上海地區(qū)地埋管換熱孔注漿回填料熱傳導(dǎo)特性研究

楊梅芳 才文韜 詹俊峰

摘 要：地源熱泵系統(tǒng)是上海淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的重要方式，而地埋管換熱孔的回填料及其性質(zhì)對地源熱泵的運(yùn)行效率有影響。本文將7：3 比例的黃砂和膨潤土作為空白對照組，研究了水灰比0.4、0.5 兩種工況下，添加外加劑和摻合料對膨潤土基回填料性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：摻粉煤灰型和摻超細(xì)礦渣粉型的砂漿析水率較低，兩種砂漿析水率分別為2.8% 和3.6%，砂漿最穩(wěn)定；摻粉煤灰型和摻超細(xì)礦渣粉型的回填料砂漿稠度高、流動(dòng)性好，具有較高的導(dǎo)熱性，符合高性能回填料的標(biāo)準(zhǔn)，也在實(shí)際回填過程中展現(xiàn)出良好效果。并改進(jìn)了一款連續(xù)注漿裝置，加快了回填速度，改善了回填質(zhì)量，提高了回填效率。

關(guān)鍵詞：淺層地?zé)崮埽坏卦礋岜孟到y(tǒng)；地埋管；熱傳導(dǎo)；回填料；連續(xù)注漿裝置

中圖分類號(hào)：TK529；P314 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1329（2023）03-0074-05

自2020 年我國發(fā)布“雙碳”目標(biāo)以來，陸續(xù)發(fā)布了《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》《關(guān)于促進(jìn)地?zé)崮荛_發(fā)利用的若干意見》等多項(xiàng)可再生能源發(fā)展政策。在此背景下，上海也發(fā)布了地方性能源政策，其中：《上海市能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》指出：到2025 年，非化石能源占一次能源比重力爭達(dá)到20%，可再生能源、本地可再生能源爭取占全社會(huì)用電量的36% 和8%；《上海市能源電力領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》中指出，地?zé)崮芾檬菍?shí)現(xiàn)“雙碳”能源替代的重要支撐路徑，有效緩解工業(yè)與居民在高溫和寒冷等極端天氣下的制冷和供熱用電負(fù)荷；《上海市促進(jìn)地?zé)崮荛_發(fā)利用的實(shí)施意見》提出推進(jìn)淺層地?zé)崮苁痉稇?yīng)用，計(jì)劃在“十四五”期間新增淺層地?zé)崮芙ㄖ娣e500 萬m2 以上。此外，還制定了相關(guān)管理辦法和示范項(xiàng)目資金扶持辦法，這些規(guī)劃和管理政策將大力推動(dòng)地?zé)豳Y源的規(guī)模化開發(fā)利用。

目前，國內(nèi)外對埋管換熱孔回填料的研究主要集中在導(dǎo)熱性方面。Sanner[1] 認(rèn)為具有高導(dǎo)熱系數(shù)的回填料可有效降低系統(tǒng)熱阻，提高地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率。李寧波[2]將不同比例的重晶石粉加入回填料中，研究了不同配比及溫度下回填料導(dǎo)熱性能的變化規(guī)律。李為[3] 發(fā)現(xiàn)將高比熱容材料加入高導(dǎo)熱系數(shù)回填料中可有效減少熱短路現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的換熱效率。此外，費(fèi)一超[4]、賈子龍[5]、王浩[6]等人也對回填料的綜合性能、換熱能力、分層熱特征等進(jìn)行了相關(guān)研究。然而，實(shí)際工程中僅關(guān)注回填料的導(dǎo)熱性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。注漿量不足、回填不密實(shí)，甚至沒有回填等問題也會(huì)影響地埋管換熱器的換熱效果[7-9]。因此，本文在以往研究的基礎(chǔ)上，以黃砂、膨潤土為基礎(chǔ)試驗(yàn)材料，分別在水灰比0.4 和0.5 兩種狀況下，通過添加混凝土外加劑、粉煤灰和礦粉來改善回填料的性能，利用改進(jìn)的回填注漿裝置，提高回填質(zhì)量，加快注漿回填速度，縮短回填工期，助力地源熱泵技術(shù)的推廣及應(yīng)用。

