CN108484038A - 一种适用于岩土层地质的回填材料以及制备方法 - Google Patents
一种适用于岩土层地质的回填材料以及制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108484038A CN108484038A CN201810302558.3A CN201810302558A CN108484038A CN 108484038 A CN108484038 A CN 108484038A CN 201810302558 A CN201810302558 A CN 201810302558A CN 108484038 A CN108484038 A CN 108484038A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- parts
- backfilling material
- water
- rock
- soil layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 110
- 239000002689 soil Substances 0.000 title claims abstract description 48
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 11
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 claims abstract description 29
- 230000009974 thixotropic effect Effects 0.000 claims abstract description 26
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims abstract description 25
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims abstract description 22
- 230000008961 swelling Effects 0.000 claims abstract description 20
- 239000011398 Portland cement Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000006004 Quartz sand Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000002518 antifoaming agent Substances 0.000 claims abstract description 17
- 229910000278 bentonite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000000440 bentonite Substances 0.000 claims abstract description 14
- SVPXDRXYRYOSEX-UHFFFAOYSA-N bentoquatam Chemical compound O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O SVPXDRXYRYOSEX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims description 34
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 34
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 18
- 239000004568 cement Substances 0.000 claims description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- 229940092782 bentonite Drugs 0.000 claims description 13
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 12
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 12
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims description 11
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 11
- ONCZQWJXONKSMM-UHFFFAOYSA-N dialuminum;disodium;oxygen(2-);silicon(4+);hydrate Chemical group O.[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Na+].[Na+].[Al+3].[Al+3].[Si+4].[Si+4].[Si+4].[Si+4] ONCZQWJXONKSMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229940080314 sodium bentonite Drugs 0.000 claims description 10
