本发明涉及路面融雪技术领域,特别是涉及一种用于流体加热融雪的钢塑注浆复合管。
背景技术
流体加热融雪系统利用动力系统将外部热源的能量以热流体为载体进行灵活输配以实现融雪，与撒布化学融雪剂、机械除冰雪方法等被动融雪方式相比，流体加热融雪系统可根据降雪量及天气条件开展预防性主动除雪，其系统可控性强、能源利用率高、热源广泛(可以是常规热源或可再生热源)、安装简便。
流体加热融雪系统是利用循环泵使热流体在埋设于道面内部的管线中循环，通过管壁处的对流换热热交换方式使流体的热量传递给道面结构，依靠结构层内部的热传导将热量传递到路体表面，进而通过热传递与冰雪进行热交换，从而达到融雪化冰的目的。在此系统中，丙二醇水溶液、乙二醇水溶液等低凝固点溶液均可作为循环介质；而埋设于道面当中的管材，需要良好的耐温、耐腐蚀性能，以及良好的强度以及柔韧性，以便在施工安装过程当中以及在使用工作阶段具有良好的抵抗管内流体侵蚀以及抵抗路面载荷例如汽车、飞机荷载作用的能力。
目前，流体加热管道管材一般有金属管例如钢管、psp钢塑复合管和塑料管等等。
钢管具有强度高，线膨胀系数和混凝土接近，主要用于供热流体输送使用，导热性能强。但是由于流体一般添加防冻液，具有微腐蚀性，因此钢管不适宜直接作为加热管使用。
塑料管一般是以合成树脂，也就是聚酯为原料、加入稳定剂、润滑剂、增塑剂等，以“塑”的方法在制管机内经挤压加工而成，主要用作房屋建筑的自来水供水系统配管、排水、排气和排污卫生管、地下排水管系统、雨水管以及电线安装配套用的穿线管等。塑料管，分为热塑性塑料管和热固性塑料管两大类。属于热塑性的有聚氯乙烯管，聚乙烯管，聚丙烯管、聚甲醛管等；属于热固性的有酚塑料管等。塑料管的主要优点是耐蚀性能好、质量轻、成型方便、加工容易、热塑型的管道柔韧性和延展性相对较好；但是塑料管的导热性能和抗折抗压性能较差。当道面上交通荷载的冲击力较大，或道面板之间错台静移时，塑料管的抵抗能力较弱，有被切断而形成泄露的风险。
psp钢塑复合压力管是新型金属与塑料复合的管材，一般以焊接钢管为中间层，内外层为聚乙烯塑料，采用专用热熔胶，通过挤出成型方法复合成一体的管材。该管材克服了钢管存在的易锈蚀、有污染、笨重、使用寿命短和塑料管存在的强度低、膨胀量大、易变形的缺陷，而又具有钢管和塑料管的共同优点，如隔氧性好、有较高的刚性，埋地管容易探测等。但是psp钢塑复合管存在整体强度较小，导热性能较差的缺点。另外当采用psp钢塑复合管时，对长距离输送管道，其最长12m需有一处热熔或电熔接头，以f类跑道设计宽度60m为例，需要有至少4处接头。若结合飞机跑道施工工序，5m处即需要一处接头，60m需要有至少11处接头。较多的接头会造成流体泄露风险。
因此，需要新型的管道以解决上述存在技术问题。
技术实现要素：
为了克服以上缺点，本发明目的在于提供一种用于流体加热融雪的钢塑注浆复合管以及制备方法，该复合管使用寿命长，耐腐蚀能力强，对混凝土道面的抗折性能影响小，导热性能强。
根据本发明的一方面，提供一种用于流体加热融雪的钢塑注浆复合管，由塑料内管30、金属外管10以及通过注浆形成在塑料内管与金属外管之间并填满二者之间空间的混凝土层20所构成。
根据本发明的一个实施方案，其中所述塑料内管30为聚乙烯管。
根据本发明的一个实施方案，其中所述聚乙烯管为de25塑料管。
根据本发明的一个实施方案，其中所述金属外管为dn32钢管。
根据本发明的一个实施方案，其中所述钢塑注浆复合管的长度为1-60米。
根据本发明的一个实施方案，其中所述钢塑注浆复合管为偏心管，所述塑料内管的截面几何中心与所述金属外管的截面几何中心不重合。
根据本发明的一个实施方案，其中所述塑料内管与所述金属外管局部贴靠。
根据本发明的一个实施方案，其中，注浆中所使用的压浆材料或灌浆材料符合标准tb/t3192-2008或jtg/tf502011。
根据本发明的一个实施方案，其中所述压浆材料或灌浆材料包括h-60压浆剂。
根据本发明的一个实施方案，其中所述钢塑注浆复合管的导热系数大于1.0w/(m·k)，例如2.0w/(m·k)、3.0w/(m·k)、4.0w/(m·k)、5.0w/(m·k)、6.0w/(m·k)等等。
根据本发明的另一个方面,提供一种用于流体加热融雪的钢塑注浆复合管的制备方法，所述钢塑注浆复合管由塑料内管、金属外管以及通过注浆形成在塑料内管与金属外管之间并填满二者之间空间的混凝土层所构成，所述方法包括：
提供所述金属外管；
提供所述塑料内管，并将塑料内管置于金属外管之中；和
提供压浆材料或灌浆材料，并将其压注到所述塑料内管与金属外管之间空间中，以形成所述混凝土层。
