CN116084392A - 一种高导热率低碳能源桩及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高导热率低碳能源桩及其制造方法，其中高导热率低碳能源桩包括桩体，桩体采用高导热率低碳地聚合物混凝土浇筑而成，桩体内部设置有螺旋箍筋及若干根U型交换液管道，若干根U型交换液管道均固定连接在螺旋箍筋的内侧壁上。本发明制造的高导热率低碳能源桩在降低水泥使用率的同时，通过在高导热率低碳地聚合物混凝土中添加铜粉，在高导热率低碳地聚合物混凝土内部形成有效的铜导热通道，提高了高导热率低碳地聚合物混凝土的有效导热系数，从而保证高导热率低碳能源桩的换热效率，制备工艺简单，低碳环保，且保持高强度，还可增大导热系数，提高导热率。

Description

一种高导热率低碳能源桩及其制造方法
技术领域
本发明涉及建筑技术领域，特别是涉及一种高导热率低碳能源桩及其制造方法。
背景技术
减少二氧化碳排放，减缓全球气候变暖是当今世界要解决的重大环境问题。同时由于不可再生能源资源的事实，导致了可再生能源的推广与使用变得越来越重要。其中一种被人们普遍接受的可再生能源叫做浅层地热能。地热能与其他清洁能源相比，具有储量大、分布广、利用率高和成本低的优势，且不受季节、气候、昼夜变化等外界因素干扰。我国东北地区南部、华北地区、四川盆地和江淮流域广泛分布着浅层地热能，未来浅层地热能开发利用具有广阔的前景。目前，能源桩系统利用浅层地热能资源对建筑物提供冷暖是最环保且高效的方式。
能源桩系统通过管中传热介质，从土壤中提取能量与室内空气进行能量转移，为上部构筑物提供冷暖。能源桩技术最初起源于二十世纪八十年代的奥地利，然后迅速在奥地利得到发展和运用，并且拓展到欧洲其他国家。我国的能源地下结构的应用起步较晚，近几年才开始逐渐得到运用，例如，南京朗诗国际(2007)、上海世博会中轴线(2010)等。
我国每年工业废渣年产量为33.2亿吨，而工业废渣的处理率只为24％。地聚合物以一般工业废渣矿渣，硅灰为主要原料，既可以提升工业废渣的利用率，也可以降低水泥需求量，减少碳排放。甚至由于其含有铝硅酸盐结构，地聚合物有着不输混凝土的机械性能，甚至延性会比混凝土更好。
目前，尽管传统能源桩的应用已经达到一定规模，但导热效率仍然相对较低，且水泥使用率较高，不符合低碳环保的要求，所以研究开发一种高导热低碳能源桩符合当前环保趋势。
发明内容
本发明的目的是提供一种高导热率低碳能源桩及其制造方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种高导热率低碳能源桩，包括桩体，所述桩体采用高导热率低碳地聚合物混凝土浇筑而成，所述桩体内部设置有螺旋箍筋及若干根U型交换液管道，若干根所述U型交换液管道均固定连接在所述螺旋箍筋的内侧壁上。
优选的，所述高导热率低碳地聚合物混凝土包括粗骨料、胶凝材料、细骨料和碱激发液，所述细骨料及所述胶凝材料的总质量与碱激发液的比例为1kg：250ml～360ml。
优选的，所述粗骨料、所述胶凝材料、所述细骨料所占的质量百分比分别为：所述粗骨料55％、所述胶凝材料36％、所述细骨料9％。
优选的，所述胶凝材料按质量百分比包括以下组分：矿渣18％、粉煤灰10.8％、硅灰7.2％；所述细骨料按质量百分比包括以下组分：氮化铝颗粒2.25％～9％、铜粉0％～6.75％。
优选的，所述粗骨料为5mm～20mm连续级的天然砾石，表观密度为2720kg/m3，压碎指标为10％，吸水率为0.7％；所述矿渣为市售S95级矿粉；所述粉煤灰为I级钙灰，CaO含量不低于10％；所述硅灰密度为625kg/m3，粒径0.1μm～0.3μm；所述氮化铝颗粒密度为3.5g/cm3；所述铜粉密度为8.92g/cm3，熔点1083℃，沸点2595℃；所述碱激发液为10mol/L的氢氧化钠水溶液与水玻璃溶液按照3:7质量比混合所得。
