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【摘 要】 能量桩技术是将传统的地源热泵技术与建筑桩基础结合在一起,充分利用浅层地热能进行热量转换,使建筑桩基在满足承载性能的前提下兼起地源热泵换热器的作用。能量桩技术对桩体力学性能和储热性能具有较高的要求,针对能量桩体研发钢纤维石墨混凝土,在桩身混凝土中掺入石墨用于增强桩的导热性能,掺入钢纤维以提高桩身承载力。通过对试块进行抗压、抗折和导热系数的测试试验,得出最优配比:加入4%石墨和0.6%钢纤维,混凝土的导热系数提高30.1%,抗压强度、抗折强度分别提高6.9%和11.5%。
【关键词】 能量桩;石墨;钢纤维;导热性;强度
Study on Mixture Ratio of Steel Fiber Graphite Concrete
Chang Hong, Chen Abin
(Jilin Jianzhu University, Changchun 130118 , China)
【Abstract】 Energy pile technology combines traditional ground source heat pump technology with building pile foundation,makes full use of shallow geothermal energy for heat conversion, and makes building pile foundation play the role of ground source heat pump heat exchanger underthe premise of satisfying bearing capacity.The energy pile technology has high requirements on the physical strength and heat storage performance of the pile.In this paper,steel fiber graphite concrete was developed for the energy pile.Graphite was added into the concrete to enhance the thermal conductivity of the pile,and steel fiber was added to improve the bearing capacity of the pile.By testing the compressive,flexural and thermal conductivity of the test block, the optimal ratio was obtained: adding 4% graphite and 0.6% steel fiber,the thermal conductivity of concrete increased by 30.1%,and the compressive strength and flexural strength increased by 6.9% and 11.5%,respectively.
【Key words】 energy pile; graphite; steel fiber; thermal conductivity; strength
〔中圖分类号〕 TU528.572 〔文献标识码〕 A 〔文章编号〕 1674 - 3229(2021)02- 0083 - 04
0 引言
随着节能环保问题热度的持续高涨,地源热泵系统作为节能环保技术得到充分关注和发展。20世纪80年代,奥地利的工程师[1]提出将建筑桩基作为地源热泵换热器,2003年,瑞士Laloui教授提出地热能转换桩的概念,并给出桩的施工方法和具体步骤,2006年Laloui[2]通过有限单元法给出地热能转换桩的数值模型。由此逐步形成桩基-换热器一体,称为能量桩。2010年,肖建庄等[3]通过稳态平板导热仪对混凝土试件的导热系数进行试验,探究粗骨料、钢筋体积分数对混凝土导热性的影响,得出导热系数随着混凝土中粗骨料、钢筋体积分数的增加呈线性增长趋势。2017年,张伟平等[4]利用防护热板法探究粗骨料对混凝土导热性的影响,发现粗骨料的增加使混凝土的导热性提高。2018年,何桥敏等[5]通过试验探究钢纤维掺量对混凝土强度的影响,得出随钢纤维掺量的增加抗折强度呈线性上升的趋势,但抗压强度呈先增大后减小的趋势。2019年,屈春来等[6]通过石墨混凝土的模型试验,研究石墨对混凝土导热性和抗压强度的影响,得出石墨能提高混凝土的导热性,但抗压强度会降低,钢纤维的掺入能提高混凝土的抗压和抗折强度[7-8]。国内外学者对提高混凝土导热性或强度的研究较多,但对于同时提高混凝土的导热性和强度的研究较少。在混凝土中掺入石墨和钢纤维进行试验,研究石墨和钢纤维对混凝土的导热性和强度的影响,同时考虑砂率对混凝土导热性和强度的影响,得出最优配比是本文研究的重点。
