本發(fā)明涉及傳熱技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種傳熱強(qiáng)化型混凝土及其制備方法。

背景技術(shù)：

能源樁是一種新型的地下熱交換器地源熱泵系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱新型的熱泵系統(tǒng))，即直接將熱交換管埋設(shè)于建筑物的樁基中，利用混凝土的導(dǎo)熱性能，完成與周圍巖土體的熱量交換，并實(shí)現(xiàn)與上部建筑結(jié)構(gòu)的熱量傳遞，以達(dá)到建筑物冬暖夏涼的效果。

一方面，與傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)相比，能源樁節(jié)省了高額的鉆孔費(fèi)用，進(jìn)一步地，新型的熱泵系統(tǒng)合理地利用清潔能源，節(jié)能效果顯著。另一方面，將熱交換管設(shè)置在樁基內(nèi)部使得施工質(zhì)量得到較好的保證，具有更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。因此從1984年奧地利首次使用了能源樁技術(shù)后，該技術(shù)在歐美各國(guó)迅速得到廣泛的使用，近年來(lái)我國(guó)也有一些工程使用了能源樁技術(shù)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)能源樁的研究主要關(guān)注于改變熱交換管的埋設(shè)方式，來(lái)提高樁基與周圍巖土體的換熱效率。但是由于大直徑的鋼筋混凝土樁的導(dǎo)熱性能較差，進(jìn)而導(dǎo)致傳熱效率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種傳熱強(qiáng)化型混凝土及其制備方法，用于提高普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，增大傳熱效率。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明的第一方面提供一種傳熱強(qiáng)化型混凝土，該傳熱強(qiáng)化型混凝土包括：普通混凝土和石墨，其中，普通混凝土包括水泥、砂、石子、水以及減水劑，其中，石墨所占的傳熱強(qiáng)化型混凝土的體積百分比小于或者等于25％。

傳熱強(qiáng)化型混凝土在普通混凝土中加入了石墨，由于石墨是碳的一種同素異形體，具有高導(dǎo)熱系數(shù)(導(dǎo)熱系數(shù)值達(dá)到129w/m·k)，大大提高了能源樁的導(dǎo)熱能力與傳熱效率，且石墨的價(jià)格便宜、易于獲得。

普通混凝土中水泥、砂、石子、水以及減水劑的配比為：248至314份水泥、185份水、586至750份砂、1172至1244份石子以及6至9份減水劑，以上均為質(zhì)量配比。

普通混凝土中水泥、砂、石子、水以及減水劑的配比為：300份水泥、700份砂、1200份石子、185份水以及7份減水劑，以上均為質(zhì)量配比。

石墨為粒度大于3000目，質(zhì)量純度大于99％的石墨粉。

減水劑為木質(zhì)素磺酸鹽類，多環(huán)芳香族鹽類，或水溶性樹(shù)脂磺酸鹽類。

在40℃溫度環(huán)境下，石墨體積含量為5％的傳熱強(qiáng)化型混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.62W/(m·K)。

在40℃溫度環(huán)境下，石墨體積含量為10％的傳熱強(qiáng)化型混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.76W/(m·K)。

在40℃溫度環(huán)境下，石墨體積含量為15％的傳熱強(qiáng)化型混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.91W/(m·K)。

在40℃溫度環(huán)境下，石墨體積含量為25％的傳熱強(qiáng)化型混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為2.84W/(m·K)。

在40℃溫度環(huán)境下，普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.71W/(m·K)。

本發(fā)明的第二方面提供一種傳熱強(qiáng)化型混凝土的制備方法，該傳熱強(qiáng)化型混凝土的制備方法包括：

步驟一、將水泥、砂、石子、水以及減水劑進(jìn)行攪拌，制備出普通混凝土的拌合物。

步驟二、在在上述制備出的普通混凝土的拌合物中加入石墨并進(jìn)行攪拌，制備出傳熱強(qiáng)化型混凝土。

根據(jù)上述傳制備方法可得到傳熱強(qiáng)化型混凝土，由于傳熱強(qiáng)化型混凝土中加入石墨，從而使得其導(dǎo)熱系數(shù)增大，傳熱效率增強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中導(dǎo)熱系數(shù)-溫度的曲線圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中傳熱強(qiáng)化型混凝土的熱量傳遞方向圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中傳熱強(qiáng)化型混凝土的制備方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

為了本領(lǐng)域技術(shù)人員更好的理解本發(fā)明，首先將對(duì)能源樁進(jìn)行解釋：

建筑工程中，樁基是指由樁和連接樁頂?shù)臉冻信_(tái)組成的深基礎(chǔ)，或由柱與樁基連接的單樁基礎(chǔ)。樁基具有承載力高、沉降量小等特點(diǎn)，因而廣泛用于各種地質(zhì)條件的工程，尤其適宜在軟弱地基上建筑重型建筑物中采用。能源樁是將熱交換管埋入/植入在樁基內(nèi)的熱泵系統(tǒng)，利用其從地表獲取淺層地溫能，充分地利用混凝土良好的導(dǎo)熱性能，與周圍大地形成熱交換的元件。