1 回填料性能研究

1.1 原料選擇

考慮上海地區(qū)第四紀(jì)地層中地下水豐富，因此選擇適合地下水含量較多地區(qū)的鈉基膨潤土、黃砂為基礎(chǔ)試驗(yàn)材料。為優(yōu)化回填料的可泵性，在基礎(chǔ)試驗(yàn)材料中添加外加劑和摻合料，其中：外加劑選擇聚羧酸系高效減水劑、泵送劑；摻合料選擇優(yōu)質(zhì)II 級(jí)粉煤灰及S95 超細(xì)礦渣粉。

1.2 回填料配比

當(dāng)黃砂：膨潤土=7： 3 時(shí)，回填料導(dǎo)熱性最好，滲透系數(shù)低，止水性能較好[10]。故試驗(yàn)以黃砂：膨潤土=7： 3為基礎(chǔ)配比，并將其作為空白對照組，與添加1% 外加劑的聚羧酸系高效減水劑型和泵送劑型的兩組外加劑組，以及摻粉煤灰型和摻超細(xì)礦渣粉型的摻合料組進(jìn)行對比，分析幾種回填料在水灰比0.4 和0.5 時(shí)的析水性、稠度以及導(dǎo)熱性等，優(yōu)選出回填料的最佳配比。選用 JJ-5 型水泥膠砂攪拌機(jī)攪拌回填料（拌和時(shí)試驗(yàn)室溫度保持在21±5 ℃），SC-145 數(shù)顯砂漿稠度儀測試回填料的流動(dòng)性，Hot Disk TPS2500S 熱常數(shù)分析儀測試材料的導(dǎo)熱系數(shù)。原料混合時(shí)，在參考美國Brookhaven 實(shí)驗(yàn)室相關(guān)研究的基礎(chǔ)上添加外加劑[11]。回填料試驗(yàn)配比見表1。

1.3 回填料試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）回填料析水性

對不同水灰比下的各類膨潤土基回填料進(jìn)行析水量測試，保持砂漿體積250 ml 不變，分別進(jìn)行兩組平行試驗(yàn)，取其平均值，測試結(jié)果見圖1。圖中實(shí)線代表水灰比0.4，虛線代表水灰比0.5，析水率為120 min 后回填料砂漿析水量與砂漿體積的比值。

圖1 （a） 顯示：不同類型膨潤土基回填料砂漿的析水量隨時(shí)間推移而增加；與空白對照組相比，除聚羧酸系高效減水劑型析水量增加外，其余類型回填料砂漿的析水量均降低，且摻超細(xì)礦渣粉型的砂漿析水量低于10ml。從圖1 （b） 可以看出：水灰比越大，析水率越高，與水灰比0.4 的回填料相比，水灰比為0.5 時(shí)的析水率增幅0.8%～1.6%。兩種水灰比下，摻粉煤灰型、泵送劑型和摻超細(xì)礦渣粉型的砂漿析水率均處于較低水平，可以認(rèn)為這3 種砂漿是穩(wěn)定的，其中摻超細(xì)礦渣粉型的砂漿析水率低于5%[12]，分別為2.8% 和3.6%，回填料砂漿最穩(wěn)定。

（2）回填料砂漿稠度

回填料砂漿稠度是指回填料砂漿流動(dòng)性能，是用一定幾何形狀及重量的標(biāo)椎圓錐以其自身重力自由地沉入砂漿中的沉入深度來表示。試驗(yàn)選用量程為0～145 mm 的SC-145 數(shù)顯砂漿稠度儀進(jìn)行測試，每種砂漿分別測試5次，取其沉入深度的平均值為該類型砂漿的稠度值，結(jié)果見圖2。

