CN104402349A - 一种地源热泵用地埋管回填材料及其制备方法 - Google Patents

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贾立群
朱科
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Abstract

本发明属于地热利用的技术领域，具体的涉及一种地源热泵用地埋管回填材料及其制备方法。该种地源热泵用地埋管回填材料，包括以下原料：通用硅酸盐水泥、粉煤灰、消泡剂、膨胀剂、膨润土、减水剂、骨料和水；其中通用硅酸盐水泥：粉煤灰：消泡剂：膨胀剂：膨润土：减水剂：骨料：水的质量比为1：（0～0.3）：（0～0.01）：（0.05～0.15）：（0.05～0.15）：（0.002～0.015）：（1～2）：（0.30～0.50）。利用工业尾矿配制出一种高性能的地埋管换热器回填材料，使其具有较高的热传导性能，同时具有较好的流动性、保水性、微膨胀和较强的抗渗能力。

Description

一种地源热泵用地埋管回填材料及其制备方法
技术领域
本发明属于地热利用的技术领域，具体的涉及一种地源热泵用地埋管回填材料及其制备方法。 
背景技术
地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源，进行能量交换的采暖空调系统。地热资源是量大面广，是一种清洁的可再生能源。研究者们都普遍认为，在目前和将来，地源热泵空调系统是最有前途的节能装置和系统，是地热利用的重要形式。回填是地埋管换热器施工过程中的重要的环节，即在钻孔完毕、下完U型管后，向钻孔中注入回填材料。它介于地埋管换热器的埋管与钻孔壁之间，用来增强埋管和周围岩土的换热；回填材料的选择以及正确的回填施工对于保证地埋管换热器的性能有重要的意义。
地源热泵需要在地层中钻孔，孔径一般在102mm到152mm之间，孔深在60m到100m。置于钻孔内的一个高密度聚乙烯U型管用来作为集热流体的流通管道，最后钻孔用可泵性的浆体回填。回填材料是热交换器与周围地层之间的热传输媒质。在地层情况一定的情况下，要求的钻孔的深度以及由此带来的初安装费用就取决于回填材料的热传导特性。
回填材料除了在热传导方面的要求外，还必须是现实可用的，环境友好的以及较低的成本，由于地埋管换热器的钻孔直径较小，且布有U型管有的还是双U型管，给回填材料的泵送带来了极大的挑战，这就要求其具有较好的流动性和保水性。水泥基材料会发生化学收缩和干燥收缩，导致回填材料与地层岩土之间，与U形管之间产生缝隙，这会造成这些接触面之间的接触热阻加大，影响传热效果，这就要求回填材料应该具备微膨胀及很好的与U型管及周围地层粘结，最大程度的减小接触热阻。回填材料不仅是热传导的媒质，同时还是封孔材料，要求其具备较低的渗透性，避免地表水对地下水的污染以及地下不同含水层之间的交叉污染。
目前现有技术中采用石英砂为骨料，通过骨料级配控制，外加剂等技术手段，制备地埋管回填材料，但制备成本较高，并且现有的地埋管回填材料是通过添加金属废弃物来提高其传热性能，这样埋于地下会对环境造成二次污染，所以现有地埋管回填材料的综合性能尚需进一步提高。 
发明内容
本发明的目的在于针对目前回填材料存在的热传导问题以及回填材料泵送难；接触热阻大；密封性能差等问题，提供一种地源热泵用地埋管回填材料及其制备方法，利用工业尾矿配制出一种高性能的地埋管换热器回填材料，使其具有较高的热传导性能，同时具有较好的流动性、保水性、微膨胀和较强的抗渗能力。
本发明的技术方案为：一种地源热泵用地埋管回填材料，包括以下原料：通用硅酸盐水泥、粉煤灰、消泡剂、膨胀剂、膨润土、减水剂、骨料和水；其中通用硅酸盐水泥：粉煤灰：消泡剂：膨胀剂：膨润土：减水剂：骨料：水的质量比为1：（0～0.3）：（ 0～0.01）：（0.05～0.15）：（0.05～0.15）：（0.002～0.015）：（1～2）：（ 0.30～0.50）；其中所述骨料由石英砂尾矿和花岗岩碎屑组成或者由花岗岩碎屑组成。
所述通用硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中至少一种；所述通用硅酸盐水泥的强度等级为大于等于42.5。
所述粉煤灰为Ⅱ级以上粉煤灰。
所述消泡剂的粘度大于800Pa.s。
所述膨胀剂在水中7d的限制膨胀率为大于等于0.025。
所述膨润土为钙基或钠基膨润土；膨胀容为大于等于20ml/g。
所述减水剂为奈系或聚羧酸减水剂，减水率为大于等于15%。
所述骨料的最大粒径不超过2.36mm。
所述骨料的级配为粒径大于1.18mm所占比例为15～45%；粒径大于0.6mm所占比例为40～65%；粒径大于0.3mm所占比例为65～90%；粒径大于0.15mm所占比例为90～100%。
一种所述地源热泵用地埋管回填材料的制备方法，首先将通用硅酸盐水泥、粉煤灰、骨料及粉状的外加剂进行干混均匀，加入水搅拌2～4min至浆体均匀，再加入液体外加剂进行搅拌2～4min至均匀；其中粉状的外加剂包括膨润土、膨胀剂、粉状的减水剂以及粉状的消泡剂；液体外加剂包括液体减水剂和液体消泡剂。
