一种地源热泵专用抗裂膨润土基复合钻孔回填材料的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于节能环保建筑材料和地源热泵系统技术领域，具体来说是一种垂直地埋管地源热泵专用抗裂膨润土基复合钻孔灌浆回填材料。
【背景技术】
[0002]浅层地热能作为一种清洁可再生能源，在利用时不产生温室气体和各种烟尘，零污染排放，直接改善适用区域的空气质量。地源热泵正是一种利用浅层地热能，并通过循环液在封闭的地下埋管换热器中流动，实现系统与大地之间的传热，既保持了地下水热泵利用大地作为冷热源的优点，又不需要抽取地下水作为传热的介质来对建筑物进行供暖制冷的高效节能环保型空调系统，它是一种可持续发展的建筑节能环保新技术。
[0003]地源热泵空调系统主要由地埋管换热器、热泵机组和用户末端三部分组成，其中地埋管换热器是地源热泵技术的核心部件，而钻孔回填材料选择将直接影响地埋管换热器效能发挥的，这就要求其具有良好的导热性、抗渗性、膨胀性、抗裂性和一定的强度与流动性，既能提高地下热交换量，又能减少钻孔深度与U形换热管长度，从而提高工作效率、降低安装成本。目前常用的钻孔回填材料膨润土-细沙(或水泥)混合浆、水泥-石英砂-细砂混合浆、普通水泥或钻孔岩肩等，这种回填材料的导热系数普遍低于1.0ff/(m.K)，并且其容易干燥收缩、干裂而产生裂隙，导致钻孔回填不密实，从而降低钻孔回填材料的导热系数和引起接触热阻的增加，直接影响地埋管换热器传热性能发挥。
[0004]但是，在实际工程应用中由于垂直U型管两支管内的流体温度不同，两支管间会通过钻孔间土体发生横向热传递造成热短路，影响整个地埋管换热器的传热能力。同时，考虑到支管间热干扰的影响，相关研宄表明钻孔回填材料导热系数并非越大越好，宜选用与地层相近的材料且大于钻孔周围岩土层的导热系数，并控制在2-4 ff/(m.K)时较合理。因此，开发一种具有抗裂性能的膨润土基复合钻孔灌浆回填材料，以提高土壤源热泵系统中地埋管换热器传热性能，为推广地源热泵技术的应用和发展低碳循环经济提供技术支撑。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种具有良好导热性、膨胀性和抗裂性的一种土壤源热泵垂直地埋管换热器钻孔回填材料，采用这种回填材料能够紧密连接U形管和钻孔周围岩土体和抑制干缩裂隙，从而减少接触热阻、增加换热效能和降低地埋管换热器的初期投资成本，有益于地源热泵空调技术进一步推广和应用。
[0006]本发明提出的地源热泵专用抗裂膨润土基复合钻孔回填材料，由膨润土、石英砂和砂浆/混凝土阻裂纤维组成，各组分的重量比为:
膨润土:150?300 石英砂:850?700
砂浆/混凝土阻裂纤维:0.6?1.2kg/m3 各组分较佳的重量比为: 膨润土:200 石英砂:800
砂浆/混凝土阻裂纤维:0.9kg/m3
本发明所说的回填使用方法为:在地源热泵钻孔施工现场，按照前述各组分重量比例进行机械混合并加水搅拌均匀后注入地埋管钻孔内。加水量为该混合料重量20%-30%，亦可将各组分按比例混合后装袋，运至施工现场再加水搅拌灌入地埋管钻孔中。
[0007]本发明采用膨润土、石英砂和砂浆/混凝土阻裂纤维的混合物作为钻孔回填材料，具有可塑性、粘结性、低渗透性和膨胀性，在灌注钻孔后能够紧密连接U形管和钻孔周围岩土体，有效地防止地表水沿着钻孔下渗污染地下水，也可有效地抑制回填材料在干湿循环过程中产生得裂隙，从而减小接触热阻，提高导热性能，其导热系数为一般为2.47?