- 229910000280 sodium bentonite Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 8
- WMGSQTMJHBYJMQ-UHFFFAOYSA-N aluminum;magnesium;silicate Chemical compound [Mg+2].[Al+3].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] WMGSQTMJHBYJMQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229920005646 polycarboxylate Polymers 0.000 claims description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000013530 defoamer Substances 0.000 claims description 5
- 229920001903 high density polyethylene Polymers 0.000 claims description 5
- 239000004700 high-density polyethylene Substances 0.000 claims description 5
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 2
- 239000003469 silicate cement Substances 0.000 claims 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract description 14
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 12
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 11
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 9
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 3
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 19
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 239000002440 industrial waste Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 3
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 3
- 235000019738 Limestone Nutrition 0.000 description 2
- 235000012241 calcium silicate Nutrition 0.000 description 2
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 2
- 239000010440 gypsum Substances 0.000 description 2
- 229910052602 gypsum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004816 latex Substances 0.000 description 2
- 229920000126 latex Polymers 0.000 description 2
- 239000006028 limestone Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 2
- 239000002562 thickening agent Substances 0.000 description 2
- 241001074085 Scophthalmus aquosus Species 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000012864 cross contamination Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 1
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 description 1
- 210000004209 hair Anatomy 0.000 description 1
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 1
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 1
