专利名称：：用于地源热泵地下埋管回填的水泥基灌浆砂浆的制备方法
技术领域：
：本发明属于建筑节能、地源能利用、干粉砂浆、水泥基灌浆材料领域，涉及制备水泥基地源热泵用灌浆材砂浆的方法。
背景技术：
：地源热泵利用地球表面浅层地热资源(通常小于400m深)作为冷热源，能够充分利用可再生能源进行能量转换，是一项可持续发展供暖空调系统。地热换热器实现了地热资源的初步提取，是地源热泵中最关键的部位。地热换热器是以导热好、抗腐蚀，强度高且可挠曲的材料制成地耦管埋入地下，形成闭式环路。管内的导热流体(水或防冻剂)与土壤不接触，热量的排放和抽取是通过埋在土壤里管路系统内的流体热交换循环来完成的。灌浆是地埋管换热器施工过程中的重要的环节，即在钻孔完毕、下完U型管后，向钻孔中注入灌浆材料。它介于地埋管换热器的埋管与钻孔壁之间，用来增强埋管和周围岩土的换热；同时防止地面水通过钻孔向地下渗透，以保护地下水不受地表污染物的污染，并防止各个蓄水层之间的交叉污染。灌浆材料的选择以及正确的灌浆施工对于保证地埋管换热器的性能有重要的意义。采用导热性能不良的灌浆材料将显著增大钻孔内的热阻，在同样的条件下导致所需的钻孔总长度增加，同时也意味着系统初投资以及运行费用的增加。而有效的灌浆材料可以防止土壤冻结、收縮、板结等因素对埋管换热器传热效果造成影响，提高埋管换热器的传热能力，同时也可有效防止地下污染物对埋管的不利影响，因此选择适当的灌浆材料对地源热泵的性能起重要的作用。目前，国内对灌浆材料的研究还不够完善，虽然建设部于2006年颁布实施的《地源热泵工程技术规范》中明确指出"灌浆材料宜采用膨润土和细沙(或水泥)的混合浆或专用灌浆材料；当地埋管换热器设在密实或坚硬的岩土体中时，宜采用水泥基料灌浆灌浆;灌浆材料及其配比应符合设计要求"。但目前国内对灌浆材料的研究基本上还没有开展，《规范》也没有给出可供选择的灌浆材料配方；大多数施工单位仍采用当地砂土作为灌浆材料，导致地埋管换热器性能不良。配比设计合理的水泥基灌浆材料具有较好的导热性，经济性及足够的耐久性等，而且水泥砂浆灌浆材料成本相对较低，使用安全环保，工作性较好，其组成物也容易获得。含有骨料的水泥类灌浆材料比膨润土材料在很多方面具有优势，更适合于填充地层与U型管之间的空隙，灌浆材料中使用大颗粒的骨料也是提高其导热系数的一个有效方法。
发明内容本发明提供一种用于地源热泵地下埋管回填的水泥基灌浆砂浆及其制备方法。该砂浆具有优良的导热性能，改善地源热泵地下换热器的热交换，还具有良好的工作性，强度、抗渗性以及微膨胀性。为达到以上目的，本发明的解决方案是-一种用于地源热泵地下埋管回填的水泥基灌浆砂浆的制备方法，该方法包括首先，采用高导热性的材料配制导热加强细骨料。其次，配制专用复合外加剂，该复合外加剂专门用于水泥基地源热泵灌浆砂浆，包括消泡剂、发气剂和萘系减水剂。最后，将导热加强细骨料与水泥、矿物外加剂、复合外加剂、水等制备成水泥基地源热泵用灌浆砂浆。进二步T^f述的导热加强细骨料将钢渣破碎成砂，干燥处理至表面气干；通过机械筛分将钢渣砂分成1.252.5，0.631.25，0.3150.63，0.160.315四个不同粒径区(变化范围±0.3)的细骨料，细骨料的颗粒组成须涵盖上述所有四个粒径区，具体比例应根据所用钢渣砂的粒形特征通过试验确定。所述的制备专用复合外加剂的方法包括以下步骤A.将发气铝膏和分散剂按质量比l:9混合，通过高速搅拌使发气铝膏均匀分布在分散剂中，制备得到发气剂；B.将步骤A得到的发气剂干燥处理；C.将发气剂、消泡剂与萘系减水剂按质量比1:3:15的比例混合，通过高速搅拌混合均匀；D.将步骤C得到的复合外加剂干燥处理。制备方法的步骤为将水泥、导热加强细骨料、矿物外加剂、专用复合外加剂采用搅拌机干拌均匀后，加入水慢速搅拌lmin，停止搅拌lmin，再快速搅拌lmin，制得水泥基地源热泵用灌浆砂浆水泥可为32.5或42.5级的普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，矿物外加剂为磨细矿渣或粉煤灰，水泥基地源热泵用灌浆砂浆组分及最佳质量配比如下组分配比(kg/m3)水泥700矿物外加剂100导热加强细骨料1670水310复合外加剂3.8本发明制得的灌浆砂浆由于使用了密度大，导热性能好的细骨料，提高了导热性能，还有效提高灌浆料的体积密度，更好地固定地下换热器。而且掺加了复合外加剂，减少灌浆材料拌合的用水量，减少不规则孔的孔隙率，提高灌浆材料的密实度，为灌浆材料提供了一定的微膨胀，改善了地源热泵用水泥基灌浆料的工作性和强度，减少灌浆料的泌水、沉降，增加灌浆料的密实度，提高了灌浆料的热导性和耐久性，降低了渗透性。