本发明的有益效果为：本发明所述地源热泵用地埋管回填材料高效节能，有效降低地源热泵系统的初投资及运行费用：1) 采用该高性能的地埋管回填材料可以使钻孔热阻减少20%～35%，有效提高节能效果，在达到相同节能效果的情况下，可使系统得初投资及运行费用有效降低，具有显著的经济效益。2) 所述地埋管回填材料的原料利用了工业尾矿，有效降低成本。
社会效益尤其环境效益显著：1) 该地埋管回填材料有效防止了地面水通过钻孔向地下渗透，以保护地下水不受地表污染物的污染，并防止各个蓄水层之间的交叉污染。2）地源热泵，是一种可持续发展的“绿色装置”，回填材料的选择以及正确的回填施工对于保证地埋管换热器的性能有重要的意义，符合可持续发展战略。3）原料利用工业尾矿，减少固体废弃物的排放，具有显著地社会效益。  
本发明采用花岗石、石英砂尾矿等工业尾矿为骨料，并通过进一步优化骨料级配、加入外加剂技术，进一步提高材料的施工性能，导热性能、抗渗性能，并降低生产成本，提高其性价比。
本发明中采用的花岗石和石英砂尾矿为天然矿产资源，不会对环境造成二次污染，避免了有可能出现的金属废弃物中存在的重金属污染的问题，符合环保和可持续发展的要求。
本发明所获得地埋管回填材料的产品性能如下：流动度：初始为大于等于300mm，30min后为大于等于260mm；抗压强度：28d大于等于45Mpa；竖向膨胀率：3h大于等于0.02%，24h与3h差值为0.02～0.5%；泌水率：0%；抗渗性：大于等于P8；导热系数：大于等于2.1 W/(m.K)。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行详细的说明。
实例1：
一种地源热泵用地埋管回填材料，包括以下原料：强度等级为52.5的普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰、粘度为1500Pa.s的有机硅消泡剂、膨胀剂、膨胀容为40ml/g的钠基膨润土、减水率为大于等于15%的聚羧酸减水剂、骨料和水；其中通用硅酸盐水泥：粉煤灰：消泡剂：膨胀剂：膨润土：减水剂：骨料：水的质量比为1：0.2：0.01： 0.1：0.05：0.002：1.5：0.30；其中所述骨料单独由花岗岩碎屑组成。
所述膨胀剂在水中7d的限制膨胀率为大于等于0.03。
所述骨料的最大粒径不超过2.36mm。
所述骨料的级配为粒径大于1.18mm所占比例为20%；粒径大于0.6mm所占比例为55%；粒径大于0.3mm所占比例为75%；粒径大于0.15mm所占比例为96%。
所述地源热泵用地埋管回填材料的制备方法，首先将通用硅酸盐水泥、粉煤灰、骨料及粉状的外加剂进行干混均匀，其中粉状的外加剂包括膨润土、膨胀剂，如果减水剂采用的为粉末状则在此加入，如果消泡剂采用的为粉末状则在此加入，然后加入水搅拌2～4min至浆体均匀，再加入液体外加剂，搅拌2～4min至均匀，其中减水剂如果为液体的在此处加入，如果消泡剂采用的为液体的也在此处加入。
本实施例1所述产品性能如下：流动度：初始为320mm，30min大于等于280mm；抗压强度：28d=65Mpa；竖向膨胀率：3h大于等于0.03， 24h与3h差值0.03；泌水率：0%；抗渗性：P10；导热系数：大于等于2.43 W/(m.K)。
实例2：
一种地源热泵用地埋管回填材料，包括以下原料：强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰、粘度为1000Pa.s的有机硅消泡剂、膨胀剂、膨胀容为20ml/g的钙基膨润土、减水率为大于等于15%的奈系减水剂、骨料和水；其中通用硅酸盐水泥：粉煤灰：消泡剂：膨胀剂：膨润土：减水剂：骨料：水的质量比为1：0.3：0.01：0.1： 0.1：0.008：1.5：0.40；其中所述骨料单独由花岗岩碎屑组成。
所述膨胀剂在水中7d的限制膨胀率为大于等于0.025。
所述骨料的最大粒径不超过2.36mm。
所述骨料的级配为粒径大于1.18mm所占比例为25%；粒径大于0.6mm所占比例为50%；粒径大于0.3mm所占比例为75%；粒径大于0.15mm所占比例为95%。
所述地源热泵用地埋管回填材料的制备方法，首先将通用硅酸盐水泥、粉煤灰、骨料及粉状的外加剂进行干混均匀，其中粉状的外加剂包括膨润土、膨胀剂，如果减水剂采用的为粉末状则在此加入，如果消泡剂采用的为粉末状则在此加入，然后加入水搅拌2～4min至浆体均匀，再加入液体外加剂，搅拌2～4min至均匀，其中减水剂如果为液体的在此处加入，如果消泡剂采用的为液体的也在此处加入。
本实施例2所述产品性能如下：流动度：初始为300mm，30min大于等于270mm；抗压强度：28d=45Mpa；竖向膨胀率：3h大于等于0.025， 24h与3h差值0.03；泌水率：0%；抗渗性：P8；导热系数：大于等于2.18 W/(m.K)。 