1 砂率的选择
1.1 原材料与配合比
混凝土中骨料的含量随着砂率的变化而变化,进而会影响混凝土的强度和导热性,探究砂率的变化对混凝土的强度和导热性的影响,从而得出最优砂率。混凝土强度为C30,依据《混凝土配合比设计规程》进行配比;水泥采用P·O 32.5级水泥;粗骨料用粒径为5-10mm的碎石,表观密度为2762kg/m3,堆积密度为1420kg/m3;细骨料的规格为II级中砂,表观密度为2630kg/m3;水灰比为0.57;砂率分别选取0.36、0.38和0.41。为了减小试验误差,相同砂率的试块同时做3次试验,最终结果取平均值,每立方米混凝土配合比见表1。 1.2 混凝土试块的制备
混凝土抗压强度的试验采用100mm×100mm×100mm的标准立方体试块,抗折强度的试验采用100mm×100mm×400mm的标准长方体试块,测导热系数的试块采用300mm×300mm×30mm的板状试块。混凝土的拌制使用机械搅拌,在混凝土的拌制过程中,首先在搅拌仓内放入粗骨料和细骨料,搅拌均匀后加入水泥进行充分搅拌,随后再加水搅拌35s。将搅拌完成的混凝土倒入模具中进行振捣,随后抹平表面并编号,静止养护48h后脱模,再在标准养护条件下养护28d。
1.3 试验加载装置与加载方案
依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学试验方法标准》进行抗压和抗折强度的测定,抗压试验采用最大压力为2000kN的JES-2000A压力试验机,抗折试验采用最大压力为600kN的WEW-600B微机屏显液压万能试验机,要求抗压和抗折试验在室温下进行。测定混凝土导热系数的仪器使用CD-DR3030B导热系数测定仪,按照GB 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》的要求在10-70℃的温度范围内测试。抗折、抗压、导热试验过程见图1。
进行抗压试验时,试块放置在中心位置,荷载加载过程中不得中断,记录试块破坏时的荷载F。混凝土试块的抗压强度按式(1)计算:
[fcc=FmaxA] (1)
式中:[fcc]—混凝土立方体抗压强度,MPa;
[Fmax]—试块破坏时的荷载,KN;
[A]—受压区面积,mm2;
做抗折试验时,将试块的中心轴和两侧的边线标注清晰,加载时作用点与试块中心轴对齐。加载至试块出现贯通的竖向裂纹表明试块破坏,记录试块破坏时的荷载F,混凝土的抗折强度按式(2)计算:
[fcf=FLbh2] (2)
式中:[fcf]—试块的抗折强度,MPa;
[F]—试块破坏时的荷载,KN;
[L]—两点间的距离,mm;
[b]—试块的截面宽度,mm;
[h]—试块的截面高度,mm;
进行导热系数测定时,首先将养护完成的试块,用烘干箱在70-80℃的温度范围内连续烘干12h,减小试块导热系数测定过程中因试块内存在水分造成试验结果的误差。测试时,混凝土板平放在槽内,不得超出规定的摆放区域。
1.4 试验结果分析
从图2、图3可以看出,砂率增大的同时抗压和抗折强度呈下降趋势,其中抗压强度降低1.6%-3.3%、抗折强度降低3.4%-5%。
对图4中0.36、0.38、0.41这三种砂率混凝土试块的导热系数对比得出,砂率为0.36的混凝土导热系数最高,证明砂率在0.36-0.38之间时混凝土的导热系数随砂率的增大呈线性下降的趋势,砂率超过0.38时,导热系数的下降趋势趋于平稳。对各项数据综合考虑后,选用0.36作为本文试验的砂率。
2 试验材料参数设计
2.1 原材料
混凝土强度为C30;水泥用P·O 32.5级水泥;粗骨料用粒徑5-10mm的碎石,表观密度为2762kg/m3,堆积密度为1420kg/m3;细骨料的规格为II级中砂,表观密度为2630kg/m3;水灰比为0.57;砂率为0.36;石墨采用100目鳞片状石墨粉;钢纤维使用的是冷拉丝钢纤维,长径比l/d=40,密度为6500kg/m3。