- 238000001802 infusion Methods 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000036314 physical performance Effects 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002352 surface water Substances 0.000 description 1
- 239000008399 tap water Substances 0.000 description 1
- 235000020679 tap water Nutrition 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
- C04B28/02—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
- C04B28/04—Portland cements
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B33/00—Sealing or packing boreholes or wells
- E21B33/10—Sealing or packing boreholes or wells in the borehole
- E21B33/13—Methods or devices for cementing, for plugging holes, crevices or the like
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Soil Conditioners And Soil-Stabilizing Materials (AREA)
- Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)
Abstract
本发明涉及新型材料以及环保地热领域，尤其涉及一种适用于岩土层地质的回填材料以及制备方法。包含以下重量份的原料：硅酸盐水泥1.0份、水0.50‑0.60份、石英砂1.5‑2.5份、膨润土0.003‑0.011份、膨胀剂0.03‑0.07份、触变润滑剂0.001‑0.005份、减水剂0.01‑0.018份、消泡剂0.002‑0.01份。采用如上技术方案的本发明，相对于现有技术有如下有益效果：此回填材料的提出对于保证地埋管换热器的施工质量和运行性能，降低地埋管换热器的初投资和占地面积具有重要意义，有助于利用可再生能源的地源热泵技术的推广应用，符合保护环境、节能降耗的可持续发展战略，具有显著的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及新型材料以及环保地热领域，尤其涉及一种适用于岩土层地质的回填材料以及制备方法。
背景技术
地源热泵技术通过闭式地埋管换热器夏季向土壤中释放热量、冬季从土壤中吸收热量，通过热泵实现对建筑物供冷供热。由于利用了可再生的浅层地能，地源热泵技术与传统空气源热泵系统相比具有更高的效率和可靠的效能。近年来，地源热泵系统已成为各类建筑物中央空调系统的节能选择。地埋管换热器是地源热泵技术利用浅层地能的核心构件，我国目前应用较多的地埋管换热器形式是竖直地埋管换热器。
原来的地热都是就地土材直接回填，且在岩土层地质中无法操作，下管后的钻孔内是充满泥浆的，目前也是行业难题。在岩土层地质条件下的地埋管换热器施工时，多采用泥浆泵钻孔，使用正循环回转钻井工艺。在钻机驱动钻具回转钻井的同时，利用泵将水从钻杆中心孔中压入孔底，冲洗孔底。水携带切屑沿钻杆与孔壁之间的外环状空间上升，从孔口流向沉淀池，形成正循环回转钻井。因此，下管后的钻孔内是充满泥浆的，如何使回填材料取代泥浆切实填满整个钻孔也是岩土层地质条件下的地埋管回填必须解决的问题。
而且，提高回填材料的导热系数可以有效增强地埋管换热器的换热性能，但回填材料的导热系数也并非越高越好。理论计算表明，当回填材料的导热系数低于周围土壤的导热系数时，增大回填材料的导热系数有利于提高地埋管换热器总的换热能力。但是当回填材料的导热系数高于周围土壤的导热系数时，增大回填材料的导热系数对提高换热器总的换热能力的影响不再明显。而且回填材料的导热系数过大时，反而会增强U型管支管间的“热短路”现象。
目前关于地埋管换热器回填材料的研究取得了不小的进展，但是大多配方复杂，包含工业废料，而且缺乏适用于不同地质条件下的高性价比回填材料的探讨。
地源热泵系统中的循环水通过在钻孔内埋置的高密度聚乙烯循环管内流动，实现与浅层土壤的换热。在浅层地能的热传递过程中，最先是循环管壁与钻孔内回填材料之间的换热，然后才是与钻孔周围土壤的换热过程，回填材料是实现循环水与土壤之间换热的重要环节。因此，回填材料是保证地埋管换热器换热性能和施工质量的重要材料，其传热性能将直接影响地埋管换热器的换热效率，进而影响地埋管换热器的钻孔埋管总长度、整个地源热泵系统的初投资及运行费用。通常情况下，要求地埋管换热器的回填材料首先具备良好的导热性能、施工性能和力学性能，其次具有环保性、耐久性和经济性。
根据实际施工情况调研，目前原浆回填和粗砂回填在岩土层地质条件下的地埋管地源热泵实际工程中应用较为广泛。显然，原浆回填、粗砂回填具有经济方面的优势而且施工较为方便。但是据测试，原浆和粗砂材料本身的导热系数不高。而且当其受热脱水时，还会在管壁与土壤之间产生较大的接触热阻，这对地埋管换热器的传热相当不利。
发明内容
发明的目的：为了提供一种效果更好的适用于岩土层地质的回填材料以及制备方法，具体目的见具体实施部分的多个实质技术效果。
