含碳纖維回填料導熱性能試驗研究

陳爾雷

摘要：在PHC管樁的樁芯內(nèi)放置換熱管并充填回填料可以形成PHC能源管樁。為了提高回填料的導熱性能，可以摻入碳纖維、鋼纖維等導熱系數(shù)更高的材料。本文以高嶺土為研究對象，通過摻入不同規(guī)格、不同含量的碳纖維，運用型號為EKO-HC-110的導熱儀測量含碳纖維高嶺土的導熱系數(shù)，研究影響導熱系數(shù)的因素和提高導熱系數(shù)的方法。在高嶺土中摻入6mm碳纖維，最優(yōu)纖維摻量在0.3%時，土體導熱系數(shù)提升35.1%;在高嶺土中摻入3mm碳纖維，最優(yōu)纖維摻量在0.3%至0.5%，土體導熱系數(shù)提升30.8%;在高嶺土中摻入碳纖維粉，最優(yōu)纖維摻量在0.7%時，土體導熱系數(shù)提升16.5%。

關鍵詞：碳纖維;高嶺土;導熱系數(shù);纖維摻量;干密度

在近幾年，我國的經(jīng)濟發(fā)展十分迅速，呈快速上升的趨勢，因此不少地質專家認為加強淺層地溫能的開發(fā)與淺層地溫能的利用可以幫助我們國家發(fā)展資源節(jié)約型社會以及環(huán)境友好型社會。

一、緒論

綜合以上PHC管樁的基本性能特點、優(yōu)勢、應用范圍、成本等特點，PHC管樁在能源地下結構這一大的背景下，對淺層地溫能的開發(fā)與利用有較大幫助。因此通過試驗研究并測量摻入碳纖維的高嶺土的導熱系數(shù)，探究土體導熱性能的變化規(guī)律，為PHC能源管樁在淺層地溫能領域的推廣和應用提供參考。

二、試驗的方法與步驟

（一）試驗材料與設備

試驗設備包括：型號為EKO-HC-110的導熱儀、高精度低溫恒溫槽、加壓泵、保鮮膜、502膠、凡士林、壓樣儀器（液壓推土器）、標準環(huán)刀（6.18cm×2cm）、塑料盆、透明膠帶、含水率為0%的高嶺土、碳纖維粉、6mm長度的碳纖維、3mm長度的碳纖維、噴水壺以及精度為0.01g的電子秤。

采用的碳纖維種類包括6mm碳纖維、3mm碳纖維和碳纖維粉。高嶺土摻入碳纖維的含量為0%、0.3%、0.5%、0.7%、3%的樣本，摻入每種百分含量碳纖維的高嶺土各制3個平行樣本;含碳纖維高嶺土試樣的干密度設置為為1.5g/cm3與1.7g/cm3兩種，每個干密度對應的含水率分別取15%。同時，制作素高嶺土空白樣，空白樣的干密度也設置為1.5g/cm3與1.7g/cm3兩種，含水率均為15%，共6個樣本。試樣的數(shù)量總計有78個。

（二）試驗步驟

EKO-HC-110導熱儀測量的標準環(huán)刀試樣的導熱系數(shù)測量的總體范圍控制在0.1～10W/（㎡·K），并且該導熱儀的計算精度范圍控制在±5%;該型號導熱儀器進行重復性試驗所測試出來的結果誤差控制在±0.2%，并且該導熱儀器的熱導能力的最大值不會高于600W/（㎡·K），該儀器導熱系數(shù)測量的可控溫度的總體范圍在0～110℃之間，EKO-HC-110導熱儀的儀器的樣品規(guī)格如下：它的直徑為51～63mm，厚度范圍在0～25mm。該型號導熱儀器采用RS-232C規(guī)格的標準接口，EKO-HC-110導熱儀通過數(shù)據(jù)線與電腦連接起來，用熱穩(wěn)定法，上下兩個加熱板存在溫差，上板的溫度設置成25℃，下板的溫度設置成15℃[18]。試驗所需要測量的標準環(huán)刀試樣的樣品放在下板正中央的位置，EKO-HC-110導熱儀通過控制在上下兩個加熱板的熱傳感器中間的熱流輸出量并且控制上下兩個板的溫度，以此為原理計算出高嶺土標準環(huán)刀試樣（6.18cm×2cm）的導熱系數(shù)。

