一种相变复合注浆回填材料制备方法及回填施工方法与流程

1.本发明属于地热垂直钻孔地埋管换热器回填材料技术领域，具体涉及一种相变复合注浆回填材料制备方法及回填施工方法。


背景技术：

2.浅层地热能被普遍认为是一种清洁环保、节能经济的可再生能源，具有储量丰富、分布广泛、稳定可靠等特点。浅层地热能主要依靠地源热泵系统用于建筑冬季供暖和夏季制冷，地源热泵系统的核心构件为地埋管换热器。
3.近些年，能源利用与相变储能技术相结合为达到进一步提高能源利用的效率，相变储能技术是通过物质相态的变化以实现能量的收集与利用。由于相变材料具有储能密度大、体积变化小以及在相变过程中材料本身能保持近似等温等优点，使得其在很多领域(如建筑、道路、航空航天和物流运输)得到广泛的应用。
4.目前应用较为广泛的地埋管换热器为垂直地埋管换热器，然而，钻孔回填材料的导热性能较低和钻孔回填施工方法的不完善成为垂直地埋管换热器进一步发展应用的阻碍。目前垂直地埋管配合回填材料在使用过程中，具有以下问题：垂直地埋管的换热性能低和回填材料回填的密实度不够，钻孔回填浆液随机扩散，回填注浆效果较差，钻孔注浆充盈率过高，因此，需要改变。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种相变复合注浆回填材料制备方法及回填施工方法，通过采用工业废渣高炉矿渣代替部分水泥凝胶材料，实现废弃物利用检索环境污染的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.第一方面，本发明提供了一种相变复合注浆回填材料制备方法，包括：
8.将相变复合注浆回填材料中的高炉矿渣粉末置于搅拌机中，加入氢氧化钠溶液初次搅拌；
9.将初次搅拌后的浆液中加入硅酸钠溶液进行第二次搅拌；
10.将第二次搅拌后的浆液加入相变复合注浆回填材料中的其他材料，按照特定质量配比置于另一个搅拌机中进行第三次搅拌；
11.将第三次搅拌后的浆液中添加水进行最后进行混合搅拌，制得相变复合注浆回填材料。
12.通过设置高绿矿渣粉末代替现有技术中的部分水泥凝胶，实现废弃物利用减少环境污染。
13.可选的，所述相变复合注浆回填材料中的其他材料包括：碳纤维、碱激发剂溶液、石蜡、细砂及水泥，可有效提高回填材料的传热性能，且导热系数可达1.85w/(m
·
k)，28d抗压强度可达13.5mpa。
14.可选的，所述特定质量配比包括：1％的碳纤维、20％的碱激发剂溶液混合高炉矿渣配制的浆液、3％的石蜡、20％的细砂及56％的水泥。
15.可选的，所述碳纤维为短切聚丙烯腈(pan)基碳纤维，长度为6mm，直径为7.5μm，通过加入碳纤维增加导热性。
16.可选的，所述高炉矿渣为s95级。
17.可选的，所述碱激发剂溶液为氢氧化钠溶液和硅酸钠溶液配制的混合溶液，其中，氢氧化钠溶液和硅酸钠溶液的质量分数比为1:1.2，所述氢氧化钠溶液的摩尔浓度为10mol/l，溶质质量分数为25％。
18.可选的，所述石蜡相变温度包括4摄氏度～6摄氏度或24摄氏度～26摄氏度，通过选择石蜡的相变温度为4摄氏度～6摄氏度对应冬季，以适应冬季建筑制热工况，相变温度为24摄氏度～26摄氏度对应夏季，适应夏季建筑制冷工况。
19.可选的，所述细砂的粒径小于0.5mm。
20.可选的，所述水泥为复合硅酸盐水泥pc42.5。
21.第二方面，本发明还提供了一种根据第一方面所述的一种相变复合注浆回填材料制备方法的回填施工方法，包括以下步骤：
22.a：将回填材料装入垂直地埋管，改变回填材料的状态，使其发生固态到液态的相变；
23.b：将液态的回填材料注入钻孔指定深度；
24.c：在钻孔内部改变混合材料的状态，使其发生液态到固态的相变，以使得回填材料与周边土体形成硬壳层。
25.本发明的有益效果和优点：