为了达到如上目的，本发明采取如下技术方案：
方案一：
一种适用于岩土层地质的回填材料，其特征在于，包含以下重量份的原料：硅酸盐水泥1.0份、水0.50-0.60份、石英砂1.5-2.5份、膨润土0.003-0.011份、膨胀剂0.03-0.07份、触变润滑剂0.001-0.005份、减水剂0.01-0.018份、消泡剂0.002-0.01份。
本发明进一步技术方案在于，所述膨润土为钠基膨润土，膨胀容≥20ml/g。
本发明进一步技术方案在于，所述膨胀剂为UEA膨胀剂，在水中7d限制膨胀率≥0.025％。
本发明进一步技术方案在于，所述触变润滑剂硅酸镁铝触变润滑剂，触变值≥7。
本发明进一步技术方案在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
本发明进一步技术方案在于，所述消泡剂为有机硅消泡剂，其粘度大于800Pa.s。
制备如上任意一项所述的回填材料的方法，包含如下步骤，
步骤一：将回填材料包装袋拆开，拿出外加剂袋拆开后，向钠基膨润土、减水剂、膨胀剂、消泡剂、触变润滑剂中加入要求的水量，搅拌10秒钟，要注意防止搅拌速度过快引起空气夹带；
步骤二：打开水泥袋，将水泥逐渐加入混合物中，并增加搅拌器速度，搅拌1-2分钟；
步骤三：打开砂袋，将石英砂逐渐加入混合物中，搅拌直到均匀(5分钟内)即可得回填材料浆体。
一种适用于岩土层地质的利用地热的制备方法，其特征在于，包含如下步骤，
竖直地埋管换热器的通常做法是在土壤中钻孔；
然后将高密度聚乙烯管以单U型或双U型的型式下于钻孔内，最后用可泵性的浆体回填材料通过下管时预置于钻孔内的下浆管将钻孔进行回填；所述的回填材料包含以下重量份的原料：硅酸盐水泥1.0份、水0.50-0.60份、石英砂1.5-2.5份、膨润土0.003-0.011份、膨胀剂0.03-0.07份、触变润滑剂0.001-0.005份、减水剂0.01-0.018份、消泡剂0.002-0.01份；
换热的时候，在浅层地能的热传递过程中，最先是循环管壁与钻孔内回填材料之间的换热，然后才是与钻孔周围土壤的换热过程。
触变润滑剂在制备可泵性的浆体回填材料中以及在地热应用中的用途。
采用如上技术方案的本发明，相对于现有技术有如下有益效果：此回填材料的提出对于保证地埋管换热器的施工质量和运行性能，降低地埋管换热器的初投资和占地面积具有重要意义，有助于利用可再生能源的地源热泵技术的推广应用，符合保护环境、节能降耗的可持续发展战略，具有显著的经济效益和社会效益。
附图说明
为了进一步说明本发明，下面结合附图进一步进行说明：
图1为本发明单U管施工结构示意图；
图2为本发明双U管施工结构示意图；
本附图为本装置主要部件组成的示意图，不代表本发明的外形尺寸、连接方式、装配形式、位置关系等，图示省略了部分手动阀门、管件等。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
本专利提供多种并列方案，不同表述之处，属于基于基本方案的改进型方案或者是并列型方案。每种方案都有自己的独特特点。
在上述技术背景下，本发明针对常见地埋管换热器施工地点的岩土层地质条件，基于实际工程中常用的原浆/粗砂的回填方案进行研究和改良，在控制成本的前提下，提出了一种适用于岩土层地质条件下的地源热泵地埋管换热器钻孔回填所需的高性价比回填材料的配方及制备方法，可有效提高施工效率，降低用于岩土层地质条件下的地埋管换热器的初投资及占地面积，并保障整个地源热泵系统的长期稳定运行。
为了保证所提出的回填材料的环保性，防止其破坏地下岩土环境，本发明不在回填材料中添加工业废料。此外，发明中创新性地在回填材料的外加剂中使用了硅酸镁铝触变润滑剂。触变润滑剂的加入可以减少砂粒和水泥间的摩擦，减少砂浆泵的摩擦，提高回填材料浆体的润滑性，使其更容易泵送；同时可减缓回填材料浆体的凝固时间并延长回填材料浆体的开放时间；减少回填材料浆体分层，使其内部结构一致，增大其传热性能。配方中的触变润滑剂可使回填材料具有更简便的施工性能和更高效的施工效率；此外可降低回填材料与高密度聚乙烯管壁及钻孔壁之间的接触热阻，提高地埋管换热器的换热性能。
本发明基于大量的试制实验，对不同配方回填材料的导热性能、施工性能和力学性能进行对比分析。充分结合岩土层地质条件的特点，在考虑环保性、耐久性和经济性的前提下，本专利配制出了适用于岩土层地质条件的高性价比回填材料配方，其导热系数可达2.346W/m·K，稠度可达11.35cm，膨胀率可达0.058％，同时具备优良的施工性能。
此外，本发明所推出的配方中，所有原料可提前调配封袋后运输，易于实现工业化量产，在施工现场只需拆袋并加入定量水拌合均匀后直接回灌，可有效提高地埋管换热器的施工效率。本发明还提供了一种适用于本发明所提出的高性价比回填材料的包装工艺方法，包括：
将外加剂(包括钠基膨润土、减水剂、膨胀剂、消泡剂、触变润滑剂)按照比例干混均匀，包装时将25Kg硅酸盐水泥分装为水泥袋；将适用于25Kg硅酸盐水泥的外加剂单独使用防水袋分装为外加剂袋；将适用于25Kg硅酸盐水泥的粒径为0.5～1mm之间的石英砂分装为砂袋；最后将水泥袋、外加剂袋和砂袋装入一个回填材料袋中，出厂运输。
本发明采用的技术方案如下：
一种适用于岩土层地质条件下的地源热泵地埋管换热器钻孔的高性价比回填材料，由以下重量份的原料组成：硅酸盐水泥1.0份、水0.50-0.60份、石英砂1.5-2.5份、膨润土0.003-0.011份、膨胀剂0.03-0.07份、触变润滑剂0.001-0.005份、减水剂0.01-0.018份、消泡剂0.002-0.01份。