优选的，所述碱激发液制成后需自然冷却24小时。
优选的，所述螺旋箍筋表面涂防锈银漆。
优选的，所述U型交换液管道为De25HDPE换热管，密度为950kg/m3，导热系数为0.4W/(m·K),比热容为1600J/kg·K。
一种高导热率低碳能源桩的制造方法，包括如下步骤：
步骤1、将粗骨料、矿渣、粉煤灰和硅灰按质量比例称好后放入搅拌机中，搅拌机300r/min搅拌2分钟，使其混合均匀；再加入相应质量比例的氮化铝颗粒和铜粉，干拌混匀后得到固体混合物；
步骤2、将碱激发液加入搅拌机内，搅拌机400r/min搅拌2分钟，使固体混合物从分散状态变成粘性浆体状态；
步骤3、待材料充分混合均匀后，使其塌落度保持在55mm～75mm，制备出高导热率低碳地聚合物混凝土；
步骤4、将U型交换液管道固定在螺旋箍筋内侧，通过吊装将螺旋箍筋连同U型交换液管道一起插入桩孔中；
步骤5、向桩孔中浇筑高导热率低碳地聚合物混凝土形成桩身，并进行养护。
本发明公开了以下技术效果：
本发明制造的高导热率低碳能源桩在降低水泥使用率的同时，通过在高导热率低碳地聚合物混凝土中添加铜粉，在高导热率低碳地聚合物混凝土内部形成有效的铜导热通道，提高了高导热率低碳地聚合物混凝土的有效导热系数，从而保证高导热率低碳能源桩的换热效率，制备工艺简单，低碳环保，且保持高强度，还可增大导热系数，提高导热率。U型交换液管道固定于螺旋箍筋内侧，使得U型交换液管道与螺旋箍筋形成一个相连的结构，增强了高导热率低碳能源桩的稳定性，液体通过多根U型交换液管道更大面积的接触低碳地聚合物混凝土桩身，从而提升高导热率低碳能源桩传热效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明高导热率低碳能源桩的结构示意图；
其中，1、桩体；2、U型交换液管道；3、螺旋箍筋。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明以下实施例中，所用原料：
粗骨料：5mm～20mm连续级的天然砾石，表观密度为2720kg/m3,压碎指标为10％，吸水率为0.7％；
矿渣：市售S95级矿粉；
粉煤灰：I级钙灰，CaO含量不低于10％；
硅灰：密度625kg/m3，粒径0.1μm～0.3μm；
氮化铝颗粒：密度3.5g/cm3；
铜粉：密度8.92g/cm3，熔点1083℃，沸点2595℃。
实施例1
本实施例提供了一种高导热率低碳能源桩，包括桩体1，桩体1采用高导热率低碳地聚合物混凝土浇筑而成，桩体1内部设置有螺旋箍筋3及若干根U型交换液管道2，若干根U型交换液管道2均固定连接在螺旋箍筋3的内侧壁上。
为了更加直观的反应该高导热率低碳地聚合物混凝土的导热效果做了如下分析。该高导热率低碳地聚合物混凝土包括粗骨料、矿渣、粉煤灰、硅灰、氮化铝颗粒和碱激发液，其中将铜粉视为细骨料，等质量替换氮化铝颗粒，将铜粉加入低碳地聚合物混凝土，制作形成高导热率低碳地聚合物混凝土，有望在保证低碳环保的同时，大幅加强混凝土的导热能力，进而提升能源桩的导热效率。
按照以下质量百分比称取原料：细骨料9％(铜粉0％，氮化铝颗粒9％)，胶凝材料36％(矿渣18％，粉煤灰10.8％，硅灰7.2％)，粗骨料55％，放入搅拌机300r/min搅拌2分钟混合均匀；将碱激发液(胶凝材料和细骨料总质量和碱激发液的比例为1kg:300ml)加入搅拌机400r/min搅拌2分钟，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，得到高导热率低碳地聚合物混凝土。