由圖2 可知，除聚羧酸高效減水劑型以外，水灰比越大，砂漿稠度測定儀圓錐體沉入度值越大，測定的砂漿稠度越高，表明砂漿整體流動(dòng)性能較強(qiáng)[13-14]。與水灰比0.4相比，稠度最大增加5.5%；與空白對照組相比，水灰比0.4時(shí)，砂漿稠度均增加，從小到大依次為119.3 mm、122.6mm、122.9 mm 和123.2 mm；由于礦渣粉及粉煤灰具有為微集料效應(yīng)[15]，水灰比0.5 時(shí)，兩者砂漿稠度分別增大了1.8% 和2.7%。這是因?yàn)樗冶仍龃髸r(shí)，改善了砂漿內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)和界面過渡區(qū)，提高了砂漿結(jié)構(gòu)的致密性和均勻性，從而加大砂漿流動(dòng)性。兩種水灰比下，摻粉煤灰型、泵送劑型和摻超細(xì)礦渣粉型的砂漿析水率均處于較低水平，砂漿更加穩(wěn)定，且摻超細(xì)礦渣粉型和摻粉煤灰型的砂漿稠度最大，流動(dòng)性最好，可改善回填料在回填過程中的泵送性能，加快回填速度，因此，選擇摻超細(xì)礦渣粉型和摻粉煤灰型膨潤土基回填料進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

（3）摻合料對回填料導(dǎo)熱系數(shù)影響

回填料導(dǎo)熱性影響地埋管換熱器的換熱效果，為研究超細(xì)礦渣粉和粉煤灰對回填料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，分別用其替代部分組分的膨潤土進(jìn)行對比試驗(yàn)，結(jié)果取其平均值，如表2 所示。

對5 組回填料分別進(jìn)行24 h 和48 h 導(dǎo)熱系數(shù)測試。與空白對照組相比，摻超級(jí)礦渣粉型回填料24 小時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)分別降低8.8%、6%，48 小時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)下降8.5%、4.5%，說明摻超細(xì)礦渣粉會(huì)使回填料導(dǎo)熱系數(shù)降低；摻粉煤灰型回填料24 小時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)分別增大3.2%、6%，但48 小時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)稍有下降。替代相同份量的膨潤土，粉煤灰型的導(dǎo)熱系數(shù)均高于超細(xì)礦渣粉型，說明添加粉煤灰有益于導(dǎo)熱系數(shù)的提升，但其提升程度并不隨添加量的增加而增大，提高添加比例反而使導(dǎo)熱系數(shù)降低。表2 顯示，除配比B，配比C、D、E 的導(dǎo)熱系數(shù)大于2.1W/（m·K），均達(dá)到了美國Brookhaven 國家實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的高性能回填料的標(biāo)準(zhǔn)[16]，因此，可作為地埋管回填料的優(yōu)質(zhì)配比。

2 現(xiàn)場回填試驗(yàn)

為了研究添加超細(xì)礦渣粉和粉煤灰回填料的回填效果，包括回填密實(shí)、砂漿沉淀以及地下水對砂漿影響的情況，選擇上節(jié)中配比C 和E 進(jìn)行現(xiàn)場注漿回填，通過現(xiàn)場靜力觸探試驗(yàn)，測試試驗(yàn)井內(nèi)回填料比貫入阻力（PS） 值，分析注漿回填完成15 天后砂漿沉淀和密實(shí)情況。考慮地下水的存在會(huì)使砂漿主要以懸浮狀態(tài)濁液形式存在而無法凝固，因此注漿下沉靜力觸探采用10 cm/ 次進(jìn)行。試驗(yàn)場地為典型潮坪地貌，回填深度18 m，地下靜止水位為1.18m，地層結(jié)構(gòu)見表3，靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