本发明配方中的硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥，是以硅酸钙为主的硅酸盐水泥熟料，包含重量5％以下的石灰石，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，水泥的强度等级≥42.5；
本发明配方中的石英砂是石英石经破碎加工而成的粒径为0.5～1mm之间的石英颗粒，在本发明中作为回填材料的骨料；
本发明配方中的膨润土为钠基膨润土，膨胀容≥20ml/g，在本发明中作为回填材料的增稠剂、乳胶稳定剂，使回填材料拌合物有较好的流变性；
本发明配方中的膨胀剂为UEA膨胀剂，在水中7d限制膨胀率≥0.025％，膨胀性结晶水化物产生的压应力挤压水泥水化物钙矾石等形成微膨胀砂浆，可使回填材料凝固时产生的膨胀力充实钻孔与埋管间的空隙，有效减小接触热阻；
本发明配方中的触变润滑剂硅酸镁铝触变润滑剂，触变值≥7。触变润滑剂可提高回填材料浆体的润滑性，使其更容易泵送；同时可延长回填材料浆体的开放时间；减少回填材料浆体分层，增大其传热性能；
本发明配方中的减水剂为聚羧酸减水剂，减水率≥20％，在本发明中有效降低回填材料的收缩；
本发明配方中的消泡剂为有机硅消泡剂，其粘度大于800Pa.s，在本发明中的功能是消除在拌合过程中物料形成的泡沫，可使回填材料更加密实，从而增强其导热性能。
本发明还提供了一种适用于岩土层地质条件下的地源热泵地埋管换热器钻孔回填所需的高性价比回填材料的制备方法，包括：
步骤一：将回填材料包装袋拆开，拿出外加剂袋拆开后，向外加剂(包括钠基膨润土、减水剂、膨胀剂、消泡剂、触变润滑剂)中加入要求的水量，搅拌大约10秒钟，要注意防止搅拌速度过快引起空气夹带。
步骤二：打开水泥袋，将水泥逐渐加入混合物中，并增加搅拌器速度，搅拌1-2分钟。
步骤三：打开砂袋，将石英砂逐渐加入混合物中，搅拌直到均匀(5分钟内)即可得回填材料浆体。
本发明的有益效果包括经济效益和社会效益两个方面：
本发明提出的适用于岩土层地质条件下的地源热泵地埋管换热器钻孔回填所需的高性价比回填材料，制备简单，成本低廉，施工方便。可以有效减小地埋管换热器的U型埋管与土壤间的传热热阻，从而明显增强地埋管换热器的换热量。一方面可以减小埋管总长度，降低地埋管换热器的初投资和占地面积；另一方面可以使地埋管换热器的出口水温冬季较高，夏季较低，从而保障地埋管地源热泵系统的长期高效运行，降低整个系统的运行费用。
本发明提出的适用于岩土层地质条件下的地源热泵地埋管换热器钻孔回填所需的高性价比回填材料配方中，以水泥和石英砂为主料，没有添加工业废料，回填至钻孔内后对地下岩土层的影响很小，自身对地下环境无污染。此外，此回填材料具有微膨胀性，地埋管换热器在完成回填后可有效封闭钻孔空间，可以防止地表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，同时可以防止各个蓄水层之间的交叉污染。
此回填材料的提出对于保证地埋管换热器的施工质量和运行性能，降低地埋管换热器的初投资和占地面积具有重要意义，有助于利用可再生能源的地源热泵技术的推广应用，符合保护环境、节能降耗的可持续发展战略，具有显著的经济效益和社会效益。
本发明针对常见地埋管换热器施工地点的岩土层地质条件，基于实际工程中常用的原浆/粗砂的回填方案进行研究和改良，在控制成本的前提下，提出了一种适用于岩土层地质条件下的地源热泵地埋管换热器钻孔回填所需的高性价比回填材料的配方及制备方法。为了保证所提出的高性价比回填材料的环保性，防止其破坏地下岩土环境，本发明不在回填材料中添加工业废料，而且创新性地在回填材料的外加剂中使用了硅酸镁铝触变润滑剂。本发明中的高性价比回填材料可有效提高施工效率，降低用于岩土层地质条件下的地埋管换热器的初投资及占地面积，并保障整个地源热泵系统的长期稳定运行。
本发明基于大量的试制实验，通过稠度试验、密度试验、保水性试验、凝结时间试验、膨胀率试验、抗压强度试验、热物性测试等操作，对不同配方回填材料的热物性能、施工性能和力学性能进行详细的对比分析。充分结合岩土层地质条件的特点，在考虑环保性、耐久性和经济性的前提下，本专利配制出了适用于岩土层地质条件的高性价比回填材料配方，其导热系数可达2.346W/m·K，稠度可达11.35cm，膨胀率可达0.058％，同时具备优良的施工性能。
本发明中适用于岩土层地质条件的高性价比回填材料配方组成：硅酸盐水泥1.0份、水0.50-0.60份、石英砂1.5-2.5份、膨润土0.003-0.011份、膨胀剂0.03-0.07份、触变润滑剂0.001-0.005份、减水剂0.01-0.018份、消泡剂0.002-0.01份。
本发明配方中的硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥，是以硅酸钙为主的硅酸盐水泥熟料，5％以下的石灰石，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，水泥的强度等级≥42.5；
本发明配方中的石英砂是石英石经破碎加工而成的粒径为0.5～1mm之间的石英颗粒，在本发明中作为回填材料的骨料；
本发明配方中的膨润土为钠基膨润土，膨胀容≥20ml/g，在本发明中作为回填材料的增稠剂、乳胶稳定剂，使回填材料拌合物有较好的流变性；
因此，本专利可以拟定的保护方案还可以是：膨润土在增加地热回填材料流变性中的用途。
本发明配方中的膨胀剂为UEA膨胀剂，在水中7d限制膨胀率≥0.025％，膨胀性结晶水化物产生的压应力挤压水泥水化物钙矾石等形成微膨胀砂浆，可使回填材料凝固时产生的膨胀力充实钻孔与埋管间的空隙，有效减小接触热阻；因此，本专利可以拟定的保护方案还可以是：UEA膨胀剂在制备减小接触热阻的地热回填材料中的用途。