2.2 配合比设计
混凝土依据《混凝土配合比设计规程》进行配比,试验按照石墨和钢纤维掺入比例的不同分为9种工况,共制备试块81块,每立方米混凝土配合比见表2。
混凝土试块的制备过程和试验的加载装置、加载方案,按照选择砂率时的制备过程和加载方案进行,试验试块见图5。
3 试验结果分析
3.1 抗压强度
试验结果见图6。随着混凝土中石墨掺量的增加,混凝土的抗压强度呈下降趋势,B1和C1工况相对于A1工况抗压强度降低6%和7.5%。是由于石墨滑动性大且强度小于细骨料、与水泥的粘结力也较细骨料弱所致。从图7可以看出随着石墨掺量的增加,试块破环后呈散粒状。
当石墨掺量为2%时,A2和A3工况相比A1工况钢纤维的掺量增加,混凝土的抗压强度提高9.1%和9.4%。钢纤维的延性较好,能有效抵抗裂纹的发展、减少细小碎块的产生,使混凝土的抗压强度提高。掺入钢纤维的混凝土试块破坏后的表面裂纹呈竖条纹状,且裂纹明显减少。
相对于石墨造成混凝土抗压强度的降低,钢纤维的掺入使混凝土的抗压强度有所提升,使混凝土的抗压强度满足承载要求。当钢纤维的掺量达到0.4%以后,抗压强度的增加幅度很小逐渐趋于稳定,这是因为钢纤维过多所形成的无序排列破坏了混凝土原有的内部结构导致抗压强度增长缓慢,所以钢纤维对抗压强度的提升幅度是有限的。
3.2 抗折强度
由图8可知,将A1、B1、C1工况的抗折强度进行对比,发现A1工况的抗折强度高于B1工况7%、C1工况11.5%,所以随着石墨掺量的增加混凝土的抗折强度呈下降趋势。因为石墨颗粒的表面光滑,与周围的材料之间难以形成较强的粘结力,导致抗折强度的降低。
从图9可以看出,试块破坏后的断裂面呈折线形,断裂面有拉断和拔出的钢纤维,可见横向的钢纤维抵抗一部分拉力。当石墨掺量为2%时,A2和A3工况相对于A1工况混凝土的抗折强度分别提高4.9%和11.7%。 3.3 导热系数试验结果
从图10可以看出,随着混凝土中石墨和钢纤维掺量的增加,混凝土的导热系数呈线性上升趋势。将钢纤维掺量为0.6%时的A3、B3、C3工况的导热系数对比可以得出,B3和C3工况的导热系数相对于A3工况提高12.8%和22.7%,所以石墨掺量的增加使混凝土的导热系数大幅度提升。通过对A1和A2、A3工况的导热系数对比得出,A2和A3工况相对于A1工况导热系数分别提高1.6%和4.7%,所以钢纤维掺量的增加使混凝土的导热系数线性增长。
4 结论
(1)相对于砂率0.38和0.41,砂率为0.36的混凝土导热系数、强度最高,证明砂率越小导热性越好、抗压和抗折强度越高。将B1和C1工况与A1工况的导热系数对比可得,B1和C1工况的导热系数分别提高12.4%和23.5%,所以混凝土中石墨掺量越大导热性越好。
(2)A2和A3工况相对于A1工况,抗压强度提高9.1%和9.4%、抗折强度提高4.9%和11.7%,A3工况相比A2工况抗压强度提高较小仅有0.2%、抗折强度的提升幅度较大,所以钢纤维对混凝土抗压强度的提升是有限的。
(3)综合考虑经济性、混凝土的导热性、强度后,得出最优配比是C3工况,即掺入4%的石墨和0.6%的钢纤维,导热系数提升30.7%、抗压强度提高6.9%、抗折强度提高11.5%,能够保证能量桩的稳定性。
[参考文献]
[1]BRANDL H.Energy foundations and other thermo-active ground structures[J].Géotechnique,2006,56(2):81-122.
[2] LalouiL ,Nuth M , Vulliet L . Experimental and numerical investigations of the behaviour of a heat exchanger pile[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 2006, 30(8):763-781.
[3] 肖建莊,宋志文,张枫.混凝土导热系数试验与分析[J].建筑材料学报,2010,13(1):17-21.
[4] 张伟平,王浩,顾祥林.粗骨料随机分布对混凝土导热性能的影响[J].建筑材料学报,2017,20(2):168-173+197.
[5] 何桥敏,周丽.不同钢纤维掺量及黏结剂对混凝土性能的影响[J].中外公路,2018,10(5):267-269.
[6] 屈春来,薛少欣,辛悦,等.石墨对混凝土导热系数及抗压强度影响规律分析[J].科学技术与工程,2019,19(13):243-248.
