一种可替换桩芯的预制相变混凝土桩系统及其施工方法与流程

本发明涉及地源热泵与能源地下结构领域，尤其涉及一种可替换桩芯的预制相变混凝土桩系统及其施工方法。

背景技术：

1、能量桩是地源热泵和建筑桩基技术的结合，使其既能够承担上部建筑荷载，又能作为换热管的载体，具有结构承载和与浅层地热能进行热交换的双重作用。但是，传统能量桩桩身由普通混凝土组成，换热效率低下，且桩周温度的变化会引起桩体热应力的循环加卸载，最终影响地基土的承载能力。相变材料通过物态变换来完成吸放热过程，在普通混凝土中加人相变材料制作而成的相变混凝土能量桩不仅可以减少能量桩的温度变化和热变形范围，还可以提高其储能和传热性能。

2、在本发明之前，专利文献cn111102765a已对新型预制能量桩体系及其施工方法进行公开，而现有的预制能量桩普遍忽视了对量桩基混凝土的设计和研究，使得系统能耗增加换热效率低下，进一步还会影响桩基的承载能力。

技术实现思路

1、本发明为了克服现有技术存在的一些不足之处，针对传统能量桩换热效率低下且影响地基土的承载能力，换热管容易损坏且难以更换等问题，提供了一种可替换桩芯的预制相变混凝土能量桩系统及其施工方法。

2、本发明的技术方案如下。

3、一种可替换桩芯的预制相变混凝土能量桩系统及其施工方法，包括预制能量桩的模具、相变混凝土管桩、冷热循环系统、温度位移监测系统；

4、一种可替换桩芯的预制相变混凝土能量桩系统，包括相变混凝土、钢筋笼和外部不锈钢管组成的预制相变混凝土管桩、内部聚乙烯管和换热管组成的可替换的桩芯、冷热循环系统及温度位移监测系统。

5、所述相变混凝土由陶粒经过真空吸附法吸附癸酸—月桂酸相变材料，并用环氧树脂+聚酰胺树脂混合材料进行封装，组成相变骨料，根据相变混凝土的配合比，等体积替换普通混凝土中的碎石骨料。

6、所述相变混凝土还添加有2%~5%的石墨和玄武岩纤维。

7、所述外部不锈钢管由上部不锈钢管和不锈钢管底部螺纹管组成，同时，最底部有一部分为实心结构，用于防止混凝土进入管道。

8、所述内部聚乙烯管外部涂有隔热材料，由聚乙烯管钢塑过渡接头和聚乙烯管组成，聚乙烯管钢塑过渡接头与外部不锈钢管底部螺纹管连接。

9、所述冷热循环系统包括冷热循环水泵、24小时程控定时器、进出水管、阀门。

10、所述的冷热循环水泵与24小时程控定时器连接，16小时间接运行。

11、所述的温度位移监测系统包括量测温度的光纤光栅温度传感器，分布在桩身上部、中部、下部，量测位移的光纤光栅应变传感器分布在桩端底部，两者皆与电脑端连接，用于对温度、位移数据实时监测。

12、一种可替换桩芯的预制相变混凝土能量桩系统的施工方法，具体步骤如下：

13、步骤一、按照设计的埋管形式，选择外侧面圆形、内侧面圆形的桩模具的尺寸与材质；准备张拉台座、张拉机；安装桩模具，桩模内部涂刷脱模剂，放置夹具；将桩模具用钢索横吊，并在其合理装配钢筋笼，合理布置外部不锈钢管位置；撤去张拉机，泵送相变混凝土，相变混凝土泵送完成后，对桩模进行离心，密实相变混凝土；利用离心法完成的桩身进行常压蒸养，当浇筑的混凝土强度达到设计值75%时，脱模，预应力放张，然后再进行二次高压蒸养；将桩芯放置于预制相变混凝土管桩内部；即可完成可替换桩芯的预制相变混凝土能量管桩的制作，存放备用；

14、步骤二、将完成的预制相变混凝土能量管桩运送到现场，并根据现场实际位置标号，光纤光栅温度传感器布置在桩身的上、中、下三个部位，光纤光栅应变传感器布置在能量管桩桩端处，最后将预制相变混凝土能量管桩放置地下；

15、步骤三、在预制相变混凝土能量管桩的基础上加装隔热板和钢板，两者通过螺栓连接，隔热板和钢板都预留孔洞，将传热管自预留的孔洞伸出，并在孔洞处做封闭防渗水处理；

16、步骤四、自孔洞伸出传热管用软管与冷热循环水泵的进出水管连接，进出水管处加装阀门，连接处做防渗水处理，冷热循环水泵的开关与24小时时程定时器连接；光纤光栅温度传感器与光纤光栅应变传感器皆与电脑端连接，由此即可完成可替换桩芯的预制相变混凝土能量桩系统的施工安装。