本发明配方中的触变润滑剂硅酸镁铝触变润滑剂，触变值≥7。触变润滑剂可提高回填材料浆体的润滑性，使其更容易泵送；同时可延长回填材料浆体的开放时间；减少回填材料浆体分层，增大其传热性能；
本发明配方中的减水剂为聚羧酸减水剂，减水率≥20％，在本发明中有效降低回填材料的收缩；因此，本专利可以拟定的保护方案还可以是：聚羧酸减水剂在降低地热回填材料的收缩流中的用途。
本发明配方中的消泡剂为有机硅消泡剂，其粘度大于800Pa.s，在本发明中的功能是消除在拌合过程中物料形成的泡沫，可使回填材料更加密实，从而增强其导热性能。
本发明还提供了一种适用于岩土层地质条件下的地源热泵地埋管换热器钻孔回填所需的高性价比回填材料的制备方法，包括：
步骤一：将回填材料包装袋拆开，拿出外加剂袋拆开后，向外加剂(包括钠基膨润土、减水剂、膨胀剂、消泡剂、触变润滑剂)中加入要求的水量，搅拌大约10秒钟，要注意防止搅拌速度过快引起空气夹带。
步骤二：打开水泥袋，将水泥逐渐加入混合物中，并增加搅拌器速度，搅拌1-2分钟。
步骤三：打开砂袋，将石英砂逐渐加入混合物中，搅拌直到均匀(5分钟内)即可得回填材料浆体。
本发明的实施例：
适用于岩土层地质条件的高性价比回填材料的配方组成及质量比例如下：
硅酸盐水泥1.0份，使用普通硅酸盐水泥，强度等级≥42.5；
水0.55份，使用普通自来水；
石英砂2份，使用粒径为0.5～1mm之间的石英砂；
膨润土0.0055份，使用膨胀容≥20ml/g的钠基膨润土；
膨胀剂0.06份，使用水中7d限制膨胀率≥0.025％的UEA膨胀剂；
触变润滑剂0.002份，使用触变值≥7的硅酸镁铝触变润滑剂；
减水剂0.018份，使用减水率≥20％的聚羧酸减水剂；
消泡剂0.005份，使用粘度大于800Pa.s的有机硅消泡剂。
表1高性价比回填材料实施例配方(硅酸盐水泥1份为质量标准)
| 水灰比 | 砂灰比 | 膨润土掺量 | 膨胀剂掺量 | 触变润滑剂掺量 | 减水剂掺量 | 消泡剂掺量 |
| ％ | ％ | ％ | ％ | ％ | ||
| 0.55 | 2 | 0.55 | 6 | 0.2 | 1.8 | 0.5 |
表1中的高性价比回填材料实施例配方所能达到的产品性能如下：
稠度：11.35cm
表观密度：1.91g/ml
导热系数：2.346W/mK
热扩散率：1.155mm2/s
体积比热：2.03MJ/(m3K)
保水性：95.4％
凝结时间：15.3hour
抗压强度(28d)：44.1MPa
抗渗等级(28d)：P8
膨胀率(28d)：0.058％
开创性地，以上各个效果独立存在，还能用一套结构完成上述结果的结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。
Claims (9)
1.一种适用于岩土层地质的回填材料，其特征在于，包含以下重量份的原料：硅酸盐水泥1.0份、水0.50-0.60份、石英砂1.5-2.5份、膨润土0.003-0.011份、膨胀剂0.03-0.07份、触变润滑剂0.001-0.005份、减水剂0.01-0.018份、消泡剂0.002-0.01份。
2.如权利要求1所述的一种适用于岩土层地质的回填材料，其特征在于，所述膨润土为钠基膨润土，膨胀容≥20ml/g。
3.如权利要求1所述的一种适用于岩土层地质的回填材料，其特征在于，所述膨胀剂为UEA膨胀剂，在水中7d限制膨胀率≥0.025％。
4.如权利要求1所述的一种适用于岩土层地质的回填材料，其特征在于，所述触变润滑剂硅酸镁铝触变润滑剂，触变值≥7。
5.如权利要求1所述的一种适用于岩土层地质的回填材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
6.如权利要求1所述的一种适用于岩土层地质的回填材料，其特征在于，所述消泡剂为有机硅消泡剂，其粘度大于800Pa.s。
7.制备如权利要求1-6任意一项所述的回填材料的方法，包含如下步骤，
步骤一：将回填材料包装袋拆开，拿出外加剂袋拆开后，向钠基膨润土、减水剂、膨胀剂、消泡剂、触变润滑剂中加入要求的水量，搅拌10秒钟，要注意防止搅拌速度过快引起空气夹带；
步骤二：打开水泥袋，将水泥逐渐加入混合物中，并增加搅拌器速度，搅拌1-2分钟；
步骤三：打开砂袋，将石英砂逐渐加入混合物中，搅拌直到均匀(5分钟内)即可得回填材料浆体。
8.一种适用于岩土层地质的利用地热的制备方法，其特征在于，包含如下步骤，竖直地埋管换热器的通常做法是在土壤中钻孔；
然后将高密度聚乙烯管以单U型或双U型的型式下于钻孔内，最后用可泵性的浆体回填材料通过下管时预置于钻孔内的下浆管将钻孔进行回填；所述的回填材料包含以下重量份的原料：硅酸盐水泥1.0份、水0.50-0.60份、石英砂1.5-2.5份、膨润土0.003-0.011份、膨胀剂0.03-0.07份、触变润滑剂0.001-0.005份、减水剂0.01-0.018份、消泡剂0.002-0.01份；
换热的时候，在浅层地能的热传递过程中，最先是循环管壁与钻孔内回填材料之间的换热，然后才是与钻孔周围土壤的换热过程。
