SiC对能源桩混凝土传热与力学性能的影响_尹雅.pdf

材料导报 Materials Reports ISSN 1005-023X,CN 50-1078/TB 材料导报网络首发论文材料导报网络首发论文 题目：SiC 对能源桩混凝土传热与力学性能的影响 作者：尹雅，李庆文，乔兰，张庆龙 网络首发日期：2022-04-25 引用格式：尹雅，李庆文，乔兰，张庆龙SiC 对能源桩混凝土传热与力学性能的影响J/OL材料导报.https:/ 网络首发网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合出版管理条例和期刊出版管理规定的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认出版确认：纸质期刊编辑部通过与中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有限公司签约，在中国学术期刊（网络版）出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为中国学术期刊（网络版）是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。基金项目：国家自然科学基金委与山东联合基金重点项目（U1806209）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（FRF-TP-19-021A3）；北京科技大学青年教师学科交叉研究项目（FRF-IDRY-19-002）This work was financially supported by the National Natural Science Foundation of China and Shandong Province joint program(U1806209)and the Basic Scientific Research Operating Expenses of Central Universities(FRF-TP-19-021A3 and FRF-IDRY-19-002)SiC 对能源桩混凝土传热与力学性能的影响对能源桩混凝土传热与力学性能的影响 尹 雅,李 庆 文,乔 兰,张 庆 龙 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 能源桩系统作为一种建筑节能技术，通过开发清洁能源有效缓解能源危机。以添加 SiC 粉末制备的传热强化型混凝土为研究对象，综合能源桩强化换热模型分析、室内传热与力学性能试验和中心热源热成像结果，结果表明在相同环境温度下，随着 SiC 含量的增加，SiC 混凝土导热系数呈线性增加趋势。力学性能方面，当 SiC 质量比达到 10%时，混凝土的抗压强度和抗拉强度较素混凝土分别增加了 6.3%和 8.3%；当SiC 质量比达到 15%时，其抗压强度增长速率有所放缓，抗拉强度有所下降。中心热源成像也进一步验证SiC 试样自内向外传热效率显著高于普通混凝土，10%SiC 含量试样相较于 0%SiC 的试样，中心温度减少39.2%。本文发现，SiC 粉末添加量达到 10%时，强化型混凝土的导热效率显著增加且抗压强度提升最为明显，其为提高能源桩的热效益提供了一种可靠的参考方法。关键词关键词 能源桩 SiC 混凝土 导热系数 传热强化 中心热源 通信作者：通信作者：李庆文，Email: 中图分类号：中图分类号：TU528 文献标识码：文献标识码：A 引用格式：引用格式：尹 雅,李 庆 文,乔 兰,张 庆 龙.SiC 对能源桩混凝土传热与力学性能的影响J.材料导报,2023,37(10):21060198 Effect of SiC on the Heat Transfer and Mechanical Properties of Energy Pile Concrete YIN Ya,LI Qingwen,QIAO Lan,ZHANG Qinglong School of Civil Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China As a building energy-saving technology,energy pile system can effectively alleviate the energy crisis by developing clean energy.The heat transfer enhanced concrete prepared by adding SiC powder is taken as the research object.Through the analysis of energy pile enhanced heat transfer model,indoor heat transfer and mechanical properties test and central heat source thermal imaging results,the results show that the thermal conductivity of SiC concrete increases linearly with the increase of SiC content at the same ambient temperature.In terms of mechanical properties,when the mass ratio of SiC