk作为导热系数测试仪的探头，其材料为金属镍，这种材料的电阻值对温度较为敏感。

选好设备之后，则需对所要测试的试样进行分组。具体地，SiC质量含量为0的传热强化型混凝土的试样个数为3，组号为A；SiC质量含量为5％的传热强化型混凝土的试样个数为3，组号为B；SiC质量含量为10％的传热强化型混凝土的试样个数为3，组号为C；SiC质量含量为15％的传热强化型混凝土的试样个数为3，组号为D。总共12个试样，分为4组，且每一个试样的尺寸均为100mm×100mm×100mm。

进一步地，分别对每一组在25℃温度环境下的导热系数进行测试，并将每一组3个样品测试的平均值作为改组的导热系数值，其测试结果如表1所示。

表1 不同SiC含量的混凝土导热系数值

取每组测试结果的平均值作为该组在该温度下的导热系数，并绘制导热系数-温度曲线图，如图1所示。

继续参见图1可知，在25℃温度环境下，A组的导热系数为1.581W/(m·K)；B组的导热系数为1.922W/(m·K)；C组的导热系数为2.206W/(m·K)；D组的导热系数为2.470W/(m·K)。相较于A组而言，D组的导热系数提高了1.56倍。其余温度下，每一组的导热系数值进行参照表1，在此不再赘述。

另外，可进一步地确定该传热强化型混凝土的热交换值，具体地：

根据如下公式计算热交换管中的交换液与周围岩土体的热量交换：

其中，T₁与T₄分别为交换液与岩土体的温度，R_T为能源桩***总热阻。

总热阻的计算公式：R_T＝R_F+R_P+R_C+R_S，其中，R_F为液体流动热阻值；R_P为热交换管热阻值；R_C为传热强化型混凝土热阻值；R_S为岩土体热阻值。

液体流动热阻值的计算公式如下：

其中，γ_i为内部管道半径，d为热交换管的管道数量，h为对流换热系数；热交换管热阻值的计算公式如下：

其中，r₀为热交换管的外部管道半径，γ_i为内部管道半径，k_p为热交换管的管道金属材料的导热系数，n为桩的根数；传热强化型混凝土热阻值的计算公式如下：

其中，r_b为桩基半径，k_c为传热混凝土材料的导热系数，

为有效半径。

值得一提的是，参照图2，本发明着重于提高传热混凝土材料的导热系数k_c，用于降传热强化型混凝土热阻值R_C。原温度线如虚线所示，当提高传热混凝土材料导热系数k_c后温度线如实线所示。混凝土与土壤交界面温度由T4提高到T4’，热阻降低的情况下提高了能源桩的换热效率。

实施例2

本实施例，为了测定混凝土的抗压强度能有效反映SiC对混凝土力学性能的影响，因此分别对混凝土试样养护7d和28d后进行立方抗压实验。制备了0％SiC含量的普通混凝土和5％、10％、15％SiC含量的传热强化型混凝***四组试块，试块尺寸100mm×100mm×100mm，为非标准尺寸立方抗压试块，尺寸换算系数需取0.95，混凝土每立方的混凝土用料与实施例1相同。每组三个试块进行加载，将三个试块的抗压强度取算数平均值作为最终结果。

试验开始前，将混凝土试块从养护室中取出，并将试样表面和压力机的上下承压板擦拭干净。将试样放置在试验机下承压板上，并使试样中心与上下承压板中心对齐。开动试验机，使得上承压板与试样接近，并留有一定空隙，随后正式开始进行加载。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T能源桩多介质传热增强与换热量分析-28-50081-2002)的要求，对于试样设计强度在20 C30-C60之间的，压力机加载速度取0.5-0.8Mpa/s。所有试样的抗压强度统计结果列于表2。