埋入/植入的熱交換管的方式有多種，示例性地，包括采用U型、雙U串聯(lián)型、三U型、雙W型、或螺旋型的布置，將熱交換管埋入/植入混凝土中。

實(shí)施例一

本實(shí)施例提供了一種傳熱強(qiáng)化型混凝土，該傳熱強(qiáng)化型混凝土包括：普通混凝土和石墨，其中，普通混凝土包括水泥、砂、石子、水以及減水劑，其中，石墨所占的傳熱強(qiáng)化型混凝土的體積百分比小于或者等于25％。

傳熱強(qiáng)化型混凝土在普通混凝土中加入了石墨，由于石墨是碳的一種同素異形體，具有高導(dǎo)熱系數(shù)(導(dǎo)熱系數(shù)值達(dá)到129w/m·k)，大大提高了該傳熱強(qiáng)化型混凝土的導(dǎo)熱能力，進(jìn)一步地，也提高了其傳熱效率。

示例性地，普通混凝土中水泥、砂、石子、水以及減水劑的配比為：248至314份水泥、185份水、586至750份砂、1172至1244份石子以及6至9份減水劑，以上均為質(zhì)量配比。本實(shí)施中，優(yōu)選的，普通混凝土中水泥、砂、石子、水以及減水劑的配比如下：300份水泥、700份砂、1200份石子、185份水以及7份減水劑，以上均為質(zhì)量配比。

減水劑的加入，一方面，對(duì)水泥顆粒具有分散作用，減少單位用水量，改善混凝的流動(dòng)性且節(jié)約水泥。示例性地，本實(shí)施例中的減水劑可為木質(zhì)素磺酸鹽類，多環(huán)芳香族鹽類，或水溶性樹(shù)脂磺酸鹽類。當(dāng)然，本實(shí)施例也可使用其他材質(zhì)的減水劑。

進(jìn)一步地，在普通混凝土中增加石墨，從而得到傳熱強(qiáng)化型混凝土，添加的石墨為粒度大于3000目，質(zhì)量純度大于99％的石墨粉。一方面，粉狀的石墨更容易與混凝土進(jìn)行混合。另一方面，石墨粉的價(jià)格便宜、易于獲得，在提高導(dǎo)熱能力的同時(shí)，并沒(méi)有增加傳熱強(qiáng)化型混凝土的制備成本，并且，由于石墨粉具有較高的比表面積，耐高溫，耐氧化，從而進(jìn)一步地增加了該傳熱強(qiáng)化型混凝土的牢固性。

本發(fā)明由于在普通混凝土中添加了石墨作為導(dǎo)熱添加劑，大大的增加了普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)。為了驗(yàn)證該傳熱強(qiáng)化型混凝土的導(dǎo)熱性能，本實(shí)例按照在混凝土中添加不同體積百分比的石墨作為自變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。石墨所占傳熱強(qiáng)化型混凝土體積百分百小于或等于25％，示例性地，下面以石墨所占體積百分比分別為0(即只含有混凝土)、5％、10％、15％以及25％為例，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及測(cè)試結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的描述：

首先，確定對(duì)所有試樣進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，本實(shí)施例優(yōu)選地溫度檢測(cè)系統(tǒng)為DRE-III多功能快速導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀(以下簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀)，該導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀采用瞬態(tài)平面熱源法對(duì)試樣進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試。瞬態(tài)平面熱源法測(cè)定材料熱物性的原理是基于無(wú)限大介質(zhì)中階躍加熱的圓盤形熱源產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度響應(yīng)。利用熱阻性材料做成一個(gè)平面的探頭，同時(shí)作為熱源和溫度傳感器。鎳的熱阻系數(shù)-溫度和電阻的關(guān)系呈線性關(guān)系，即通過(guò)了解電阻的變化可以知道熱量的損失，從而反映上述每一個(gè)試樣的導(dǎo)熱性能。

接著，確定用于導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀上的探頭，本實(shí)施優(yōu)選地，采用Hot Disk作為導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀的探頭。

選好設(shè)備之后，則需對(duì)所要測(cè)試的試樣進(jìn)行分組。具體地，石墨體積含量為0的傳熱強(qiáng)化型混凝土的試樣個(gè)數(shù)為4，組號(hào)為A；石墨體積含量為5％的傳熱強(qiáng)化型混凝土的試樣個(gè)數(shù)為4，組號(hào)為B；石墨體積含量為10％的傳熱強(qiáng)化型混凝土的試樣個(gè)數(shù)為4，組號(hào)為C；石墨體積含量為15％的傳熱強(qiáng)化型混凝土的試樣個(gè)數(shù)為4，組號(hào)為D；石墨體積含量為25％的傳熱強(qiáng)化型混凝土的試樣個(gè)數(shù)為4，組號(hào)為E?？偣?0個(gè)試樣，分為5組，且每一個(gè)試樣的尺寸均為Φ50×30mm。