26.相变复合注浆回填材料制备方法通过采用工业废渣高炉矿渣代替传统的水泥凝胶材料，实现废物利用，减少环境污染，且将相变材料和碳纤维材料混合水泥、细砂制备的复合注浆材料会有效提高回填材料的传热性能，达到浅层地热资源高效利用的目标，通过将石蜡相变的温度设置两个范围，使得适用于冬季及夏季两种建筑工况，通过采用碳纤维、工业废料高炉矿渣、石蜡、碱激发剂溶液、水泥和细砂制备的高性能相变复合注浆回填材料导热系数可达1.85w/(m
·
k)，28d抗压强度可达13.5mpa，可应用于垂直钻孔地埋管的实际工程应用中并产生良好的环境和经济效益；
27.相变复合注浆回填材料回填施工方法利用加热装置处理发生固液相变后通过保温导管将发生固液相变的混合料注入到钻孔指定深度，再利用垂直地埋管与冷却水循环管路使得回填混合材料发生相变凝固成固体，与土体界面形成连接硬壳层，加强回填材料整体连接性和密实度，有效地提升垂直地埋管的换热效率，而且可避免钻孔回填浆液随机扩散、回填注浆效果不佳，及钻孔注浆充盈率过高的工程问题
附图说明
28.图1为本发明的相变复合注浆回填材料制备方法流程图；
29.图2为本发明的相变复合注浆回填材料回填施工方法流程图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.实施例一：
34.如1所示，提供了一种相变复合注浆回填材料制备方法，其中，相变复合注浆回填材料由碳纤维、高炉矿渣、碱激发剂溶液、石蜡、细砂和水泥组成，相变复合注浆回填材料制备方法具体包括以下步骤：
35.步骤一：将高炉矿渣粉末置于搅拌机中，加入氢氧化钠溶液初次搅拌，初次搅拌时间优选为5分钟；
36.步骤二：将初次搅拌后的浆液中加入硅酸钠溶液进行第二次搅拌，第二次搅拌的时间优选为5分钟；
37.步骤三：将第二次搅拌后的浆液加入相变复合注浆回填材料中的其他材料，按照特定质量配比置于另一个搅拌机中进行第三次搅拌，第三次搅拌时间优选为5分钟；
38.步骤四：将第三次搅拌后的浆液中添加水进行最后进行混合搅拌，最后的搅拌时间优选为5分钟，制得相变复合注浆回填材料。
39.本实施例中，相变复合注浆回填材料按照特定的质量配比，具体为：1％的碳纤维、20％的碱激发剂混合高炉矿渣配制的浆液、3％的石蜡、20％的细砂和56％的水泥，将相变材料与碳纤维材料混合水泥细砂制备的复合注浆材料导热系数可达1.85w/(m
·
k)，28d抗压强度可达13.5mpa，有效提高回填材料的传热性能，其中搅拌机搅拌时的转速优选设置为150r/min；
40.本实施例中碳纤维采用短切聚丙烯腈(pan)基碳纤维，长度为6mm，直径为7.5μm以增加材料的导热性能，本实施例中采用的高炉矿渣为s95级，用来代替传统的水泥凝胶，实现废物利用；
41.本实施例中碱激发剂溶液为氢氧化钠溶液和硅酸钠溶液配制的混合溶液，其中，氢氧化钠溶液和硅酸钠溶液的质量分数比为1:1.2，所述氢氧化钠溶液的摩尔浓度为10mol/l，溶质质量分数为25％；
42.本实施例中，石蜡相变材料优选为两种类型，一种适用于冬季建筑制热工况，其石蜡相变温度设置在4摄氏度～6摄氏度，另一种适用于夏季建筑制冷工况，其石蜡相变温度设置在24摄氏度～26摄氏度；
43.本实施例中，细砂的粒径小于0.5mm，水泥优选为为复合硅酸盐水泥pc42.5。
44.实施例二：
45.参考图2所示，本实施例提供了一种相变复合注浆回填材料回填施工方法，包括以下步骤：
46.a：将回填材料装入垂直地埋管，改变回填材料的状态，使其发生固态到液态的相变；
47.b：将液态的回填材料注入钻孔中；
48.c：在钻孔内部改变回填材料的状态，使其发生液态到固态的相变，以使得回填材料与周边土体形成硬壳层。
49.具体的，本实施例中回填材料用于现有技术中的垂直地埋管，其中改变回填材料的状态采用加热的方式实现固态到液态的相变，优选采用现有技术中的加热棒传递加热，液态的回填材料通过保温导管传递至钻孔指定深度处，垂直地埋管还连接有现有技术中的冷却水循环管路，其中冷却水循环管路布设在钻孔周边，用于冷却降低钻孔周边的温度，且在钻孔回填之前布置好垂直地埋管与冷水循环管路，保温导管将液态的回填材料传输注入至钻孔中，钻孔周边的冷却水循环管路开启，持续对钻孔周边降温冷却，钻孔中的回填材料发生液态到固定的相变，钻孔中持续填料至与土地界面形成硬壳层，持续注入混合回填材料，直至钻孔全部填满相变复合注浆回填材料。。
