本發明涉及傳熱技術領域，尤其涉及一種傳熱強化型混凝土及其制備方法。

背景技術：

能源樁是一種新型的地下熱交換器地源熱泵系統(以下簡稱新型的熱泵系統)，即直接將熱交換管埋設于建筑物的樁基中，利用混凝土的導熱性能，完成與周圍巖土體的熱量交換，并實現與上部建筑結構的熱量傳遞，以達到建筑物冬暖夏涼的效果。

一方面，與傳統地源熱泵系統相比，能源樁節省了高額的鉆孔費用，進一步地，新型的熱泵系統合理地利用清潔能源，節能效果顯著。另一方面，將熱交換管設置在樁基內部使得施工質量得到較好的保證，具有更好的技術經濟效益。因此從1984年奧地利首次使用了能源樁技術后，該技術在歐美各國迅速得到廣泛的使用，近年來我國也有一些工程使用了能源樁技術。

目前國內外對能源樁的研究主要關注于改變熱交換管的埋設方式，來提高樁基與周圍巖土體的換熱效率。但是由于大直徑的鋼筋混凝土樁的導熱性能較差，進而導致傳熱效率低。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種傳熱強化型混凝土及其制備方法，用于提高普通混凝土的導熱系數，增大傳熱效率。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

本發明的第一方面提供一種傳熱強化型混凝土，該傳熱強化型混凝土包括：普通混凝土和石墨，其中，普通混凝土包括水泥、砂、石子、水以及減水劑，其中，石墨所占的傳熱強化型混凝土的體積百分比小于或者等于25％。

傳熱強化型混凝土在普通混凝土中加入了石墨，由于石墨是碳的一種同素異形體，具有高導熱系數(導熱系數值達到129w/m·k)，大大提高了能源樁的導熱能力與傳熱效率，且石墨的價格便宜、易于獲得。

普通混凝土中水泥、砂、石子、水以及減水劑的配比為：248至314份水泥、185份水、586至750份砂、1172至1244份石子以及6至9份減水劑，以上均為質量配比。

普通混凝土中水泥、砂、石子、水以及減水劑的配比為：300份水泥、700份砂、1200份石子、185份水以及7份減水劑，以上均為質量配比。

石墨為粒度大于3000目，質量純度大于99％的石墨粉。

減水劑為木質素磺酸鹽類，多環芳香族鹽類，或水溶性樹脂磺酸鹽類。

在40℃溫度環境下，石墨體積含量為5％的傳熱強化型混凝土的導熱系數為1.62W/(m·K)。

在40℃溫度環境下，石墨體積含量為10％的傳熱強化型混凝土的導熱系數為1.76W/(m·K)。

在40℃溫度環境下，石墨體積含量為15％的傳熱強化型混凝土的導熱系數為1.91W/(m·K)。

在40℃溫度環境下，石墨體積含量為25％的傳熱強化型混凝土的導熱系數為2.84W/(m·K)。

在40℃溫度環境下，普通混凝土的導熱系數為1.71W/(m·K)。

本發明的第二方面提供一種傳熱強化型混凝土的制備方法，該傳熱強化型混凝土的制備方法包括：

步驟一、將水泥、砂、石子、水以及減水劑進行攪拌，制備出普通混凝土的拌合物。

步驟二、在在上述制備出的普通混凝土的拌合物中加入石墨并進行攪拌，制備出傳熱強化型混凝土。

根據上述傳制備方法可得到傳熱強化型混凝土，由于傳熱強化型混凝土中加入石墨，從而使得其導熱系數增大，傳熱效率增強。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例中導熱系數-溫度的曲線圖；

圖2為本發明實施例中傳熱強化型混凝土的熱量傳遞方向圖；

圖3為本發明實施例中傳熱強化型混凝土的制備方法流程圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

為了本領域技術人員更好的理解本發明，首先將對能源樁進行解釋：

建筑工程中，樁基是指由樁和連接樁頂的樁承臺組成的深基礎，或由柱與樁基連接的單樁基礎。樁基具有承載力高、沉降量小等特點，因而廣泛用于各種地質條件的工程，尤其適宜在軟弱地基上建筑重型建筑物中采用。能源樁是將熱交換管埋入/植入在樁基內的熱泵系統，利用其從地表獲取淺層地溫能，充分地利用混凝土良好的導熱性能，與周圍大地形成熱交換的元件。