reaches 10%,the compressive strength and tensile strength of concrete are increased by 6.3%and 8.3%respectively compared with plain concrete.When the mass ratio of SiC reaches 15%,the growth rate of compressive strength slows down and the tensile strength decreases.Central heat source imaging also further verified that the heat transfer efficiency from inside to outside of SiC 网络首发时间：2022-04-25 13:54:48网络首发地址：https:/ DOI:10.11896/cldb.21060198 http:/www.mater- sample was significantly higher than that of ordinary concrete.Compared with 0%SiC sample,the central temperature of 10%SiC sample decreased by 39.2%.It is found that when the addition of SiC powder reaches 10%,the thermal conductivity of reinforced concrete increases significantly and the compressive strength increases most obviously,which provides a reliable reference method for improving the thermal efficiency of energy pile.Keywords:energy pile,SiC concrete,thermal conductivity,heat transfer enhancement,center of the heat source 0 引言引言 随着煤、石油、天然气等不可再生能源储量的迅速下降，能源危机已成为困扰全球的大问题。作为一种建筑节能技术，能源桩系统在世界各地得到了快速发展与推广，其利用土壤良好、稳定的蓄热特性，通过地下埋管换热器进行热量交换，实现冬夏两季热量互补，其获得的能源具有可再生性、清洁持久、经济和环境效益显著等特点1，因此能源桩系统可有效缓解我国乃至世界的能源危机问题。能源桩系统现已在许多国家的绿色节能建筑中得到广泛应用与发展。埋管优化2-8作为能源桩系统常用的换热效率提高方式，其在进一步提升换热效率方面已遭遇技术瓶颈。为了解决上述问题，国内外学者对埋管换热器的传热性能与热力耦合作用展开了系统研究，以便更好地模拟埋管换热器的真实换热状况，指导实际应用9,10；同时，为进一步优化系统，学者们在换热理论11-13及换热效率等方面进行了系统研究与阐述。通过换热理论分析可知，在混凝土中添加具有高导热性能的物质来提高能源桩工作效率是切实可行的方案10。已有研究表明17，若在混凝土中添加钢纤维等金属材料，能够保证其力学强度，但对混凝土的导热系数及能源桩最终的换热效率提升有限。针对上述问题，Puzach 等18发现纳米添加剂(粉煤灰、矿粉、石粉等)的加入可以有效改善混凝土的高温力学性能。隋智力等19认为石墨替代混凝土中部分细骨料可以使其具备优异的导热性能，但混凝土强度显著下降。通过研究氧化石墨烯对泡沫混凝土的改性作用，弓中伟等20得到氧化石墨烯可有效提高泡沫混凝土的力学性能并降低导热系数的结论。江锋等21研究表明纳米 SiC 的掺入在一定程度上可以改善沥青及沥青混合料的各项性能。综上所述，本文引入具有化学性能稳定、热导率高、热膨胀系数小、耐磨性能好等特点的碳化硅材料22，将其加入混凝土，制备强化传热型混凝土，有望在保证混凝土强度的同时，大幅加强混凝土的传热能力，并得到最优配合比，其为提高能源桩的热效益提供了一种全新的思路。1 能源桩系统换热模型能源桩系统换热模型 混凝土能源桩系统包含交换液、金属管、混凝土以及土体，结构简图见图 123。材料导报,2023,37(10):21060198 DOI:10.11896/cldb.21060198 http:/www.mater- 图图 1 能源桩换热机理及强化换热示意图 Fig.1 Heat transfer mechanism of energy pile and its enhanced schematic diagram 由图可知，影响交换液与土体之间温度交换的介质是金属管和混凝土。金属具有良好的导热性能且金属管壁较薄，在热交换过程中能量衰减较少，因此，强化混凝土的传热性能，将会大幅提高整个能源桩系统的换热能力。为了准确定量描述不同介质传热特性，文中引入了热阻的概念，并针对不同材料对其热阻进行了界定23，其中混凝土热阻可采用如下公式表示：cepCkrrR2/lna （1）式中，ar为埋管的桩边距；eporrn，0r为热交换管的外部管道半径，n为能源桩中埋管根数；ck为混凝土的导热系数。由上式可知，降低混凝土热阻的途径即增加材料的导热系数ck。由于骨料对混凝土的导热系数影响较大，混凝土的导热系数随骨料体积分数的提高而提高，骨料的导热系数越高其混凝土的导热系数也越高24，故通过在混凝土中添加一些掺合料替换骨料，可在保证其力学性能稳定的同