50.本实施例中，通过将注浆回填材料利用加热装置处理后，使其发生固态—液体的相变，再通过保温导管将液态的回填材料注入到钻孔内的指定深度，再利用垂直地埋管与冷却水循环管路使得回填混合材料发生相变即凝固成固体，从而与土体界面形成连接硬壳层，该回填方法不仅可加强回填材料整体连接性和密实度，有效地提升垂直地埋管的换热效率，而且可避免钻孔回填浆液随机扩散，回填注浆效果不佳，钻孔注浆充盈率过高的工程问题，产生明显的经济和环境效益。
51.以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种相变复合注浆回填材料制备方法，其特征在于：包括：将相变复合注浆回填材料中的高炉矿渣粉末置于搅拌机中，加入氢氧化钠溶液初次搅拌；将初次搅拌后的浆液中加入硅酸钠溶液进行第二次搅拌；将第二次搅拌后的浆液加入相变复合注浆回填材料中的其他材料，按照特定质量配比置于另一个搅拌机中进行第三次搅拌；将第三次搅拌后的浆液中添加水进行最后进行混合搅拌，制得相变复合注浆回填材料。2.根据权利要求1所述的一种相变复合注浆回填材料制备方法，其特征在于：所述相变复合注浆回填材料中的其他材料包括：碳纤维、碱激发剂溶液、石蜡、细砂及水泥。3.根据权利要求2所述的一种相变复合注浆回填材料制备方法，其特征在于：所述特定质量配比包括：1％的碳纤维、20％的碱激发剂溶液混合高炉矿渣配制的浆液、3％的石蜡、20％的细砂及56％的水泥。4.根据权利要求3所述的一种相变复合注浆回填材料制备方法，其特征在于：所述碳纤维为短切聚丙烯腈(pan)基碳纤维，长度为6mm，直径为7.5μm。5.根据权利要求3所述的一种相变复合注浆回填材料制备方法，其特征在于：所述高炉矿渣为s95级。6.根据权利要求3所述的一种相变复合注浆回填材料制备方法，其特征在于：所述碱激发剂溶液为氢氧化钠溶液和硅酸钠溶液配制的混合溶液，其中，氢氧化钠溶液和硅酸钠溶液的质量分数比为1:1.2，所述氢氧化钠溶液的摩尔浓度为10mol/l，溶质质量分数为25％。7.根据权利要求3所述的相变复合注浆回填材料制备方法，其特征在于：所述石蜡相变温度包括4摄氏度～6摄氏度或24摄氏度～26摄氏度。8.根据权利要求3所述的相变复合注浆回填材料制备方法，其特征在于：所述细砂的粒径小于0.5mm。9.根据权利要求3所述的相变复合注浆回填材料制备方法，其特征在于：所述水泥为复合硅酸盐水泥pc42.5。10.一种基于权利要求1-9任一项所述的相变复合注浆回填材料制备方法的回填施工方法，其特征在于，包括以下步骤：a：将回填材料装入垂直地埋管，改变回填材料的状态，使其发生固态到液态的相变；b：将液态的回填材料注入钻孔指定深度；c：在钻孔内部改变混合材料的状态，使其发生液态到固态的相变，以使得回填材料与周边土体形成硬壳层。

技术总结
本发明公开了一种相变复合注浆回填材料制备方法及回填施工方法，其中回填材料制备方法包括：将高炉矿渣粉末置于搅拌机中，加入氢氧化钠溶液初次搅拌；将初次搅拌后的浆液中加入硅酸钠溶液进行第二次搅拌；将第二次搅拌后的浆液加入其他材料，按照特定质量配比置于另一个搅拌机中进行第三次搅拌；将第三次搅拌后的浆液中添加水进行进行混合搅拌制得。本发明通过采用工业废渣高炉矿渣代替传统的水泥凝胶材料，实现废物利用，减少环境污染，且将相变材料和碳纤维材料混合水泥、细砂制备的复合注浆材料会有效提高回填材料的传热性能，通过将石蜡相变的温度设置两个范围，使得适用于冬季及夏季两种建筑工况。及夏季两种建筑工况。及夏季两种建筑工况。


技术研发人员：刘益平 葛阳 张勇 葛海明 张国柱 操子明 康晨阳 许崧 余涛 王俊超 周康 张楚楚
受保护的技术使用者：中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/7/19