埋入/植入的熱交換管的方式有多種，示例性地，包括采用U型、雙U串聯型、三U型、雙W型、或螺旋型的布置，將熱交換管埋入/植入混凝土中。

實施例一

本實施例提供了一種傳熱強化型混凝土，該傳熱強化型混凝土包括：普通混凝土和石墨，其中，普通混凝土包括水泥、砂、石子、水以及減水劑，其中，石墨所占的傳熱強化型混凝土的體積百分比小于或者等于25％。

傳熱強化型混凝土在普通混凝土中加入了石墨，由于石墨是碳的一種同素異形體，具有高導熱系數(導熱系數值達到129w/m·k)，大大提高了該傳熱強化型混凝土的導熱能力，進一步地，也提高了其傳熱效率。

示例性地，普通混凝土中水泥、砂、石子、水以及減水劑的配比為：248至314份水泥、185份水、586至750份砂、1172至1244份石子以及6至9份減水劑，以上均為質量配比。本實施中，優選的，普通混凝土中水泥、砂、石子、水以及減水劑的配比如下：300份水泥、700份砂、1200份石子、185份水以及7份減水劑，以上均為質量配比。

減水劑的加入，一方面，對水泥顆粒具有分散作用，減少單位用水量，改善混凝的流動性且節約水泥。示例性地，本實施例中的減水劑可為木質素磺酸鹽類，多環芳香族鹽類，或水溶性樹脂磺酸鹽類。當然，本實施例也可使用其他材質的減水劑。

進一步地，在普通混凝土中增加石墨，從而得到傳熱強化型混凝土，添加的石墨為粒度大于3000目，質量純度大于99％的石墨粉。一方面，粉狀的石墨更容易與混凝土進行混合。另一方面，石墨粉的價格便宜、易于獲得，在提高導熱能力的同時，并沒有增加傳熱強化型混凝土的制備成本，并且，由于石墨粉具有較高的比表面積，耐高溫，耐氧化，從而進一步地增加了該傳熱強化型混凝土的牢固性。

本發明由于在普通混凝土中添加了石墨作為導熱添加劑，大大的增加了普通混凝土的導熱系數。為了驗證該傳熱強化型混凝土的導熱性能，本實例按照在混凝土中添加不同體積百分比的石墨作為自變量進行實驗。石墨所占傳熱強化型混凝土體積百分百小于或等于25％，示例性地，下面以石墨所占體積百分比分別為0(即只含有混凝土)、5％、10％、15％以及25％為例，對實驗過程以及測試結果進行詳細的描述：

首先，確定對所有試樣進行導熱系數測試的溫度檢測系統，本實施例優選地溫度檢測系統為DRE-III多功能快速導熱系數測試儀(以下簡稱導熱系數測試儀)，該導熱系數測試儀采用瞬態平面熱源法對試樣進行導熱系數的測試。瞬態平面熱源法測定材料熱物性的原理是基于無限大介質中階躍加熱的圓盤形熱源產生的瞬態溫度響應。利用熱阻性材料做成一個平面的探頭，同時作為熱源和溫度傳感器。鎳的熱阻系數-溫度和電阻的關系呈線性關系，即通過了解電阻的變化可以知道熱量的損失，從而反映上述每一個試樣的導熱性能。

接著，確定用于導熱系數測試儀上的探頭，本實施優選地，采用Hot Disk作為導熱系數測試儀的探頭。

選好設備之后，則需對所要測試的試樣進行分組。具體地，石墨體積含量為0的傳熱強化型混凝土的試樣個數為4，組號為A；石墨體積含量為5％的傳熱強化型混凝土的試樣個數為4，組號為B；石墨體積含量為10％的傳熱強化型混凝土的試樣個數為4，組號為C；石墨體積含量為15％的傳熱強化型混凝土的試樣個數為4，組號為D；石墨體積含量為25％的傳熱強化型混凝土的試樣個數為4，組號為E?？偣?0個試樣，分為5組，且每一個試樣的尺寸均為Φ50×30mm。