[7] 陈从春,冯毅,陈晓东.钢纤维体积掺量对超高性能混凝土力学性能的影响[J].新型建筑材料,2016,43(5):54-56.
[8] 牛龙龙,张士萍,韦有信.钢纤维掺量对混凝土力学性能的影响[J].混凝土与水泥制品,2019(3):51-54.
【关键词】 能量桩;石墨;钢纤维;导热性;强度
Study on Mixture Ratio of Steel Fiber Graphite Concrete
Chang Hong, Chen Abin
(Jilin Jianzhu University, Changchun 130118 , China)
【Abstract】 Energy pile technology combines traditional ground source heat pump technology with building pile foundation,makes full use of shallow geothermal energy for heat conversion, and makes building pile foundation play the role of ground source heat pump heat exchanger underthe premise of satisfying bearing capacity.The energy pile technology has high requirements on the physical strength and heat storage performance of the pile.In this paper,steel fiber graphite concrete was developed for the energy pile.Graphite was added into the concrete to enhance the thermal conductivity of the pile,and steel fiber was added to improve the bearing capacity of the pile.By testing the compressive,flexural and thermal conductivity of the test block, the optimal ratio was obtained: adding 4% graphite and 0.6% steel fiber,the thermal conductivity of concrete increased by 30.1%,and the compressive strength and flexural strength increased by 6.9% and 11.5%,respectively.
【Key words】 energy pile; graphite; steel fiber; thermal conductivity; strength
〔中圖分类号〕 TU528.572 〔文献标识码〕 A 〔文章编号〕 1674 - 3229(2021)02- 0083 - 04
0 引言
随着节能环保问题热度的持续高涨,地源热泵系统作为节能环保技术得到充分关注和发展。20世纪80年代,奥地利的工程师[1]提出将建筑桩基作为地源热泵换热器,2003年,瑞士Laloui教授提出地热能转换桩的概念,并给出桩的施工方法和具体步骤,2006年Laloui[2]通过有限单元法给出地热能转换桩的数值模型。由此逐步形成桩基-换热器一体,称为能量桩。2010年,肖建庄等[3]通过稳态平板导热仪对混凝土试件的导热系数进行试验,探究粗骨料、钢筋体积分数对混凝土导热性的影响,得出导热系数随着混凝土中粗骨料、钢筋体积分数的增加呈线性增长趋势。2017年,张伟平等[4]利用防护热板法探究粗骨料对混凝土导热性的影响,发现粗骨料的增加使混凝土的导热性提高。2018年,何桥敏等[5]通过试验探究钢纤维掺量对混凝土强度的影响,得出随钢纤维掺量的增加抗折强度呈线性上升的趋势,但抗压强度呈先增大后减小的趋势。2019年,屈春来等[6]通过石墨混凝土的模型试验,研究石墨对混凝土导热性和抗压强度的影响,得出石墨能提高混凝土的导热性,但抗压强度会降低,钢纤维的掺入能提高混凝土的抗压和抗折强度[7-8]。国内外学者对提高混凝土导热性或强度的研究较多,但对于同时提高混凝土的导热性和强度的研究较少。在混凝土中掺入石墨和钢纤维进行试验,研究石墨和钢纤维对混凝土的导热性和强度的影响,同时考虑砂率对混凝土导热性和强度的影响,得出最优配比是本文研究的重点。