同时对地源热泵施工地点可能存在的穿越破碎带、出水量大、水位较高等地质条件，起到了防止钻孔引起各个蓄水层之间的交叉污染，维持热交换和地源热泵设计寿命年限内的水工性能的作用。具体实施例方式本发明采用导热加强细骨料、水泥材料、矿物外加剂和复合外加剂等制备具有优良导热性能的灌浆砂浆材料，该方法包括首先，配制导热加强细骨料。将钢渣破碎成砂，干燥处理至表面气干；通过机械筛分将钢渣砂分成1.252.5，0.631.25，0.3150.63，0.160.315四个不同粒径区，再按一定比例，例如表1所示比例混合均匀配制为细度模数2.53的细骨料。表l细骨料混合比例<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>导热加强细骨料既可以单独作为水泥基地源热泵用灌浆砂浆的细骨料，也可以与同样级配的石英砂复掺制备成适宜不同导热性能要求的细骨料使用。其次，配制专用复合外加剂。该复合外加剂专门用于水泥基地源热泵灌桨砂浆，包括消泡剂、发气剂和萘系减水剂，可按步骤B所述比例混合后加入水泥基地源热泵灌浆砂浆，为砂浆提供良好的流动性，强度和微膨胀。该配制方法包括A.将发气铝膏和分散剂按质量比l:9混合，通过高速搅拌使发气铝膏均匀分布在分散剂中，制备得到发气剂；B.将步骤A得到的发气剂干燥处理；C.将发气剂、消泡剂与萘系减水剂按质量比1:3:15的比例混合，通过高速搅拌混合均匀；D.将步骤C得到的复合外加剂干燥处理。在步骤B和D中，对发气剂和复合外加剂的干燥在常温下进行，以防止铝膏在高温下氧化失效。然后，将导热加强细骨料与水泥、矿物外加剂、复合外加剂、水等制备成水泥基地源热泵用灌浆砂浆。上述水泥材料可选择32.5或42.5级硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。矿物外加剂为磨细矿渣或粉煤灰。上述水泥基地源热泵灌浆砂桨是一种组合物，为获得较好的综合性能，可采用以下表2所示的组分及最佳质量配比表2水泥基地源热泵灌浆砂浆最佳配比<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>其中导热加强细骨料根据实际需要可以用相同级配石英砂等体积替代。制备方法为将水泥、矿物外加剂、细骨料、复合外加剂采用搅拌机干拌均匀后，加入水慢速搅拌lmin，停止搅拌lmin，再快速搅拌lmin，制得水泥基地源热泵用灌浆砂浆。调整导热加强细骨料在细骨料中的不同比例，可以实现水泥基地源热泵用灌浆砂浆的导热系数的变化。下面结合实例作进一步详细说明实例一将水淬钢渣在钢渣破碎机中破碎至90%粒径小于5mm后，干燥处理至表面气干。通过机械筛分将钢渣砂分成1.252.5，0.631.25，0.3150.63，0.160.315四个不同粒径区，再按前述表1比例混合均匀配制为细度模数2.53的细骨料。将发气铝膏和分散剂按质量比1:9(误差不超过±1%)混合，通过高速搅拌使发气铝膏均匀分布在分散剂中，制备得到发气剂。分散剂应选用弱碱性或中性，不易受潮的种类；发气铝膏存放时间不得超过一周，以避免在空气中氧化失效。将制备完成的发气剂放入常温干燥箱中放置24h。将干燥后的发气剂与消泡剂、萘系减水剂按质量比l:3:15(误差不超过±1%)的比例混合，通过高速搅拌混合均匀。将制备完成的复合外加剂放入常温干燥箱中放置24h。选用42.5硅酸盐水泥和I级磨细矿渣作为胶凝材料，水泥、矿物外加剂、细骨料、复合外加剂按照前述表2所示质量比混合，将水泥、细骨料、矿物外加剂和复合外加剂采用行星式搅拌机干拌均匀后，加入水慢速搅拌lmin(误差不超过10秒)，停止搅拌lmin(误差不超过10秒)，再快速搅拌lmin(误差不超过10秒)，制得地源热泵用水泥基灌浆砂浆。新型水泥基灌浆材料具有较好的导热性，工作性及足够的耐久性等，其性能指标见表3。表3所配地源热泵用水泥基灌浆砂浆性能<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>流动性(mm)》280导热系数(W/(m.K))》1.6抗压力渗水(Mpa)9泌水无1天强度(Mpa)抗折》3抗压》157天强度(Mpa)抗折》6抗压》3028天强度(Mpa)抗折》8抗压>60实例二将水淬钢渣在钢渣破碎机中破碎至90%粒径小于5mm后，干燥处理至表面气干。通过机械筛分将钢渣砂分成1.252,5，0.631.25，0.3150.63，0.160.315四个不同粒径区，再按前述表1比例混合均匀配制为细度模数2.53的细骨料。再将配制的导热加强细骨料与相同细度模数的石英砂按1:1混合均匀。将发气铝膏和分散剂按质量比1:9混合，通过高速搅拌使发气铝膏均匀分布在分散剂中，制备得到发气剂。