【摘 要】
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近年来,随着能源桩技术的广泛应用,能源桩地下结构存在的技术问题日益凸显。在长期非稳态的桩土热交换使得桩周岩土温度不断上升,产生“热堆积效应”,明显影响桩土换热效率和桩基结构安全性。本文提出将“相变储能材料（Phase change materials,简称PCMs）”引入到能源桩工程中,通过在桩基混凝土中掺入相变陶粒,制备相变混凝土能源桩（Phase change concrete pile,简称
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近年来,随着能源桩技术的广泛应用,能源桩地下结构存在的技术问题日益凸显。在长期非稳态的桩土热交换使得桩周岩土温度不断上升,产生“热堆积效应”,明显影响桩土换热效率和桩基结构安全性。本文提出将“相变储能材料（Phase change materials,简称PCMs）”引入到能源桩工程中,通过在桩基混凝土中掺入相变陶粒,制备相变混凝土能源桩（Phase change concrete pile,简称PCP）。通过循环温度荷载作用下相变桩的热力响应试验,分析相变桩在桩周温度分布、桩身应力应变、桩顶位移和桩身换热效率的变化规律,并与普通混凝土能源桩（Ordinary concrete pile,简称OCP）试验结果进行对比分析,通过ABAQUS数值模拟加以验证,评价相变桩对缓解桩周土体热堆积效应的作用效果。主要研究内容如下:（1）筛选符合夏季工况（25℃）和冬季工况（15℃）使用要求的复合相变材料,配制获得夏季配方为质量比是5:5的癸酸-月桂酸组合,相变温度为24.52℃,相变潜热为150.5J/g;冬季配方为质量比是3:7的十五烷-十六烷组合,相变温度为14.57℃,相变潜热为158.8J/g。两种复合相变材料经过100次相变循环试验后,相变温度和相变潜热的变化率仅±2%,表现出良好的热稳定性。（2）采用粉煤灰陶粒作为载体材料,通过真空吸附法分别吸附夏季和冬季复合相变材料,最佳吸附温度为40℃,最佳吸附时间为120min,最大吸附率为27%。通过扫描电镜试验证明复合相变材料在粉煤灰陶粒内部孔隙中具有良好的填充效果。通过DSC曲线测试,得到夏季和冬季相变陶粒的相变温度分别为24.15℃和13.62℃。同时,采用水泥灰比为0.5的水泥净浆法封装相变陶粒,经100次相变循环后其表面无裂缝、材料渗漏率仅3.4%,符合能源桩运行的安全性、经济性原则。（3）对比不同相变陶粒和石墨掺量下桩身相变混凝土的力学性能、热学性能和长期耐久性,得到相变陶粒和石墨掺量对试件28d抗压强度、导热系数、比热容、储放热效果和多次相变循环后抗压强度的影响规律,优选出相变陶粒和石墨掺量均为20%的桩身相变混凝土配合比。（4）通过多次循环温度荷载作用下相变桩的热力响应试验（夏季:10℃→25℃→10℃、10℃→40℃→10℃;冬季:16℃→5℃→16℃）与ABAQUS数值模拟验证,对比普通桩与相变桩的热力响应过程,发现相变桩的桩身温度变化幅度、桩土温度影响范围、桩顶塑性位移、桩身塑性应变和应力均小于普通桩,在换热初期具有明显优于普通桩的换热功率,缓解了桩土结构温度场的波动,表现出良好的热学性能,减少了桩周土体热堆积,提高了能源桩的换热效率。
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