表2 不同SiC含量的混凝土的抗压强度

从表中可以看出，不同SiC含量的混凝土试块其28d强度相比7d强度都有所提高。0％SiC含量的普通混凝土28d的抗压强度为46.64MPa，较7d强度增加10.87MPa，提升33.17％；5％SiC混凝土28d的抗压强度为43.43MPa，较7d强度增加11.24Mpa，提升34.92％；10％SiC混凝土28d的抗压强度为45.62MPa，较7d强度增加10.77Mpa，提升30.90％；15％SiC混凝土28d的抗压强度为46.61MPa，较7d强度增加11.49Mpa，提升32.72％。不同SiC含量混凝土7d和28d的抗压强度作图，得到图3：

参见图3可知，当SiC含量在5％时，其7d和28d的抗压强度与普通C40混凝土没有太大区别，两者数值接近，只相差0.12MPa、0.2MPa左右但当SiC含量达到10％时，混凝土强度有明显提升，其28d抗压强度相比普通混凝土增长了1.98MPa，增长幅度为4.5％。当SiC含量达到15％时，其28d抗压强度相比普通混凝土增长2.97MPa，增长幅度为6.8％。这说明SiC的存在可以提升混凝土的强度。

实施例3

本实施例提供一种传热强化型混凝土的制备方法，传热强化型混凝土的制备方法适用于上述实施例一所涉及到的传热强化型混凝土。其中，如图4所示，该传热强化型混凝土的制备方法包括：

步骤一、将水泥、砂、石子、SiC进行干拌，使材料均匀混合；

步骤二、将上述材料充分混合后的干拌物加入一定量的水，继续搅拌；

步骤三、待材料充分混合后，迅速测定其塌落度，塌落度在55-75mm时即满足和异性要求，制备出传热强化型混凝土。

需要注意的是，上述“加入一定量的水”为经验值，其作用为使拌合物的坍落度达到150mm，从而得到传热效果更好的混凝土。坍落度是指混凝土的和易性，用于判断施工能否正常进行。

和易性是指混凝土是否易于施工操作和均匀密实的性能，是一个很综合的性能其中包含流动性、黏聚性和保水性。影响和易性主要有单位体积用水量、水灰比、砂率以及包括水泥品种、骨料条件、时间和温度、外加剂等几个方面。

利用上述方法制备的传热强化型混凝土，其导热系数增大，传热效率增强。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种传热强化型SiC混凝土，其特征在于：在普通混凝土中用SiC等质量部分替换砂子，其中，普通混凝土由水泥、砂子、石子和水制成，SiC所占传热强化型SiC混凝土的质量百分比小于或者等于15％。

2.根据权利要求1所述的传热强化型SiC混凝土，其特征在于：所述水泥、砂子和SiC、石子、水的质量比为：400至470份水泥、586至750份砂子和SiC、1050至1200份石子、190至210份水。

3.根据权利要求2所述的传热强化型SiC混凝土，其特征在于：所述水泥、砂子和SiC、石子、水的质量比为：450份水泥、609份砂子和SiC、1136份石子、205份水。

4.根据权利要求1所述的传热强化型SiC混凝土，其特征在于：所述SiC为工业36目，质量含量大于95％的黑SiC。

5.根据权利要求1所述的传热强化型SiC混凝土，其特征在于：所述水泥为P.O.42.5级硅酸盐水泥。

6.根据权利要求1所述的传热强化型SiC混凝土，其特征在于：在25℃温度环境下，SiC质量含量为5％的传热强化型SiC混凝土的导热系数为1.922W/(m·K)。

7.根据权利要求1所述的传热强化型SiC混凝土，其特征在于：在25℃温度环境下，SiC质量含量为10％的传热强化型SiC混凝土的导热系数为2.206W/(m·K)。

8.根据权利要求1所述的传热强化型SiC混凝土，其特征在于：在25℃温度环境下，SiC质量含量为15％的传热强化型SiC混凝土的导热系数为2.47W/(m·K)。

9.根据权利要求1所述的传热强化型SiC混凝土的制备方法，其特征在于：包括步骤如下：

(1)将水泥、砂子和SiC、石子进行干拌，使材料均匀混合；

(2)向充分混合后的干拌物中加入水，继续搅拌；

(3)待材料充分混合后，迅速测定其塌落度，塌落度在55-75mm时即满足和易性要求，制备出传热强化型SiC混凝土。

Images