分散剂应选用弱碱性或中性，不易受潮的种类；发气铝膏存放时间不得超过一周，以避免在空气中氧化失效。将制备完成的发气剂放入常温干燥箱中放置24h。将干燥后的发气剂与消泡剂、萘系减水剂按质量比l:3:15的比例混合，通过高速搅拌混合均匀。将制备完成的复合外加剂放入常温干燥箱中放置24h。选用42.5硅酸盐水泥和I级磨细矿渣作为胶凝材料，水泥、矿物外加剂、混合细骨料、复合外加剂按照前述表2所示质量比混合，将水泥、混合细骨料、矿物外加剂和复合外加剂采用行星式搅拌机干拌均匀后，加入水慢速搅拌lmin，停止搅拌lrain，再快速搅拌lmin，制得地源热泵用水泥基灌浆砂浆。新型水泥基灌浆材料具有较好的导热性，工作性及足够的耐久性等，其性能指标见表3。表3所配地源热泵用水泥基灌浆砂浆性倉l性能指标性能指标凝结时间(h)》3，《6流动性(nim)》280导热系数(W/(m'K))1,31.5抗压力渗水(Mpa)》0.9泌水无1天强度(Mpa)抗折》3抗压》157天强度(Mpa)抗折》6抗压》3028天强度(Mpa)抗折》8抗压》60上述的对实施例的描述是为便于该
技术领域：
的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。权利要求1.一种水泥基灌浆砂浆的制备方法，其特征在于包括首先，采用高导热性的材料配制导热加强细骨料；其次，配制专用复合外加剂，包括消泡剂、发气剂和萘系减水剂；最后，将导热加强细骨料与水泥、矿物外加剂、复合外加剂、水混合搅拌制备成水泥基地源热泵用灌浆砂浆。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述导热加强细骨料由以下步骤制得将钢渣破碎成砂，干燥处理至表面气干；通过机械筛分将钢渣砂分成1.252.5、0.631.25、0.3150.63、0.160.315四个不同粒径区，再按比例混合均匀配制为细度模数2.53(变化范围±0.3)的细骨料，细骨料的颗粒组成涵盖上述所有四个粒径区。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于制备专用复合外加剂的方法包括以下步骤A.将发气铝膏和分散剂按质量比1:9混合，通过高速搅拌使发气铝膏均匀分布在分散剂中，制备得到发气剂；B.将步骤A得到的发气剂干燥处理；C.将发气剂、消泡剂与萘系减水剂按质量比1:3:15的比例混合，通过高速搅拌混合均匀；D.将步骤C得到的复合外加剂干燥处理。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于水泥基地源热泵用灌浆砂浆的制备方法的步骤为将水泥、导热加强细骨料、矿物外加剂、专用复合外加剂采用搅拌机干拌均匀后，加入水慢速搅拌lmin,停止搅拌lmin，再快速搅拌lmin，制得水泥基地源热泵用灌浆砂浆。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述水泥为选自32.5或42.5级的普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，矿物外加剂为磨细矿渣或粉煤灰。6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述水泥基地源热泵用灌浆砂浆组分及质量配比如下组分配比(kg/m3)水泥700矿物外加剂100导热加强细骨料1670水310复合外加剂3.87.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述细骨料的颗粒组成如下粒径/mm累计筛余百分率/%2.51.25211.250.63300.630.315300.3150.1619全文摘要本发明提供一种用于地源热泵地下埋管回填的水泥基灌浆砂浆的制备方法，首先，采用高导热性的材料配制导热加强细骨料；其次，配制专用复合外加剂，该复合外加剂专门用于水泥基地源热泵灌浆砂浆，包括消泡剂、发气剂和萘系减水剂；最后，将导热加强细骨料与水泥、矿物外加剂、复合外加剂、水等混合搅拌制备成水泥基地源热泵用灌浆砂浆。本发明制得的地源热泵用水泥基灌浆砂浆具有良好的导热性，经济性及足够的耐久性等，而且水泥砂浆灌浆材料成本相对较低，使用安全环保，工作性较好，其组成物也容易获得，是一种可以大量生产、质量可控制、产品化的干粉砂浆，为地源热泵施工的规范化和模块化起到了促进作用。文档编号B28C5/00GK101480814SQ20091004624公开日2009年7月15日申请日期2009年2月17日优先权日2009年2月17日发明者达冷,雄张,张永娟申请人:同济大学