含碳纤维回填料导热性能试验研究

陈尔雷

摘要：在PHC管桩的桩芯内放置换热管并充填回填料可以形成PHC能源管樁。为了提高回填料的导热性能，可以掺入碳纤维、钢纤维等导热系数更高的材料。本文以高岭土为研究对象，通过掺入不同规格、不同含量的碳纤维，运用型号为EKO-HC-110的导热仪测量含碳纤维高岭土的导热系数，研究影响导热系数的因素和提高导热系数的方法。在高岭土中掺入6mm碳纤维，最优纤维掺量在0.3%时，土体导热系数提升35.1%;在高岭土中掺入3mm碳纤维，最优纤维掺量在0.3%至0.5%，土体导热系数提升30.8%;在高岭土中掺入碳纤维粉，最优纤维掺量在0.7%时，土体导热系数提升16.5%。

关键词：碳纤维;高岭土;导热系数;纤维掺量;干密度

在近几年，我国的经济发展十分迅速，呈快速上升的趋势，因此不少地质专家认为加强浅层地温能的开发与浅层地温能的利用可以帮助我们国家发展资源节约型社会以及环境友好型社会。

一、绪论

综合以上PHC管桩的基本性能特点、优势、应用范围、成本等特点，PHC管桩在能源地下结构这一大的背景下，对浅层地温能的开发与利用有较大帮助。因此通过试验研究并测量掺入碳纤维的高岭土的导热系数，探究土体导热性能的变化规律，为PHC能源管桩在浅层地温能领域的推广和应用提供参考。

二、试验的方法与步骤

（一）试验材料与设备

试验设备包括：型号为EKO-HC-110的导热仪、高精度低温恒温槽、加压泵、保鲜膜、502胶、凡士林、压样仪器（液压推土器）、标准环刀（6.18cm×2cm）、塑料盆、透明胶带、含水率为0%的高岭土、碳纤维粉、6mm长度的碳纤维、3mm长度的碳纤维、喷水壶以及精度为0.01g的电子秤。

采用的碳纤维种类包括6mm碳纤维、3mm碳纤维和碳纤维粉。高岭土掺入碳纤维的含量为0%、0.3%、0.5%、0.7%、3%的样本，掺入每种百分含量碳纤维的高岭土各制3个平行样本;含碳纤维高岭土试样的干密度设置为为1.5g/cm³与1.7g/cm³两种，每个干密度对应的含水率分别取15%。同时，制作素高岭土空白样，空白样的干密度也设置为1.5g/cm³与1.7g/cm³两种，含水率均为15%，共6个样本。试样的数量总计有78个。

（二）试验步骤

EKO-HC-110导热仪测量的标准环刀试样的导热系数测量的总体范围控制在0.1～10W/（㎡·K），并且该导热仪的计算精度范围控制在±5%;该型号导热仪器进行重复性试验所测试出来的结果误差控制在±0.2%，并且该导热仪器的热导能力的最大值不会高于600W/（㎡·K），该仪器导热系数测量的可控温度的总体范围在0～110℃之间，EKO-HC-110导热仪的仪器的样品规格如下：它的直径为51～63mm，厚度范围在0～25mm。该型号导热仪器采用RS-232C规格的标准接口，EKO-HC-110导热仪通过数据线与电脑连接起来，用热稳定法，上下两个加热板存在温差，上板的温度设置成25℃，下板的温度设置成15℃[18]。试验所需要测量的标准环刀试样的样品放在下板正中央的位置，EKO-HC-110导热仪通过控制在上下两个加热板的热传感器中间的热流输出量并且控制上下两个板的温度，以此为原理计算出高岭土标准环刀试样（6.18cm×2cm）的导热系数。

三、试验结果分析

（一）碳纤维种类及掺量对导热系数的影响

当高岭土中掺入6mm长度的碳纤维的含量达到0.3%时，高岭土的导热系数最高，为0.8821W/（m·K），且比同等含水率以及干密度的不掺入任何碳纤维的空白样高岭土的导热系数显著增高，增幅达35.7%。但随着高岭土中掺入6mm长度的碳纤维的掺量缓慢提升，其导热系数变化起伏明显，当6mm长度碳纤维的掺量从0.3%增加至0.5%时，导热系数下降幅度最大，下降幅度为26.8%。而当在高岭土中掺入6mm长度的碳纤维的掺量大幅度提升到3%时，导热系数反而较低，因此，从经济效益（碳纤维的成本）以及试验预期目的来说，不宜再提高6mm长度的碳纤维的掺量，并且6mm长度的碳纤维的掺量控制在0.3%左右时高岭土的导热性能较好。

（二）干密度及掺量对导热系数的影响

当高岭土中掺入碳纤维粉时，不同干密度对其导热系数影响较小，当纤维掺量为0.5%时，1.5g/cm³干密度的高岭土的导热系数比1.7g/cm³干密度的高岭土的导热系数高，在其余纤维掺量为1.7g/cm³干密度的高岭土的导热系数比1.5g/cm³干密度的高岭土的导热系数高，碳纤维粉的掺量为0.7%时两种干密度情况下的导热系数差别最大，干密度1.7g/cm³（0.8234W/（m·K））的导热系数高于干密度1.5g/cm³（0.7571W/（m·K））的。总体变化趋势为随着碳纤维粉的纤维掺量的提升，导热系数逐步提升，从经济效益（碳纤维的成本）以及试验预期效果来说，掺入碳纤维粉的纤维掺量控制在0.7%至1%这一区间范围内时，并且把高岭土的干密度控制在1.7g/cm³时，高岭土等粘性土体的导热系数较高。对土体的导热性能提升较好。

结论

高岭土为一种常见的粘性土体，因此试验也可以把高岭土换成性质类似的其他粘性土进行探究，例如下蜀土、黄土等，让试验探究的结果，即在回填料中掺入碳纤维可以有效提升土体的导热性能，让这一试验结果更具有普遍性。可以探究的材料不止碳纤维一种，碳纤维的导热性能比一般材料好，也可以换成其他导热性能较好同时成本适中的材料进行探究，例如铜粉、钢纤维等，用这些材料进行试验，探究粘性土体或其他常见土体的导热性能，或者改变土体的干密度、含水率进行探究，找到最优的土体的干密度或者含水率，使土体导热性能提升。在能源地下结构，甚至是未来浅层地温能的开发以及浅层地温能的利用方面提供许多帮助。

参考文献

[1]司刚平.地源热泵回填料的导热性能研究[D].中国地质大学（北京），2006.

[2]中国四冶上海分公司解释能源桩如何应用在建筑节能中的应用（2012-09-14 10：18：57）

[3]我国城市地热供暖制冷面积达320亿平方米[J].供热制冷，2018（01）：14.

[4]刘爱斌，翟如伟，景家俊，陶文杰.江苏徐州城市规划区浅层地温能潜力评价及环境效益分析[J].地质与资源，2017，26（03）：296-302.