Claims (10)

1.一种地源热泵用地埋管回填材料，其特征在于，包括以下原料：通用硅酸盐水泥、粉煤灰、消泡剂、膨胀剂、膨润土、减水剂、骨料和水；其中通用硅酸盐水泥：粉煤灰：消泡剂：膨胀剂：膨润土：减水剂：骨料：水的质量比为1：（0～0.3）：（ 0～0.01）：（0.05～0.15）：（0.05～0.15）：（0.002～0.015）：（1～2）：（ 0.30～0.50）；其中所述骨料由石英砂尾矿和花岗岩碎屑组成或者由花岗岩碎屑组成。
2.根据权利要求1所述地源热泵用地埋管回填材料，其特征在于，所述通用硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中至少一种；所述通用硅酸盐水泥的强度等级为大于等于42.5。
3.根据权利要求1所述地源热泵用地埋管回填材料，其特征在于，所述粉煤灰为Ⅱ级以上粉煤灰。
4.根据权利要求1所述地源热泵用地埋管回填材料，其特征在于，所述消泡剂的粘度大于800Pa.s。
5.根据权利要求1所述地源热泵用地埋管回填材料，其特征在于，所述膨胀剂在水中7d的限制膨胀率为大于等于0.025。
6.根据权利要求1所述地源热泵用地埋管回填材料，其特征在于，所述膨润土为钙基或钠基膨润土；膨胀容为大于等于20ml/g。
7.根据权利要求1所述地源热泵用地埋管回填材料，其特征在于，所述减水剂为奈系或聚羧酸减水剂，减水率为大于等于15%。
8.根据权利要求1所述地源热泵用地埋管回填材料，其特征在于，所述骨料的最大粒径不超过2.36mm。
9.根据权利要求8所述地源热泵用地埋管回填材料，其特征在于，所述骨料的级配为粒径大于1.18mm所占比例为15～45%；粒径大于0.6mm所占比例为40～65%；粒径大于0.3mm所占比例为65～90%；粒径大于0.15mm所占比例为90～100%。
10.一种权利要求1所述地源热泵用地埋管回填材料的制备方法，其特征在于，首先将通用硅酸盐水泥、粉煤灰、骨料及粉状的外加剂进行干混均匀，然后加入水搅拌2～4min至浆体均匀，再加入液体外加剂进行搅拌2～4min至均匀；其中粉状的外加剂包括膨润土、膨胀剂、粉状的减水剂以及粉状的消泡剂；液体外加剂包括液体减水剂和液体消泡剂。
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