2.58 ff/(m.K) ο 其中:
膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的粘土矿，特别是天然钠基膨润土具有低渗透性、膨胀性、吸水性、粘结性、可塑性等，遇水后还可形成矿物凝胶，增加了保水能力。因此，膨润土在该混合料中能够将石英砂与阻裂纤维有效的粘结在一起，有效降低钻孔回填材料渗透性和提高膨胀性，同时也能有效减少泌水现象和表面裂隙的产生。
[0008]石英砂是一种具有良好导热性能和易于获得的廉价骨料，在钻孔回填材料中起骨架和填充作用，能有效改善其导热性及和易性。
[0009]砂浆/混凝土阻裂纤维是是一种高强度改性阻裂纤维，它具有抗老化、抗碱性强、弹性模量大、抗拉强度高、化学稳定性好等特征，它不溶于水，不吸水，且无毒、质地轻和覆盖面积大，干湿状态下均有较高的强度。由于它与与膨润土砂浆磨擦系数较大，可以在与膨润土、石英砂拌合过程中表现出很好的分散性和粘合性能，可有效防止并抑制由回填材料塑性收缩、干燥收缩、温度变化等因素引起的微裂缝，显著提高抗裂性能及抗渗性。实际上，加入阻裂纤维后的钻孔回填材料广义上属于“加筋土”，利用膨润土 -石英砂与阻裂纤维之间的咬合力和摩擦力限制了回填材料变形，降低了裂隙的宽度和长度，有效地抑制了地源热泵膨润土回填材料因干湿循环变化导致得大量裂隙，减少了次生的接触热阻，增强了膨润土基抗裂钻孔回填材料的抗裂性能，提高了回填材料长期使用的稳定性和良好导热性。
[0010]本发明改善了膨润土 -石英砂型钻孔回填材料在干湿循环过程中由于粒间凝聚力变化，不均匀地胀缩导致得大量裂隙，而且能够紧密地充填钻孔，防止地表水下渗。使用本发明的回填材料灌注钻孔，由于其良好的工程特性，降低了钻孔内的热阻，可以减小钻孔深度和U形管长度，从而降低地源热泵地的初装成本，有助于能耗低、绿色环保的地源热泵空调系统的推广和应用。
【附图说明】
[0011]图1是膨润土 -石英砂型钻孔回填材料经过4次干湿循环后的裂隙发育情况图2是本发明钻孔回填材料经过4次干湿循环后的裂隙发育情况。
【具体实施方式】
[0012]实施例1:
地源热泵专用抗裂膨润土基复合钻孔回填材料重量比按照天然钠基膨润土 200和石英砂800混合均勾，并在每一立方米上述混合材料中，加入砂楽/混凝土阻裂纤维0.9kg，配制得到钻孔回填材料。现场施工时按照混合料重量的30%加水搅拌成浆料后灌注到地埋管钻孔中。经测试其导热系数2.58 ff/ (m -K)，3天竖向膨胀率3.02%，渗透系数2.46 X 10_6cm/
So
[0013] 实施例2:
地源热泵专用抗裂膨润土基复合钻孔回填材料重量比按照天然钠基膨润土 200和石英砂800混合均勾，并在每一立方米上述混合材料中，加入砂楽/混凝土阻裂纤维0.9kg，配制得到钻孔回填材料。现场施工时按照混合料重量的20%加水搅拌成浆料后灌注到地埋管钻孔中。经测试其导热系数2.51 ff/ (m -K)，3天竖向膨胀率3.00%，渗透系数2.40 X 10_6cm/
So
【主权项】
1.一种地源热泵专用抗裂膨润土基复合钻孔回填材料，其特征在于，由膨润土、石英砂和砂浆/混凝土阻裂纤维组成混合料，各组分重量比为: 膨润土:150?300 石英砂:850?700 砂浆/混凝土阻裂纤维:0.6?1.2kg/m3。
2.根据权利要求1所述的一种地源热泵专用抗裂膨润土基复合钻孔回填材料，其特征在于，各组分重量比为: 膨润土:200 石英砂:800 砂浆/混凝土阻裂纤维:0.9kg/m3。
3.根据权利要求1和权力要求2所述的一种地源热泵专用抗裂膨润土基复合钻孔回填材料，其特征在于，材料组分中的膨润土为蒙脱石矿物含量为60%?80%的天然钠基膨润土。
4.根据权利要求1权力要求2所述的一种地源热泵专用抗裂膨润土基复合钻孔回填材料，其特征在于，材料组分中的石英砂为粒径在0.5?1.5mm的中粗砂。
5.根据权利要求1权力要求2所述的一种地源热泵专用抗裂膨润土基复合钻孔回填材料，其特征在于，材料组分中的砂浆/混凝土阻裂纤维为具有良好分散性和抗碱性的改性聚丙烯网状纤维，断裂强度不小于350Mpa。
6.一种如权利要求1所述的地源热泵专用抗裂膨润土基复合钻孔回填材料的使用方法，其特征在于，加入该混合料重量20%-30%的水，搅拌均匀注入钻孔中。
【专利摘要】本发明为一种地源热泵专用抗裂膨润土基复合钻孔回填材料，由膨润土、石英砂和砂浆/混凝土阻裂纤维组成，各组分的重量比为：膨润土：200；石英砂：800；砂浆/混凝土阻裂纤维：0.9kg/m3。本发明改善了膨润土-石英砂型钻孔回填材料在干湿循环过程中由于粒间凝聚力变化，不均匀地胀缩导致得大量裂隙，而且能够紧密地充填钻孔，防止地表水下渗。使用本发明的回填材料灌注钻孔，由于其良好的工程特性，降低了钻孔内的热阻，可以减小钻孔深度和U形管长度，从而降低地源热泵地的初装成本，有助于能耗低、绿色环保的地源热泵空调系统的推广和应用。
【IPC分类】E21F15-00, C04B28-00
【公开号】CN104876480
【申请号】CN201510234851
【发明人】王哲, 易发成, 王冲
【申请人】西南科技大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月11日