9.触变润滑剂在制备可泵性的浆体回填材料中以及在地热应用中的用途。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810302558.3A CN108484038A (zh) | 2018-04-05 | 2018-04-05 | 一种适用于岩土层地质的回填材料以及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810302558.3A CN108484038A (zh) | 2018-04-05 | 2018-04-05 | 一种适用于岩土层地质的回填材料以及制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108484038A true CN108484038A (zh) | 2018-09-04 |
Family
ID=63314670
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810302558.3A Pending CN108484038A (zh) | 2018-04-05 | 2018-04-05 | 一种适用于岩土层地质的回填材料以及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108484038A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109339707A (zh) * | 2018-11-15 | 2019-02-15 | 中铁建工集团有限公司 | 深基坑地源热泵系统地表钻井无压下管方法及垂直地埋管 |
| CN110259411A (zh) * | 2019-07-22 | 2019-09-20 | 安徽省卓创信息科技服务有限公司 | 一种工程勘察钻孔后的回填封层装置 |
| CN114893929A (zh) * | 2022-04-20 | 2022-08-12 | 中国地质大学（武汉） | 一种基于复合式回填的地埋管换热增强系统及方法 |
| CN116409969A (zh) * | 2023-03-23 | 2023-07-11 | 山东建筑大学 | 一种综合环保型地源热泵回填材料及制备方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5954652A (ja) * | 1982-09-24 | 1984-03-29 | 三菱重工業株式会社 | ライニング材 |
| US5294255A (en) * | 1992-09-23 | 1994-03-15 | Specrete-Ip Incorporated | Pumpable backfill grout |
| CN1868960A (zh) * | 2006-04-17 | 2006-11-29 | 山东建筑大学 | 一种地埋管换热器钻孔回填材料 |
| CN202119740U (zh) * | 2011-05-13 | 2012-01-18 | 山东亚特尔集团股份有限公司 | 一种岩土热物性及地埋管换热能力测试仪 |
| CN104072062A (zh) * | 2014-07-09 | 2014-10-01 | 季青山 | 一种海泡石无机防火隔热保温节能粉料及制备方法 |
| CN104876480A (zh) * | 2015-05-11 | 2015-09-02 | 西南科技大学 | 一种地源热泵专用抗裂膨润土基复合钻孔回填材料 |
| CN106986574A (zh) * | 2017-04-07 | 2017-07-28 | 贵州科之杰新材料有限公司 | 一种后张预应力孔道压浆剂及其制备方法 |
-
2018
- 2018-04-05 CN CN201810302558.3A patent/CN108484038A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5954652A (ja) * | 1982-09-24 | 1984-03-29 | 三菱重工業株式会社 | ライニング材 |
| US5294255A (en) * | 1992-09-23 | 1994-03-15 | Specrete-Ip Incorporated | Pumpable backfill grout |
| CN1868960A (zh) * | 2006-04-17 | 2006-11-29 | 山东建筑大学 | 一种地埋管换热器钻孔回填材料 |
| CN202119740U (zh) * | 2011-05-13 | 2012-01-18 | 山东亚特尔集团股份有限公司 | 一种岩土热物性及地埋管换热能力测试仪 |
| CN104072062A (zh) * | 2014-07-09 | 2014-10-01 | 季青山 | 一种海泡石无机防火隔热保温节能粉料及制备方法 |
| CN104876480A (zh) * | 2015-05-11 | 2015-09-02 | 西南科技大学 | 一种地源热泵专用抗裂膨润土基复合钻孔回填材料 |
| CN106986574A (zh) * | 2017-04-07 | 2017-07-28 | 贵州科之杰新材料有限公司 | 一种后张预应力孔道压浆剂及其制备方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| PARK, M ， ET AL.: ""Applicability of cement-based grout for ground heat exchanger considering heating-cooling cycles"", 《SCIENCE CHINA-TECHNOLOGICAL SCIENCES》 * |
