地源热泵系统中水泥基灌浆材料性能优化

邹 玲，王伟山，郑柏存，沈 军

（1.华东理工大学体育新材料研发中心，上海 200237；2.上海三瑞化学有限公司，上海 200232）

近几年，各种形式的可再生能源被开发利用，以代替化石燃料的使用。因其高效节能和环境友好，地源热泵技术逐渐引起全世界范围的关注。垂直地埋管换热器因承载了整个热交换过程而成为地源热泵技术中最关键的课题［1～2］。影响热交换过程的因素包括灌浆材料的导热性、PE管间的热干扰以及周围岩土体的热物性［3～4］。灌浆材料用于填充U形管与钻孔壁之间的环形区域，这是热交换过程的核心区，对地源热泵系统性能的发挥起着至关重要的作用［5］。

选用的灌浆材料，要求对环境没有污染，具备良好的导热、施工和力学性能等特性［6］。与传统膨润土基相比，水泥基灌浆材料具有更好的导热性、经济性和足够的耐久性，更适用于地源热泵系统［7］。研究表明:废钢渣的加入可增强灌浆材料在不利环境下的耐久性，降低水化热，节约经济成本［8］。废钢渣的主要成分为CaO和SiO2，与天然岩土的成分几乎相同［9］，灌浆后经胶凝材料作用迅速与其他组分形成固结体，不会对地下含水层造成污染。在炼钢工艺中，废钢渣产量约为钢产量的15%～20%。全国钢渣产量约为0.8亿吨，历年总储量逾4亿吨，占地6万亩［10］。目前我国对钢渣的处理大都采用低价值的填埋方式，利用率不足30%。此外，地源热泵施工产生的钻井废泥浆对周边环境土壤、地表水和地下水产生的污染日趋严重［11］。

若能将上述废料重新利用于地源热泵灌浆材料，不仅可以变废为宝，还能在一定程度上减少水泥、天然河砂等原材料的用量，从而降低经济成本。本实验为获得综合性能良好的水泥基灌浆材料，并尽可能回收利用工业废料和钻井泥浆，较系统地研究了水灰比、砂灰比、钢渣代砂率、钢渣粉代水泥率和泥浆掺入率对灌浆材料工作性、导热性以及固结强度的影响。

1 试验原料和试验设备

1.1 试验用原材料

硅酸盐水泥为海豹牌，型号PO42.5，用作胶凝材料。天然河砂，经4.95mm方孔标准筛过筛，作为提高灌浆材料导热性能的主要骨料。废钢渣是宝钢集团在炼钢过程中排出的废渣，试验中将粗钢渣磨细过筛，配成最大粒径小于4.95mm、近似河砂级配的钢渣砂。中位径为19.4μm的细钢渣粉用于替换水泥。泥浆由干粘土和水以质量比1∶1配合而成。膨润土由安吉县金泰膨润土有限公司提供，细度小于44μm，可作为增稠剂和膨胀剂，使灌浆材料具有较好的和易性，减少泌水［12～13］。减水剂是固含量为42%的聚羧酸系粉体减水剂，由上海三瑞化学有限公司提供。减水剂的添加在保证可泵性的同时，降低了水泥基灌浆材料的水灰比，提高了导热性和耐久性。

1.2 实验配比和测试设备

试验中设计了5组影响因素实验，共28个样品，其中膨润土和减水剂添加量分别占灌浆材料总质量的1%和0.06%。实验研究了砂灰比为2时，水灰比(质量比)在0.45～0.7之间变化对灌浆材料性能的影响；研究了水灰比固定为0.6时砂灰比(质量比)在1.8～2.8之间变化对导热系数和工作性能的影响；研究钢渣代砂率、钢渣粉代水泥率及泥浆掺入率时将水灰比、砂灰比分别固定为0.6、2.1。采用等量取代法，即用等质量的钢渣取代河砂(替代率为0% ～60%)，用等质量的细钢渣粉取代水泥(替代率为0% ～30%)，用等质量的泥浆取代灌浆材料(替代率为0% ～30%)。

制浆结束后，立即测试灌浆材料的工作性能，包括流动度、稠度和粘度。流动度测定方法参考《水泥基灌浆材料应用技术规范》(GB/T 50448－2008)，设备为100mm(下口直径)×70mm(上口直径)×60mm(高度)的截锥圆模。测试时，预先将截锥圆模放置在玻璃板中心，将搅拌好的灌浆材料迅速倒满截锥圆模，浆体与其上口平齐。徐徐提起截锥圆模，灌浆材料在无扰动条件下自由流动直至停止，测量底面最大扩散直径与其垂直方向的直径，取两者平均值作为流动度［14］。测试稠度和粘度所用设备分别为SC145型砂浆稠度仪、NDJ－1旋转式粘度计。稠度的测试方法参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70－2009)，该规范定义标准圆锥体以其自身的重量自由沉入砂浆中的厘米数为稠度值。稠度值越大，流动度越大，粘度越小，说明灌浆材料的工作性能越好。

工作性能测试完成后，用一组内壁尺寸为40mm×40 mm×160 mm的三棱模成型，24h后脱模，然后对试件进行编号，再分别放入养护室水养和标养。导热性能的测定采用湘潭市仪器仪表有限公司提供的DRE－2C导热系数测试仪，它基于瞬态平面热源法，可测试固体、粉体、胶状和各向异性材料的导热系数、导温系数和比热。将水养14d的样品取出，去除表面水后测其吸水饱和状态下的导热系数。然后，置于40℃的烘箱中干燥一周，冷却至室温后测试干燥状态下的导热系数。40℃不是灌浆材料的绝干温度，而是它在实际应用中的极限温度。标养28d试样的抗压强度和抗折强度采用济南中路昌试验机制造有限公司提供的YAW－300C型压力试验机测定。