1 砂率的选择
1.1 原材料与配合比
混凝土中骨料的含量随着砂率的变化而变化,进而会影响混凝土的强度和导热性,探究砂率的变化对混凝土的强度和导热性的影响,从而得出最优砂率。混凝土强度为C30,依据《混凝土配合比设计规程》进行配比;水泥采用P·O 32.5级水泥;粗骨料用粒径为5-10mm的碎石,表观密度为2762kg/m3,堆积密度为1420kg/m3;细骨料的规格为II级中砂,表观密度为2630kg/m3;水灰比为0.57;砂率分别选取0.36、0.38和0.41。为了减小试验误差,相同砂率的试块同时做3次试验,最终结果取平均值,每立方米混凝土配合比见表1。 1.2 混凝土试块的制备
混凝土抗压强度的试验采用100mm×100mm×100mm的标准立方体试块,抗折强度的试验采用100mm×100mm×400mm的标准长方体试块,测导热系数的试块采用300mm×300mm×30mm的板状试块。混凝土的拌制使用机械搅拌,在混凝土的拌制过程中,首先在搅拌仓内放入粗骨料和细骨料,搅拌均匀后加入水泥进行充分搅拌,随后再加水搅拌35s。将搅拌完成的混凝土倒入模具中进行振捣,随后抹平表面并编号,静止养护48h后脱模,再在标准养护条件下养护28d。
1.3 试验加载装置与加载方案
依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学试验方法标准》进行抗压和抗折强度的测定,抗压试验采用最大压力为2000kN的JES-2000A压力试验机,抗折试验采用最大压力为600kN的WEW-600B微机屏显液压万能试验机,要求抗压和抗折试验在室温下进行。测定混凝土导热系数的仪器使用CD-DR3030B导热系数测定仪,按照GB 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》的要求在10-70℃的温度范围内测试。抗折、抗压、导热试验过程见图1。
进行抗压试验时,试块放置在中心位置,荷载加载过程中不得中断,记录试块破坏时的荷载F。混凝土试块的抗压强度按式(1)计算:
[fcc=FmaxA] (1)
式中:[fcc]—混凝土立方体抗压强度,MPa;
[Fmax]—试块破坏时的荷载,KN;
[A]—受压区面积,mm2;
做抗折试验时,将试块的中心轴和两侧的边线标注清晰,加载时作用点与试块中心轴对齐。加载至试块出现贯通的竖向裂纹表明试块破坏,记录试块破坏时的荷载F,混凝土的抗折强度按式(2)计算:
[fcf=FLbh2] (2)
式中:[fcf]—试块的抗折强度,MPa;
[F]—试块破坏时的荷载,KN;
[L]—两点间的距离,mm;
[b]—试块的截面宽度,mm;
[h]—试块的截面高度,mm;
进行导热系数测定时,首先将养护完成的试块,用烘干箱在70-80℃的温度范围内连续烘干12h,减小试块导热系数测定过程中因试块内存在水分造成试验结果的误差。测试时,混凝土板平放在槽内,不得超出规定的摆放区域。
1.4 试验结果分析
从图2、图3可以看出,砂率增大的同时抗压和抗折强度呈下降趋势,其中抗压强度降低1.6%-3.3%、抗折强度降低3.4%-5%。
对图4中0.36、0.38、0.41这三种砂率混凝土试块的导热系数对比得出,砂率为0.36的混凝土导热系数最高,证明砂率在0.36-0.38之间时混凝土的导热系数随砂率的增大呈线性下降的趋势,砂率超过0.38时,导热系数的下降趋势趋于平稳。对各项数据综合考虑后,选用0.36作为本文试验的砂率。
2 试验材料参数设计
2.1 原材料
混凝土强度为C30;水泥用P·O 32.5级水泥;粗骨料用粒徑5-10mm的碎石,表观密度为2762kg/m3,堆积密度为1420kg/m3;细骨料的规格为II级中砂,表观密度为2630kg/m3;水灰比为0.57;砂率为0.36;石墨采用100目鳞片状石墨粉;钢纤维使用的是冷拉丝钢纤维,长径比l/d=40,密度为6500kg/m3。
2.2 配合比设计
混凝土依据《混凝土配合比设计规程》进行配比,试验按照石墨和钢纤维掺入比例的不同分为9种工况,共制备试块81块,每立方米混凝土配合比见表2。
混凝土试块的制备过程和试验的加载装置、加载方案,按照选择砂率时的制备过程和加载方案进行,试验试块见图5。