17、本发明的有益效果体现在：

18、a)本发明采用预应力钢筋，增加了桩的刚度、抗弯性及抗剪性。

19、b)陶粒经过真空吸附法吸附癸酸—月桂酸相变材料，并用环氧树脂+聚酰胺树脂混合材料进行封装相变骨料替换普通混凝土中的碎石骨料，减少了能量桩的温度变化和热变形范围，提高了其储能和传热性能，保证了其多次相变循环的热稳定性。在混凝土中添加了百分之二到百分之五的石墨和玄武岩纤维，增强了其导热性能和力学性能。

20、c)内部聚乙烯管缠外部绕着并联着的螺旋形状的换热管组成的桩芯，提高了换热系统能效。桩芯底部与外部不锈钢管底部的螺纹管道连接，固定了换热管，还方便了桩芯更换。内部聚乙烯管外部涂有隔热材料，形成了热屏蔽，避免换热管工作发生热短路。

21、d)冷热循环水泵与24小时程控定时器相连接，实现16小时间接运行模式，减少了对桩身周围土体的影响，提高了传热效率。

22、e)温度位移监测系统实时监测桩身温度和位移数据，实现了温度、位移数据可视化。

技术特征：

1.一种可替换桩芯的预制相变混凝土能量桩系统，其特征在于，包括相变混凝土、钢筋笼和外部不锈钢管组成的预制相变混凝土管桩、内部聚乙烯管和换热管组成的可替换的桩芯、冷热循环系统及温度位移监测系统。

2.根据权利要求1所述的一种可替换桩芯的预制相变混凝土能量桩系统，其特征在于，所述相变混凝土由陶粒经过真空吸附法吸附癸酸—月桂酸相变材料，并用环氧树脂+聚酰胺树脂混合材料进行封装，组成相变骨料，根据相变混凝土的配合比，等体积替换普通混凝土中的碎石骨料。

3.根据权利要求2所述的一种可替换桩芯的预制相变混凝土能量桩系统，其特征在于，所述相变混凝土还添加有2%~5%的石墨和玄武岩纤维。

4.根据权利要求1所述的一种可替换桩芯的预制相变混凝土能量桩系统，其特征在于，所述外部不锈钢管由上部不锈钢管和不锈钢管底部螺纹管组成，同时，最底部有一部分为实心结构，用于防止混凝土进入管道。

5.根据权利要求1所述的一种可替换桩芯的预制相变混凝土能量桩系统，其特征在于，所述内部聚乙烯管外部涂有隔热材料，由聚乙烯管钢塑过渡接头和聚乙烯管组成，聚乙烯管钢塑过渡接头与外部不锈钢管底部螺纹管连接。

6.根据权利要求1所述的一种可替换桩芯的预制相变混凝土能量桩系统，其特征在于，所述冷热循环系统包括冷热循环水泵、24小时程控定时器、进出水管、阀门。

7.根据权利要求6所述的一种可替换桩芯的预制相变混凝土能量桩系统，其特征在于，所述的冷热循环水泵与24小时程控定时器连接，16小时间接运行。

8.根据权利要求6所述的一种可替换桩芯的预制相变混凝土能量桩系统，其特征在于，所述的温度位移监测系统包括量测温度的光纤光栅温度传感器，分布在桩身上部、中部、下部，量测位移的光纤光栅应变传感器分布在桩端底部，两者皆与电脑端连接，用于对温度、位移数据实时监测。

9.一种如权利要求1至8中任意一项所述的可替换桩芯的预制相变混凝土能量桩系统的施工方法，其特征在于，桩模具中装配钢筋笼，布置桩芯，对桩模中泵送相变混凝土，相变混凝土泵送完成后，对桩模进行离心，密实混凝土，利用离心法完成的桩身进行常压蒸养，然后脱模，再进行二次高压蒸养，完成可替换桩芯的预制相变混凝土能量桩的制作。

10.根据权利要求9所述的可替换桩芯的预制相变混凝土能量桩系统的施工方法，其特征在于， 具体步骤如下：

技术总结本发明公开了一种可替换桩芯的预制相变混凝土能量桩系统及其施工方法，包括制作预制能量桩的模具，可替换桩芯的预制相变能量桩系统。其中可替换桩芯的预制相变能量桩系统还包括相变混凝土、钢筋笼和外部不锈钢管组成的预制相变混凝土管桩、内部的聚乙烯管和换热管组成的可替换的桩芯、冷热循环系统及温度位移监测系统。该发明中的相变混凝土通过掺和相变骨料通过相态变化进行储存和释放能量，从而提高混凝土的储能能力。根据温度位移监测系统监测桩身周围的温度和桩端位移变化，并根据其数据判断是否更换桩芯。该发明节约能源，成本简单，易于安装，适用性强，有较好的前景。技术研发人员：冯义,喻忠,高志宏,蒋清国,雷永生受保护的技术使用者：中铁第一勘察设计院集团有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/5