2 结果与讨论

2.1 工作性能

试样的工作性能测试结果见图1。图1a表明，随着水灰比从0.45增大到0.7，流动度和稠度经历了一个先迅速增大后趋于稳定的过程，粘度则先减小后保持不变。因此，为保证灌浆材料的工作性能，应使水灰比大于0.55，但也不宜过大，否则会出现分层现象。当砂灰比从1.8增大至2.2时，工作性能大致保持不变，而后随着砂灰比的增大而降低，为保证流变性，砂灰比小于2.2为宜(图1b)。

图1c和图1d表明，钢渣代替部分骨料或胶凝材料加入灌浆材料中，灌浆材料的工作性能无明显变化，依然维持在一个较好水平，这为废钢渣替代河砂或水泥提供了流变性保证。图1e表明，当掺入泥浆后，灌浆材料的工作性能会进一步提高。

2.2 导热性能

图1 灌浆材料试样的工作性能测试结果Fig.1 Workability results of test specimens

各试样的导热系数测试结果见图2。经过7天干燥，灌浆材料的导热系数与饱水状态相比降低了12.9% ～30.8%，有些试样甚至达到了43.8%。导热系数随水灰比的变化规律见图2a，在一定水灰比范围内降低水灰比能提高灌浆材料的导热系数，这一结论与Allan的研究结果一致［15］。图2b呈现的是砂灰比从1.8增大到2.8时导热系数的变化规律，此规律与郑秀华等［16］的研究结果相同，即导热系数具有随石英砂含量增大而增大的趋势。结果表明，当砂灰比以0.2的间距增大时，导热系数的增幅为0.01～0.17 W/(m·K)；当砂灰比大于2.4后，试样的导热系数变化不再显著，饱水导热系数和干燥导热系数分别稳定在2.49 W/(m·K)、2.03 W/(m·K)。

图2c表明，当钢渣代砂率以10%的间距增大时，饱水导热系数降低较快，降幅为0.02～0.21 W/(m·K)；相比之下干燥导热系数变化较小，替代率达到40%后才会出现明显降低，因此钢渣代砂率必须控制在40%内。图2d显示，当钢渣粉代水泥率以5%的间距增大时，导热系数没有明显变化；当替代率从15%增大到20%时，干燥导热系数突然降低0.14 W/(m·K)，随后又保持不变。图2e表明泥浆的掺入率越高，导热系数降低得越多。

2.3 固结强度

图3a表明，水泥基灌浆材料的强度随水灰比的增大而降低。即强度随着水泥含量的增加而增大，这一特性与砂浆情况类似。图3b表明，砂灰比的大小对抗折强度和抗压强度无显著影响。

图2 灌浆材料试样的导热性能测试结果Fig.2 Thermal conductivity results of test specimens

图3 灌浆材料试样的强度测试结果Fig.3 Strength results of test specimens

图3c显示，钢渣代砂率从0%增大到30%时，强度保持不变，达到40%后，抗压强度显著降低。图3d显示，随着钢渣粉代水泥率的增大，抗压强度缓慢降低，当替代率增大到20%后，抗压强度明显降低。另外，图3e表明，将泥浆部分掺入灌浆材料中时，灌浆材料的抗压强度和抗折强度均随着钢渣掺入率的增大而降低。

2.4 经济性分析

对替换前后的灌浆材料配方作表1所示的经济性分析。计算灌浆材料在水灰比、砂灰比分别为0.6、2.1，膨润土和减水剂的添加量分别为1%和0.06%配比下的原材料价格，与加入工业废料后的价格进行对比。

若投资一个建筑面积为4800m2的地源热泵项目，以4m×4m的井间距布置钻孔，所需钻孔数为300口，每口井所需灌浆材料约为3.25t，若按上述配比灌浆，所需的灌浆材料总成本为19.85万元(表1)。

表1 添加工业废料前后的灌浆材料经济性分析Table 1 Economy analysis of grouts before and after adding industrial waste

成本计算结果表明，钢渣砂、钢渣粉和钻井泥浆的单独作用能为一个中小型项目节约1～2万元的初投资。若三者同时掺入，可节省4.93万元的原材料成本，成本降低率达24.84%。三种废料同时使用后，灌浆材料在综合性能上是否具有加合性和优越性，这一课题将在后续实验中得到分析和验证。

3 结论

(1)水灰比从0.45增大到0.7时，流动性增加但导热性和强度逐渐降低。推荐水灰比范围为0.55～0.6。

(2)砂灰比从1.8增大到2.2，工作性稳定在一个较好状态，继续增大砂灰比时工作性会变差。导热系数随砂含量的增加而增大，而强度不随砂灰比的大小而改变。本实验推荐砂灰比以2～2.2为宜。

(3)废钢渣可用于部分替代骨料和胶凝材料。当水灰比和砂灰比分别为0.6和2.1时，将粗钢渣砂和微米尺度钢渣粉的替代率分别控制在40%和20%内，能获得综合性能良好的灌浆材料。

(4)实验表明，仅考虑工作性时，在水泥基灌浆材料中掺入泥浆是一种经济有效的回灌方法。但由此引起的导热变差和强度降低也不容忽视，推荐泥浆掺入率控制在10%以内。

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