能量桩基混凝土传热及力学性能研究

作     者：王梦娜 

作者单位：吉林建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵嵩颖

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081404[工学-供热、供燃气、通风及空调工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0814[工学-土木工程] 

主      题：桩基混凝土 玄武岩纤维 神经网络 抗压强度 导热系数 

摘      要：能量桩是将地埋管换热器置于桩基中的一种地源热泵技术,在承担上部建筑荷载的同时兼顾热交换功能。能量桩基混凝土作为换热管与周围土体之间的热交换介质,对提高系统换热效率至关重要,选择性能良好的桩基材料对降低系统能耗起着积极作用。从桩基材料入手提高能量桩系统效率,选择石墨和玄武岩纤维作为增强材料添加到能量桩基混凝土中,设计正交试验研究水胶比、石墨以及玄武岩纤维对能量桩基混凝土性能的影响规律,通过极差、方差分析和综合评分法确定兼顾力学性能和传热性能要求的能量桩基混凝土最佳配合比。基于试验数据,建立神经网络模型用于能量桩基混凝土导热系数和抗压强度的预测,对模型进行训练、验证与预测,探究神经网络模型的可用性。研究发现,影响能量桩基混凝土传热性能的因素顺序为:石墨掺量水胶比玄武岩纤维掺量玄武岩纤维长度,掺入石墨可使能量桩基混凝土导热系数最大提升36.05%,石墨掺量、水胶比和玄武岩纤维掺量均会对能量桩基混凝土导热系数产生显著性差异关系。影响能量桩基混凝土力学性能的因素顺序为:水胶比玄武岩纤维掺量石墨掺量玄武岩纤维长度,增加水胶比可使能量桩基混凝土抗压强度最大降低25.95%,水胶比会对能量桩基混凝土抗压强度产生显著性差异关系。综合考虑,最终确定能量桩基混凝土的最优配比为ABCD,即各影响因素水平的最佳组合为水胶比0.38,石墨掺量7%,玄武岩纤维掺量0.3%且纤维长度12 mm。基于正交试验数据建立两个神经网络模型,对模型进行预测分析,抗压模型的平均相对误差为4.69%,导热模型的平均相对误差为2.72%,模型整体预测值与试验值误差在5%以内,拟合程度较高,具有较好的估测能力,可作为能量桩基混凝土配合比设计的参考。