高导热率低碳地聚合物混凝土的制备方法如下：
步骤1、将粗骨料、矿渣、粉煤灰和硅灰按比例称好后放入搅拌机中300r/min搅拌2分钟，使其混合均匀；再加入相应比例的氮化铝颗粒和铜粉，干拌混匀后得到固体混合物；
步骤2、将碱激发液加入搅拌机内，搅拌机400r/min搅拌2分钟，使固体混合物从分散状态变成粘性浆体状态；
步骤3、待材料充分混合均匀后，使其塌落度保持在55mm～75mm，制备出高导热率低碳地聚合物混凝土；
步骤4、将高导热率低碳地聚合物混凝土倒入模具中，振捣1分钟；
步骤5、在模具表面覆盖塑料膜，常温常湿下养护28天。
实施例2
按照以下质量百分比称取原料：细骨料9％(铜粉1.35％，氮化铝颗粒7.65％)，胶凝材料36％(矿渣18％，粉煤灰10.8％，硅灰7.2％)，粗骨料55％，放入搅拌机300r/min搅拌2分钟混合均匀；将碱激发液(胶凝材料和细骨料总质量和碱激发液的比例为1kg:300ml)加入搅拌机400r/min搅拌2分钟，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，得到高导热率低碳地聚合物混凝土。
实施例3
按照以下质量百分比称取原料：细骨料9％(铜粉2.7％，氮化铝颗粒6.3％)，胶凝材料36％(矿渣18％，粉煤灰10.8％，硅灰7.2％)，粗骨料55％，放入搅拌机300r/min搅拌2分钟混合均匀；将碱激发液(胶凝材料和细骨料总质量和碱激发液的比例为1kg:300ml)加入搅拌机400r/min搅拌2分钟，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，得到高导热率低碳地聚合物混凝土。
实施例4
按照以下质量百分比称取原料：细骨料9％(铜粉4.05％，氮化铝颗粒4.95％)，胶凝材料36％(矿渣18％，粉煤灰10.8％，硅灰7.2％)，粗骨料55％，放入搅拌机300r/min搅拌2分钟混合均匀；将碱激发液(胶凝材料和细骨料总质量和碱激发液的比例为1kg:300ml)加入搅拌机400r/min搅拌2分钟，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，得到高导热率低碳地聚合物混凝土。
实施例5
按照以下质量百分比称取原料：细骨料9％(铜粉5.4％，氮化铝颗粒3.6％)，胶凝材料36％(矿渣18％，粉煤灰10.8％，硅灰7.2％)，粗骨料55％，放入搅拌机300r/min搅拌2分钟混合均匀；将碱激发液(胶凝材料和细骨料总质量和碱激发液的比例为1kg:300ml)加入搅拌机400r/min搅拌2分钟，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，得到高导热率低碳地聚合物混凝土。
实施例6
按照以下质量百分比称取原料：细骨料9％(铜粉6.75％，氮化铝颗粒2.25％)，胶凝材料36％(矿渣18％，粉煤灰10.8％，硅灰7.2％)，粗骨料55％，放入搅拌机300r/min搅拌2分钟混合均匀；将碱激发液(胶凝材料和细骨料总质量和碱激发液的比例为1kg:300ml)加入搅拌机400r/min搅拌2分钟，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，得到高导热率低碳地聚合物混凝土。
本实施例采用瞬态平面热源法对实施例进行导热系数测试。优选的，测试系统为DRE-III多功能快速导热系数测试仪。
进一步的，在25℃温度环境下对每一组3个试件进行导热系数测试，测试结果如表1所示。铜粉不同掺量条件下高导热率低碳地聚合物混凝土的抗压强度实验结果如表2所示。