三、試驗結果分析

（一）碳纖維種類及摻量對導熱系數(shù)的影響

當高嶺土中摻入6mm長度的碳纖維的含量達到0.3%時，高嶺土的導熱系數(shù)最高，為0.8821W/（m·K），且比同等含水率以及干密度的不摻入任何碳纖維的空白樣高嶺土的導熱系數(shù)顯著增高，增幅達35.7%。但隨著高嶺土中摻入6mm長度的碳纖維的摻量緩慢提升，其導熱系數(shù)變化起伏明顯，當6mm長度碳纖維的摻量從0.3%增加至0.5%時，導熱系數(shù)下降幅度最大，下降幅度為26.8%。而當在高嶺土中摻入6mm長度的碳纖維的摻量大幅度提升到3%時，導熱系數(shù)反而較低，因此，從經(jīng)濟效益（碳纖維的成本）以及試驗預期目的來說，不宜再提高6mm長度的碳纖維的摻量，并且6mm長度的碳纖維的摻量控制在0.3%左右時高嶺土的導熱性能較好。

（二）干密度及摻量對導熱系數(shù)的影響

當高嶺土中摻入碳纖維粉時，不同干密度對其導熱系數(shù)影響較小，當纖維摻量為0.5%時，1.5g/cm3干密度的高嶺土的導熱系數(shù)比1.7g/cm3干密度的高嶺土的導熱系數(shù)高，在其余纖維摻量為1.7g/cm3干密度的高嶺土的導熱系數(shù)比1.5g/cm3干密度的高嶺土的導熱系數(shù)高，碳纖維粉的摻量為0.7%時兩種干密度情況下的導熱系數(shù)差別最大，干密度1.7g/cm3（0.8234W/（m·K））的導熱系數(shù)高于干密度1.5g/cm3（0.7571W/（m·K））的。總體變化趨勢為隨著碳纖維粉的纖維摻量的提升，導熱系數(shù)逐步提升，從經(jīng)濟效益（碳纖維的成本）以及試驗預期效果來說，摻入碳纖維粉的纖維摻量控制在0.7%至1%這一區(qū)間范圍內(nèi)時，并且把高嶺土的干密度控制在1.7g/cm3時，高嶺土等粘性土體的導熱系數(shù)較高。對土體的導熱性能提升較好。

結論

高嶺土為一種常見的粘性土體，因此試驗也可以把高嶺土換成性質類似的其他粘性土進行探究，例如下蜀土、黃土等，讓試驗探究的結果，即在回填料中摻入碳纖維可以有效提升土體的導熱性能，讓這一試驗結果更具有普遍性。可以探究的材料不止碳纖維一種，碳纖維的導熱性能比一般材料好，也可以換成其他導熱性能較好同時成本適中的材料進行探究，例如銅粉、鋼纖維等，用這些材料進行試驗，探究粘性土體或其他常見土體的導熱性能，或者改變土體的干密度、含水率進行探究，找到最優(yōu)的土體的干密度或者含水率，使土體導熱性能提升。在能源地下結構，甚至是未來淺層地溫能的開發(fā)以及淺層地溫能的利用方面提供許多幫助。

參考文獻

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[2]中國四冶上海分公司解釋能源樁如何應用在建筑節(jié)能中的應用（2012-09-14 10：18：57）

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[4]劉愛斌，翟如偉，景家俊，陶文杰.江蘇徐州城市規(guī)劃區(qū)淺層地溫能潛力評價及環(huán)境效益分析[J].地質與資源，2017，26（03）：296-302.