進一步地，分別對每一組不同溫度下的導熱系數進行測試，并將每一組4個樣品測試的平均值作為改組的導熱系數值，其測試結果如表1所示。

表1不同溫度下每一組的導熱系數值

取每組測試結果的平均值作為該組在該溫度下的導熱系數，并繪制導熱系數-溫度曲線圖，如圖1所示。

繼續參見圖1可知，在40℃溫度環境下，A組的導熱系數為1.71W/(m·K)；B組的導熱系數為1.62W/(m·K)；C組的導熱系數為1.76W/(m·K)；D組的導熱系數為1.91W/(m·K)；E組的導熱系數為2.84W/(m·K)。相較于A組而言，E組的導熱系數提高了1.66倍。其余溫度下，每一組的導熱系數值進行參照表1，在此不再贅述。

另外，可進一步地確定該傳熱強化型混凝土的熱交換值，具體地：

根據如下公式計算熱交換管中的交換液與周圍巖土體的熱量交換：其中，T₁與T₅分別為交換液與巖土體的溫度，R_T為總熱阻。

總熱阻的計算公式如下：R_T＝R_Fluid+R_pipe+R_concrete+R_groud；其中，R_Fluid為液體流動熱阻值，R_pipe為熱交換管熱阻值，R_concrete為傳熱強化型混凝土熱阻值，R_groud為巖土體熱阻值。

液體流動熱阻值的計算公式如下：其中，γ_i為內部管道半徑，d為熱交換管的管道數量，h為對流換熱系數；熱交換管熱阻值的計算公式如下：其中，r₀為熱交換管的外部管道半徑，k_p為熱交換管的管道金屬材料的導熱系數；傳熱強化型混凝土熱阻值的計算公式如下：其中，r_b為樁基半徑，k_c為傳熱混凝土材料的導熱系數，其中為有效半徑，n為樁的根數。

值得一提的是，參照圖2，本發明著重于提高傳熱混凝土材料的導熱系數k_c，用于降傳熱強化型混凝土熱阻值R_concrete。原溫度線如虛線所示，當提高傳熱混凝土材料導熱系數k_c后溫度線如實線所示?；炷僚c土壤交界面溫度由T4提高到T4′，熱阻降低的情況下提高了能源樁的換熱效率。

實施例二

本實施例提供一種傳熱強化型混凝土的制備方法，傳熱強化型混凝土的制備方法適用于上述實施例一所涉及到的傳熱強化型混凝土。其中，如圖3所示，該傳熱強化型混凝土的制備方法包括：

步驟一、將水泥、砂、石子、水以及減水劑進行攪拌，制備出普通混凝土的拌合物。

步驟二、在在上述制備出的普通混凝土的拌合物中加入石墨并進行攪拌，制備出傳熱強化型混凝土。

該傳熱強化型混凝土的制備方法還包括，在制備出的普通混凝土的拌合物中加入石墨之后，添加一定量的水，進行攪拌之后，得到傳熱強化型混凝土。需要注意的是，上述“添加一定量的水”為經驗值，其作用為使拌合物的坍落度達到150mm，從而得到傳熱效果更好的混凝土。坍落度是指混凝土的和易性，用于判斷施工能否正常進行。

和易性是指混凝土是否易于施工操作和均勻密實的性能，是一個很綜合的性能其中包含流動性、黏聚性和保水性。影響和易性主要有單位體積用水量、水灰比、砂率以及包括水泥品種、骨料條件、時間和溫度、外加劑等幾個方面。

利用上述方法制備的傳熱強化型混凝土，由于在普通混凝土中添加了石墨，從而使其導熱系數增大，傳熱效率增強。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。