表1为高导热率低碳地聚合物混凝土的导热系数结果。
Figure BDA0004065928120000081
表2为高导热率低碳地聚合物混凝土的抗压强度实验结果。
Figure BDA0004065928120000091
通过表1可以看出，随着铜含量的增加，高导热率低碳地聚合物混凝土的导热系数显著提升。
通过表2可以看出，随着铜含量的增加，高导热率低碳地聚合物混凝土的抗压强度明显增加。当铜含量从0％提升到15％时，抗压强度平均值提高了98.5％。
综上，在高导热率低碳地聚合物混凝土中加入一定含量的铜粉可以大幅增加其导热系数，同时还能增加抗压强度。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高导热率低碳能源桩，其特征在于，包括桩体，所述桩体采用高导热率低碳地聚合物混凝土浇筑而成，所述桩体内部设置有螺旋箍筋及若干根U型交换液管道，若干根所述U型交换液管道均固定连接在所述螺旋箍筋的内侧壁上。
2.根据权利要求1所述的高导热率低碳能源桩，其特征在于，所述高导热率低碳地聚合物混凝土包括粗骨料、胶凝材料、细骨料和碱激发液，所述细骨料及所述胶凝材料的总质量与碱激发液的比例为1kg：250ml～360ml。
3.根据权利要求2所述的高导热率低碳能源桩，其特征在于，所述粗骨料、所述胶凝材料、所述细骨料所占的质量百分比分别为：所述粗骨料55％、所述胶凝材料36％、所述细骨料9％。
4.根据权利要求3所述的高导热率低碳能源桩，其特征在于，所述胶凝材料按质量百分比包括以下组分：矿渣18％、粉煤灰10.8％、硅灰7.2％；所述细骨料按质量百分比包括以下组分：氮化铝颗粒2.25％～9％、铜粉0％～6.75％。
5.根据权利要求4所述的高导热率低碳能源桩，其特征在于，所述粗骨料为5mm～20mm连续级的天然砾石，表观密度为2720kg/m3，压碎指标为10％，吸水率为0.7％；所述矿渣为市售S95级矿粉；所述粉煤灰为I级钙灰，CaO含量不低于10％；所述硅灰密度为625kg/m3，粒径0.1μm～0.3μm；所述氮化铝颗粒密度为3.5g/cm3；所述铜粉密度为8.92g/cm3，熔点1083℃，沸点2595℃；所述碱激发液为10mol/L的氢氧化钠水溶液与水玻璃溶液按照3:7质量比混合所得。
6.根据权利要求5所述的高导热率低碳能源桩，其特征在于，所述碱激发液制成后需自然冷却24小时。
7.根据权利要求1所述的高导热率低碳能源桩，其特征在于，所述螺旋箍筋表面涂防锈银漆。
8.根据权利要求1所述的高导热率低碳能源桩，其特征在于，所述U型交换液管道为De25HDPE换热管，密度为950kg/m3，导热系数为0.4W/(m·K),比热容为1600J/kg·K。
9.一种高导热率低碳能源桩的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将粗骨料、矿渣、粉煤灰和硅灰按质量比例称好后放入搅拌机中，搅拌机300r/min搅拌2分钟，使其混合均匀；再加入相应质量比例的氮化铝颗粒和铜粉，干拌混匀后得到固体混合物；
步骤2、将碱激发液加入搅拌机内，搅拌机400r/min搅拌2分钟，使固体混合物从分散状态变成粘性浆体状态；
步骤3、待材料充分混合均匀后，使其塌落度保持在55mm～75mm，制备出高导热率低碳地聚合物混凝土；
步骤4、将U型交换液管道固定在螺旋箍筋内侧，通过吊装将螺旋箍筋连同U型交换液管道一起插入桩孔中；
步骤5、向桩孔中浇筑高导热率低碳地聚合物混凝土形成桩身，并进行养护。
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