3 试验结果分析
3.1 抗压强度
试验结果见图6。随着混凝土中石墨掺量的增加,混凝土的抗压强度呈下降趋势,B1和C1工况相对于A1工况抗压强度降低6%和7.5%。是由于石墨滑动性大且强度小于细骨料、与水泥的粘结力也较细骨料弱所致。从图7可以看出随着石墨掺量的增加,试块破环后呈散粒状。
当石墨掺量为2%时,A2和A3工况相比A1工况钢纤维的掺量增加,混凝土的抗压强度提高9.1%和9.4%。钢纤维的延性较好,能有效抵抗裂纹的发展、减少细小碎块的产生,使混凝土的抗压强度提高。掺入钢纤维的混凝土试块破坏后的表面裂纹呈竖条纹状,且裂纹明显减少。
相对于石墨造成混凝土抗压强度的降低,钢纤维的掺入使混凝土的抗压强度有所提升,使混凝土的抗压强度满足承载要求。当钢纤维的掺量达到0.4%以后,抗压强度的增加幅度很小逐渐趋于稳定,这是因为钢纤维过多所形成的无序排列破坏了混凝土原有的内部结构导致抗压强度增长缓慢,所以钢纤维对抗压强度的提升幅度是有限的。
3.2 抗折强度
由图8可知,将A1、B1、C1工况的抗折强度进行对比,发现A1工况的抗折强度高于B1工况7%、C1工况11.5%,所以随着石墨掺量的增加混凝土的抗折强度呈下降趋势。因为石墨颗粒的表面光滑,与周围的材料之间难以形成较强的粘结力,导致抗折强度的降低。
从图9可以看出,试块破坏后的断裂面呈折线形,断裂面有拉断和拔出的钢纤维,可见横向的钢纤维抵抗一部分拉力。当石墨掺量为2%时,A2和A3工况相对于A1工况混凝土的抗折强度分别提高4.9%和11.7%。 3.3 导热系数试验结果
从图10可以看出,随着混凝土中石墨和钢纤维掺量的增加,混凝土的导热系数呈线性上升趋势。将钢纤维掺量为0.6%时的A3、B3、C3工况的导热系数对比可以得出,B3和C3工况的导热系数相对于A3工况提高12.8%和22.7%,所以石墨掺量的增加使混凝土的导热系数大幅度提升。通过对A1和A2、A3工况的导热系数对比得出,A2和A3工况相对于A1工况导热系数分别提高1.6%和4.7%,所以钢纤维掺量的增加使混凝土的导热系数线性增长。
4 结论
(1)相对于砂率0.38和0.41,砂率为0.36的混凝土导热系数、强度最高,证明砂率越小导热性越好、抗压和抗折强度越高。将B1和C1工况与A1工况的导热系数对比可得,B1和C1工况的导热系数分别提高12.4%和23.5%,所以混凝土中石墨掺量越大导热性越好。
(2)A2和A3工况相对于A1工况,抗压强度提高9.1%和9.4%、抗折强度提高4.9%和11.7%,A3工况相比A2工况抗压强度提高较小仅有0.2%、抗折强度的提升幅度较大,所以钢纤维对混凝土抗压强度的提升是有限的。
(3)综合考虑经济性、混凝土的导热性、强度后,得出最优配比是C3工况,即掺入4%的石墨和0.6%的钢纤维,导热系数提升30.7%、抗压强度提高6.9%、抗折强度提高11.5%,能够保证能量桩的稳定性。
[参考文献]
[1]BRANDL H.Energy foundations and other thermo-active ground structures[J].Géotechnique,2006,56(2):81-122.
[2] LalouiL ,Nuth M , Vulliet L . Experimental and numerical investigations of the behaviour of a heat exchanger pile[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 2006, 30(8):763-781.
[3] 肖建莊,宋志文,张枫.混凝土导热系数试验与分析[J].建筑材料学报,2010,13(1):17-21.
[4] 张伟平,王浩,顾祥林.粗骨料随机分布对混凝土导热性能的影响[J].建筑材料学报,2017,20(2):168-173+197.
[5] 何桥敏,周丽.不同钢纤维掺量及黏结剂对混凝土性能的影响[J].中外公路,2018,10(5):267-269.
[6] 屈春来,薛少欣,辛悦,等.石墨对混凝土导热系数及抗压强度影响规律分析[J].科学技术与工程,2019,19(13):243-248.
[7] 陈从春,冯毅,陈晓东.钢纤维体积掺量对超高性能混凝土力学性能的影响[J].新型建筑材料,2016,43(5):54-56.
[8] 牛龙龙,张士萍,韦有信.钢纤维掺量对混凝土力学性能的影响[J].混凝土与水泥制品,2019(3):51-54.