進(jìn)一步地，分別對(duì)每一組不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并將每一組4個(gè)樣品測(cè)試的平均值作為改組的導(dǎo)熱系數(shù)值，其測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1不同溫度下每一組的導(dǎo)熱系數(shù)值

取每組測(cè)試結(jié)果的平均值作為該組在該溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，并繪制導(dǎo)熱系數(shù)-溫度曲線圖，如圖1所示。

繼續(xù)參見(jiàn)圖1可知，在40℃溫度環(huán)境下，A組的導(dǎo)熱系數(shù)為1.71W/(m·K)；B組的導(dǎo)熱系數(shù)為1.62W/(m·K)；C組的導(dǎo)熱系數(shù)為1.76W/(m·K)；D組的導(dǎo)熱系數(shù)為1.91W/(m·K)；E組的導(dǎo)熱系數(shù)為2.84W/(m·K)。相較于A組而言，E組的導(dǎo)熱系數(shù)提高了1.66倍。其余溫度下，每一組的導(dǎo)熱系數(shù)值進(jìn)行參照表1，在此不再贅述。

另外，可進(jìn)一步地確定該傳熱強(qiáng)化型混凝土的熱交換值，具體地：

根據(jù)如下公式計(jì)算熱交換管中的交換液與周圍巖土體的熱量交換：其中，T₁與T₅分別為交換液與巖土體的溫度，R_T為總熱阻。

總熱阻的計(jì)算公式如下：R_T＝R_Fluid+R_pipe+R_concrete+R_groud；其中，R_Fluid為液體流動(dòng)熱阻值，R_pipe為熱交換管熱阻值，R_concrete為傳熱強(qiáng)化型混凝土熱阻值，R_groud為巖土體熱阻值。

液體流動(dòng)熱阻值的計(jì)算公式如下：其中，γ_i為內(nèi)部管道半徑，d為熱交換管的管道數(shù)量，h為對(duì)流換熱系數(shù)；熱交換管熱阻值的計(jì)算公式如下：其中，r₀為熱交換管的外部管道半徑，k_p為熱交換管的管道金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)；傳熱強(qiáng)化型混凝土熱阻值的計(jì)算公式如下：其中，r_b為樁基半徑，k_c為傳熱混凝土材料的導(dǎo)熱系數(shù)，其中為有效半徑，n為樁的根數(shù)。

值得一提的是，參照?qǐng)D2，本發(fā)明著重于提高傳熱混凝土材料的導(dǎo)熱系數(shù)k_c，用于降傳熱強(qiáng)化型混凝土熱阻值R_concrete。原溫度線如虛線所示，當(dāng)提高傳熱混凝土材料導(dǎo)熱系數(shù)k_c后溫度線如實(shí)線所示。混凝土與土壤交界面溫度由T4提高到T4′，熱阻降低的情況下提高了能源樁的換熱效率。

實(shí)施例二

本實(shí)施例提供一種傳熱強(qiáng)化型混凝土的制備方法，傳熱強(qiáng)化型混凝土的制備方法適用于上述實(shí)施例一所涉及到的傳熱強(qiáng)化型混凝土。其中，如圖3所示，該傳熱強(qiáng)化型混凝土的制備方法包括：

步驟一、將水泥、砂、石子、水以及減水劑進(jìn)行攪拌，制備出普通混凝土的拌合物。

步驟二、在在上述制備出的普通混凝土的拌合物中加入石墨并進(jìn)行攪拌，制備出傳熱強(qiáng)化型混凝土。

該傳熱強(qiáng)化型混凝土的制備方法還包括，在制備出的普通混凝土的拌合物中加入石墨之后，添加一定量的水，進(jìn)行攪拌之后，得到傳熱強(qiáng)化型混凝土。需要注意的是，上述“添加一定量的水”為經(jīng)驗(yàn)值，其作用為使拌合物的坍落度達(dá)到150mm，從而得到傳熱效果更好的混凝土。坍落度是指混凝土的和易性，用于判斷施工能否正常進(jìn)行。

和易性是指混凝土是否易于施工操作和均勻密實(shí)的性能，是一個(gè)很綜合的性能其中包含流動(dòng)性、黏聚性和保水性。影響和易性主要有單位體積用水量、水灰比、砂率以及包括水泥品種、骨料條件、時(shí)間和溫度、外加劑等幾個(gè)方面。

利用上述方法制備的傳熱強(qiáng)化型混凝土，由于在普通混凝土中添加了石墨，從而使其導(dǎo)熱系數(shù)增大，傳熱效率增強(qiáng)。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。