| 吕百龄等: "《实用工业助剂全书》", 31 August 2001, 化学工业出版社 * |
| 王新民等: "《新型建筑干拌砂浆指南》", 31 December 2004, 中国建筑工业出版社 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109339707A (zh) * | 2018-11-15 | 2019-02-15 | 中铁建工集团有限公司 | 深基坑地源热泵系统地表钻井无压下管方法及垂直地埋管 |
| CN109339707B (zh) * | 2018-11-15 | 2023-10-31 | 中铁建工集团有限公司 | 深基坑地源热泵系统地表钻井无压下管方法 |
| CN110259411A (zh) * | 2019-07-22 | 2019-09-20 | 安徽省卓创信息科技服务有限公司 | 一种工程勘察钻孔后的回填封层装置 |
| CN110259411B (zh) * | 2019-07-22 | 2021-09-03 | 安徽省卓创信息科技服务有限公司 | 一种工程勘察钻孔后的回填封层装置 |
| CN114893929A (zh) * | 2022-04-20 | 2022-08-12 | 中国地质大学（武汉） | 一种基于复合式回填的地埋管换热增强系统及方法 |
| CN116409969A (zh) * | 2023-03-23 | 2023-07-11 | 山东建筑大学 | 一种综合环保型地源热泵回填材料及制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108484038A (zh) | 一种适用于岩土层地质的回填材料以及制备方法 | |
| CN103224772B (zh) | 一种固井水泥浆、其制备方法及用途 | |
| Gao et al. | Properties and application of thixotropic cement paste backfill with molybdenum tailings | |
| CN107722954A (zh) | 一种用于钻井裂缝性漏失的堵漏剂、堵漏浆液及堵漏施工方法 | |
| CN105541214B (zh) | 控制地表沉陷的囊袋式离层注浆材料及其制备和注浆方法 | |
| CN109265093A (zh) | 固井用超低密度水泥浆体系 | |
| CN102757206A (zh) | 矿用裂隙注浆材料及其使用方法 | |
| CN102504775A (zh) | 深井长封固段固井用大温差水泥浆及其制备方法 | |
| US20120247766A1 (en) | Geothermal grout, methods of making geothermal grout, and methods of use | |
| CN106986593B (zh) | 一种地源热泵钻孔回填材料的制备方法 | |
| CN105255465A (zh) | 一种无漂珠低密度油井水泥浆 | |
| US11485895B2 (en) | Cement with resilient latex polymer | |
| CN101480814B (zh) | 用于地源热泵地下埋管回填的水泥基灌浆砂浆的制备方法 | |
| CN104402349A (zh) | 一种地源热泵用地埋管回填材料及其制备方法 | |
| CN104876480A (zh) | 一种地源热泵专用抗裂膨润土基复合钻孔回填材料 | |
| CN100453497C (zh) | 一种地埋管换热器钻孔回填材料 | |
| CN102516965B (zh) | 高温高密度韧性固井水泥浆 | |
| CN104194752A (zh) | 煤层气井固井用低温早强剂及含其的固井用水泥浆 | |
| Wang et al. | Research and application of high-density cementing slurry technology under the condition of oil-based drilling fluid in salt formation | |
| Wan et al. | Effect of shape-stable phase change materials on heat transfer characteristics of ground source heat pump backfill materials | |
| CN102444116A (zh) | 一种建筑垃圾再生骨料素砼桩及其地基处理方法 | |
| CN106866081B (zh) | 一种地源热泵钻孔回填材料的制备方法 | |
| Xu et al. | Conversion of the waste drilling mud to renewable grouting materials in deep shaft sinking | |
| CN107216071A (zh) | 一种深层地热井低温段固井保温水泥浆及其制备方法 | |
| CN106278018B (zh) | 用于地源热泵地下埋管回填的复合材料及其施工方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180904 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |