高流动性自密实地埋管回填灌浆料及其在地源热泵中的应用的制作方法

本发明涉及地源热泵施工，具体是高流动性自密实地埋管回填灌浆料及其在地源热泵中的应用。

背景技术：

1、地源热泵系统利用地下恒温层进行热量交换，竖直地埋管换热器需在钻孔与埋管间的环形空间内注入回填材料。回填材料承担着将埋管与周围土体结合、保护埋管、阻隔地下水以及传递热量的核心功能。目前常用的回填材料主要有原土回填、膨润土-砂混合物和普通水泥基灌浆料。原土回填和膨润土混合物的导热系数较低，且易于在埋管周围形成裂隙和空穴，造成热阻大幅增加。普通水泥基灌浆料虽然提高了导热能力，但往往仅具有基本的流动性和填充性，缺乏对钻孔孔壁周围扰动土体的渗透浸润能力。在实际地层中，成孔过程会导致孔壁周边形成大量微裂隙和松动圈，普通回填浆液无法有效渗入这些微裂隙内，最终在埋管-回填料-土体之间留下不良接触界面，严重阻碍热量传导，限制热泵系统能效比的进一步提高。

2、已有技术中虽然存在通过膨胀剂使灌浆料产生微膨胀以改善接触的做法，但其膨胀作用仅对较大空腔有效，仍不具备向周边土体微裂隙主动渗透的能力。

3、需要说明的是，在现有技术中，层状硅酸盐矿物（如膨润土）通常被认为具有较强的亲水膨胀性，加入水泥浆体后会使浆体粘度增大，流动性下降，且其膨胀主要起堵塞孔道的作用，而非促进浆液向外渗透。因此，技术人员在面临需要浆液主动向外渗入土体的任务时，不会有动机去大量添加此类矿物材料。

4、此外，地源热泵竖直埋管钻孔所穿越的地层条件随深度变化显著。一般地质规律是：深度越浅，岩体受风化卸荷作用越强，孔壁周边微裂隙发育程度越高；深度越深，围岩趋于完整，微裂隙数量明显减少。以典型的花岗岩或砂岩地层为例，100米附近由于处于风化-新鲜岩体过渡带，钻孔扰动引发的松动圈和微裂隙网络最为密集；而200米以深段岩体完整性良好，成孔后裂隙相对稀少。这种裂隙分布差异对回填灌浆料的渗透能力提出了不同的要求。在200米以深的完整岩体段，依靠高流动性灌浆料的自重压力即可获得满意的渗透和填充效果；但在100~200米的裂隙密集段，仅靠自重产生的渗透驱动力往往不足，无法将浆液有效推入微裂隙深处，最终仍会在该关键段留下不良接触界面，成为限制地埋管换热效率提升的瓶颈。

5、因此，开发一种能够主动渗入土体裂隙、极大降低接触热阻的高渗透自密实回填灌浆料，并针对100~200米裂隙密集段提出有效的辅助渗透施工方法，成为提升地源热泵系统性能的迫切需求。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的不足，提供高流动性自密实地埋管回填灌浆料及其在地源热泵中的应用，其技术方案如下：

2、本发明在一方面，提供了高流动性自密实地埋管回填灌浆料，包括胶凝组分、骨料、减水剂、促渗材料、渗透母料和水；

3、所述胶凝组分包含铝酸盐水泥、矿渣粉、粉煤灰和硅灰；

4、所述促渗材料使灌浆料在保持流动度≥320mm的同时，能主动渗入粒径0.5~2mm的砂土介质中，实现24h渗透深度≥5.0mm；

5、所述渗透母料为可溶性硅酸盐、氟硅酸盐和活性二氧化硅的复合物；

6、所述灌浆料硬化后，在渗透区域与土体形成化学结晶结合，28天抗压强度≥25mpa，导热系数≥2.2w/(m·k)。

7、更进一步地，所述促渗材料为离子液体-锂复合改性膨润土，所述离子液体-锂复合改性膨润土是以长链烷基咪唑类离子液体为有机插层剂、以可溶性锂盐为二次离子交换稳定剂，对钠基膨润土进行有机-锂复合插层改性制得。

8、其中，离子液体的阳离子包含碳原子数≥12的长链烷基，阴离子为卤素离子。

9、更进一步地，所述离子液体为1-十六烷基-3-甲基咪唑氯盐、1-十八烷基-3-甲基咪唑溴盐中的至少一种。

10、优选地，所述高流动性自密实地埋管回填灌浆料，按重量份计，所述高流动性自密实地埋管回填灌浆料包含：铝酸盐水泥30~50份，矿渣粉10~25份，粉煤灰5~15份，硅灰2~6份，促渗材料4~10份，骨料40~65份，渗透母料1~5份，减水剂0.5~2份；水胶比为0.28～0.38。

11、更进一步地，所述渗透母料是硅酸钠、氟硅酸镁、活性二氧化硅按照重量比为1:（0.3~0.8）:（0.2~0.5）组成。

12、优选地，所述骨料为石英砂；更优选地，由40~70目和70~120目两种粒径的石英砂按重量比（3~5）:1混合组成。

13、优选地，所述减水剂为聚羧酸减水剂，掺量为0.5~2份。

14、更进一步地，所述离子液体-锂复合改性膨润土的制备方法，包括以下步骤：

15、1）、将钠基膨润土与水混合制成悬浮液，加热至70~80℃；

16、2）、在搅拌下加入钠基膨润土阳离子交换容量0.6~1.0倍当量的长链烷基咪唑类离子液体进行反应；

17、3）、再加入钠基膨润土阳离子交换容量0.1~0.4倍当量的可溶性锂盐进行反应；

18、4）、将反应结束所得产物洗涤、干燥、粉碎，即得。

19、本发明在另一方面提供了一种新应用，其为所述的高流动性自密实地埋管回填灌浆在地源热泵中的应用，将所述的高流动性自密实地埋管回填灌浆制成灌浆料，通过注浆泵注入地源热泵竖直埋管钻孔的环形空间。依靠灌浆料的自重自流平并填充密实，同时在渗透性调控组分和渗透母料的协同作用下渗入钻孔周边土体微裂隙中，在裂隙内发生二次结晶反应，形成与土体化学互锁的整体回填体。

20、更进一步地，对于深度在100m~200m的裂缝发育孔段，仅靠灌浆料的自重压力渗透深度有限。本发明提出，在该孔段回填时同步下入井下变频振冲器进行振动辅助灌浆，通过调节频率和留振时间来主动控制渗透深度。井下变频振冲器为一种可通过钢丝绳下放至深孔的电动或液压振动装置，工作深度可达200m。其施工参数依据下述变频振冲-控制方程确定：

21、；

22、式中：l为振动辅助渗透深度（m）；为在该振动辅助渗透深度处无振动时的自重渗透深度（m）；在某个施工深度 z 处，未施加任何振动辅助时，灌浆料仅依靠自身重力和毛细作用，自然渗入周围土体微裂隙所能达到的最大深度，记为 l0；为增强系数，无量纲；f为井下变频振冲器的工作频率（hz）；为留振时间（s）；z为施工深度（m）；为参考深度，取1m。

23、在本发明中，井下变频振冲器一方面可以完成造孔的任务，另一方面在回填时能够进一步地加强灌浆料对周边土体的交换，还能够对灌浆料挤密。

24、所述井下变频振冲器的振动频率可在10~80hz范围内无级调节。施工前，先在现场选定一典型深度进行标定：在已知施工深度z处，关闭井下变频振冲器，在无振动的情况下测得l0，然后设定频率f与留振时间tv，实测振动后的振动辅助渗透深度l，反算得到增强系数kf。该增强系数kf一经标定，全孔段通用。

25、施工时，在裂缝密集段根据当前的施工深度z和所需达到的渗透深度，按以下公式计算所需留振时间：

26、；

27、式中z0=1m。通过调节井下变频振冲器的工作频率f和留振时间，即可在任意深度实现均匀且深层渗透。

28、在本发明中，变频振冲-控制方程的应用环境是100~200m的裂隙发育过渡带，岩体完整性随深度非线性改善，可渗透性的衰减是决定渗透深度的主导因素。方程中深度项z反映的是随深度增加、岩体趋于完整、裂隙密度和开度减小而对渗透效果产生的约束效应。该约束效应在100~200m裂隙发育过渡带一般要远大于静水压力增加带来的驱动增益，故渗透深度整体呈现随深度增加而减小的趋势。

29、更进一步地，采用分段施工与分级用料策略：

30、在钻孔深度0~100m孔段，采用常规回填灌浆料通过自重灌注填充；

31、在钻孔深度100~200m孔段，采用所述高流动性自密实地埋管回填灌浆料，并配合所述井下变频振冲器辅助灌浆的方法施工。

32、所述常规回填灌浆料为纯膨润土浆、膨润土-砂混合物、普通膨润土-水泥浆、纯水泥净浆、水泥砂浆、石墨-水泥基灌浆料、石英粉-水泥基灌浆料、碳化硅-水泥基灌浆料、火山灰-水泥基灌浆料、粒化高炉矿渣-水泥基灌浆料等。

33、需要说明的是，所述常规回填灌浆料为仅具有被动填充功能、与周围土体形成物理接触界面而存在间隙热阻的膨润土基或普通水泥基混合物。其优点是成本以及施工成本非常低。

34、在本发明中，采用变频振冲辅助回填的工法，突破静压注浆局限，实现深层裂隙主动充填。区别于传统地源热泵施工中不采用振冲器，或者将地基施工可以用来造孔的振冲器用于本发明的造孔施工模式，即使采用该模式，最后的回填完全依赖重力静压的固有模式，本发明将井下变频振冲器引入回填灌浆环节。其核心优势在于：

35、① 、常规静压注浆时，浆液仅在自重水头驱动下缓慢渗入微裂隙，极易因毛细管阻力及气堵效应而停滞。本发明通过井下变频振冲器施加可控高频低幅振动，使触变性灌浆料表观粘度显著下降（剪切稀化），渗流阻力降低，从而将被动静压转变为主动动力驱渗，使浆液能够有效进入常规工法无法抵达的深层闭合微裂隙。

36、② 、在本发明中，浅层（0~100m）风化裂隙虽多但孔径较大，静压即可满足；深层（100~200m）裂隙窄且地应力高，对动力渗透需求迫切。本发明摒弃了传统恒频振冲器单一频率无法随深度变化的缺陷，采用10~80hz无级变频，可根据实时孔深及岩体波速响应灵活调节激振频率，避免过振导致浆液离析或欠振导致驱渗不足，实现全孔段渗透效果的均一化控制。

37、③ 、在振冲过程中，浆液在裂隙内受到周期性脉动压力，不仅能排出裂隙中的滞留水膜和空气，还能在压力脉动下促进渗透母料中的活性离子（硅酸根、氟硅酸根）向岩壁深层扩散，使化学结晶锚固反应更充分，将物理接触界面转化为化学键合过渡层，显著优于常规注浆后形成的被动接触界面。

38、与现有技术比，本发明的有益效果是：

39、1、本发明突破常规回填仅依赖重力静压的局限，首创井下变频振冲辅助灌浆工法，利用振动剪切稀化效应驱动浆液主动渗入深层闭合裂隙；同时通过频率无级调节适配100~200m过渡带裂隙随深度衰减的地质规律，实现全孔段浆-岩界面化学结合与低热阻均匀回填，显著提升地源热泵系统的长期换热稳定性。

40、2、本发明通过离子液体-锂复合改性膨润土作为促渗材料，克服了传统膨润土增粘堵孔的偏见，在流动度≥320mm的前提下，实现24h向砂土介质渗透深度≥5.0mm，填补了回填浆料无法主动修复孔壁扰动裂隙的技术空白。

41、3、本发明的渗透母料在渗入裂隙后，与土体中的钙、铝等离子反应生成不溶性结晶物（如水化硅酸钙、氟硅酸钙），将物理接触转变为化学结合，界面拉拔强度≥1.5mpa且破坏均发生在土体内部，有助于解决接触不良问题。

42、4、本发明所制成的回填体，28d抗压强度≥25mpa，导热系数≥2.2w/(m·k)，在保证结构承载力的同时满足高效换热需求。

43、5、相比于传统季铵盐改性膨润土，本发明在60℃热水浸泡90天后，渗透深度保持率≥95%（远优于对比例的78%），非常适合地源热泵长期冷热交替的运行环境。

44、6、针对100~200m关键裂隙段，提出变频振冲辅助工法及精确控制方程，通过调节频率和留振时间，较传统恒频振冲节省留振时间，避免了长时间振动导致的浆体温升和强度劣化，实现了全孔段均匀高质量回填。