從圖3 可以看出，Ps 值在地下靜止水位附近有明顯的突增。空白對照組、摻超細(xì)礦渣粉型、摻粉煤灰型回填料砂漿有不同程度的膠結(jié)，其Ps值分別為0.93 MPa、1.46MPa 和0.78 MPa。且摻粉煤灰型、摻超細(xì)礦渣粉型、空白對照組三種配比，其Ps 峰值出現(xiàn)的深度依次提前，說明相同回填速度下，超細(xì)礦渣粉和粉煤灰會(huì)加快砂漿凝結(jié)速度。由于地下含水量豐沛，回填料砂漿可能與地下水混合，在短時(shí)間內(nèi)無法穩(wěn)定凝固，這可能導(dǎo)致回填料砂漿的體積變大，流動(dòng)性增強(qiáng)，從而使得PS 值降低；空白對照組回填料由于砂漿自身沉淀，在8 m 以下PS 值持續(xù)增大，接近周圍地層（灰色淤泥質(zhì)黏土層及灰色黏土層）Ps 值，表現(xiàn)出骨料分離狀況；摻粉煤灰型回填料及摻超細(xì)礦渣粉型砂漿在注漿回填15 天時(shí)的Ps 值穩(wěn)定，均勻性較好。

綜上所述，室內(nèi)試驗(yàn)選擇的超細(xì)礦渣粉和粉煤灰作為回填料配比成分，在滿足良好的穩(wěn)定性、流動(dòng)性能的同時(shí)也具有較好的實(shí)際回填效果。

3 回填注漿裝置改進(jìn)

回填是地源熱泵施工中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，回填質(zhì)量直接關(guān)系地源熱泵埋管換熱器的換熱性能和水文地質(zhì)環(huán)境的保護(hù)，高質(zhì)量回填可為系統(tǒng)的高效運(yùn)行和地下水環(huán)境保護(hù)提供有效保障[17]。然而實(shí)際回填注漿過程中容易因提鉆而導(dǎo)致注漿中斷，打亂注漿節(jié)奏，嚴(yán)重影響注漿效率，為保證注漿回填的連貫性，本文設(shè)計(jì)了一種連續(xù)注漿裝置，如圖4 所示。

該裝置在注漿管與鉆桿之間設(shè)計(jì)了循環(huán)分支，并在主路、支路處分別設(shè)有止?jié){閥門。需要提鉆時(shí)，將止?jié){閥門1 關(guān)閉，打開止?jié){閥門2，使注漿管中的砂漿隨支路返回至泥漿攪拌桶內(nèi)，終止鉆桿內(nèi)砂漿泵送；放鉆時(shí)，關(guān)閉止?jié){閥門2，打開止?jié){閥門1，使砂漿回到主路繼續(xù)注漿。該裝置可以有效緩解注漿不連續(xù)問題，保證了注漿的順暢進(jìn)行，大大減少了因注漿中斷造成的時(shí)間損失，提高了注漿效率。

4 結(jié)論

（1）水灰比越大，析水率越高；砂漿稠度越高，流動(dòng)性越好。與水灰比0.4 相比，水灰比0.5 時(shí)回填料砂漿析水量增加了0.8%～1.6%，稠度最大增加5.5%。綜合析水試驗(yàn)和稠度試驗(yàn)結(jié)果，摻超細(xì)礦渣粉型和摻粉煤灰型可改善砂漿流動(dòng)性，加快回填速度。

（2）與膨潤土基回填料相比，添加粉煤灰的回填料的導(dǎo)熱系數(shù)稍有提高，添加超細(xì)礦渣粉的回填料的導(dǎo)熱系數(shù)略微降低，二者變幅低于8.8%，對回填料導(dǎo)熱系數(shù)稍有影響。

（3）相同注漿速度下，超細(xì)礦渣粉和粉煤灰會(huì)加快砂漿凝結(jié)速度，回填料砂漿Ps 值穩(wěn)定，均勻性較好，具有良好的實(shí)際回填效果。

（4）采用改進(jìn)的連續(xù)注漿裝置可以保證回填施工的高效連續(xù)進(jìn)行，加快回填速度、改善回填質(zhì)量、提高回填效率。

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