根据本发明的一个实施方案，其中所述压浆材料或灌浆材料符合标准tb/t3192-2008或jtg/tf502011。
根据本发明的一个实施方案，其中所述压浆材料或灌浆材料包括h-60压浆剂。
根据本发明的一个实施方案，其中所述压注时的压力为约1.0～1.4mpa，优选为1.1～1.3mpa，更优选为1.2mpa。
根据本发明的一个实施方案，其中所述压注时的注浆速度为约0.3-0.7m/s，优选为0.5m/s。
根据本发明的一个实施方案，其中所述用于流体加热融雪的钢塑注浆复合管的制备方法还包括在所述压注之前，将所述塑料管的两头封堵，并在其内注入水。
根据本发明的一个实施方案，其中在所述塑料管内注入水的压力不超过0.4mpa。
根据本发明的一个实施方案，其中所述用于流体加热融雪的钢塑注浆复合管的制备方法还还包括在封堵之前在所述塑料管内添加固体物，例如添加更细的配重物如钢丝，用于调节塑料管的重量。
该发明解决了流体加热融雪系统以往选用的管材所存在的诸多技术问题，产生了有益的技术效果：
1)使用寿命可以高达50年。塑料管的使用寿命可以达50年，因此由最内层的塑料管承担加热流体输送功能，可实现超过道面设计年限(一般为30年)的管道使用时长。
2)耐腐蚀能力强。钢管本身耐腐蚀能力较弱，不适用于输送加热流体，塑料管耐腐蚀能力最强，可用于直接输送流体。将钢管作为塑料管的外保护壳，两者之间填充砂浆，可进一步加强复合管道的强度以及抗腐蚀能力。
3)本发明的“钢塑注浆复合管”导热系数较好，远好于psp管和塑料管。因此能够实现良好的热传导以及融雪效果。
附图说明
图1是根据本发明一个实施方案的用于流体加热融雪的钢塑注浆复合管结构示意图。
图2是根据本发明一个实施方案的用于流体加热融雪的钢塑注浆复合管的制备方法的流程示意图。
图3是根据本发明一个实施方案的利用沙箱模型来检测管道导热性能的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1是根据本发明的一个实施方案的用于流体加热融雪的钢塑注浆复合管结构示意图。如图1所示，钢塑注浆复合管包括三个部分，也即塑料内管30、金属外管10以及混凝土层20，其中所述混凝土层20通过注浆形成在塑料内管与金属外管之间并填满二者之间的空间，用于提供热能的高温流体40在塑料内管30流动。
金属外管10例如可以是钢管，例如dn32钢管，具体可以根据需要来选择适当的钢管类型。钢管的长度以及直径等可以根据具体需要来选择，例如当需要较长的长度例如60米时，可以将多根钢管进行丝接或焊接。金属外管10作为外层管道，可以为钢塑注浆复合管提供良好的强度和保护。
塑料内管30可以为热塑性塑料管和热固性塑料管，例如可以为聚氯乙烯管，聚乙烯管，聚丙烯管、聚甲醛管、酚塑料管等。塑料管的内径以及长度可以根据需要进行选择，例如其内径可以融雪流体的设计流量来进行选择，但是其外径应当适当小于上述金属外管的内径。例如二者之间的差可以为5mm-20mm，例如、6mm、7mm、8mm、10mm、15mm等等。本领域技术人员可以根据需要来容易地选择适当的直径。塑料内管30的长度可以根据需要来适当的截取，例如1m、5m、10m、30m、60m等等。
例如塑料内管30主要优点是耐蚀性能好、质量轻、成型方便、加工容易、热塑型的管道柔韧性和延展性相对较好。根据本发明的一个实施方案，其中所述塑料内管30为de25聚乙烯管。
为了确保融雪效果，增强导热，本发明在外套管(钢管)和加热管(塑料管)之间的空隙层进行填充密实。如图1所示，本发明的复合管还包括设置在所述塑料内管30与金属外管10之间混凝土层20。该混凝土层20可以通过注浆形成在塑料内管与金属外管之间并填满二者之间的空间。混凝土层20使得塑料内管30固定，还为金属外管10提供支撑，使得复合管在整体上更加坚固，实现了抗压抗冲击、耐腐蚀强、导热性能好以及使用寿命长等技术效果。
更具体地，本发明的混凝土层20利用压浆材料或灌浆材料，通过注浆而在塑料内管30与金属外管10之间形成。灌注压浆之后形成的混凝土层20密实、无空鼓、无气泡，并且整体管道无变形，外管内壁以及内管的外壁与注浆材料紧密接触无收缩。另外，整体管道还具有良好的导热性，明显优于塑料管或者psp管，例如可以具有的导热系数大于1.0w/(m·k)，例如2.0、3.0、4.0、5.0w/(m·k)等等。
为此，例如可以优选符合标准tb/t3192-2008或jtg/tf502011的那些压浆材料或灌浆材料，更优选那些包含h-60压浆剂的压浆材料或灌浆材料。基于本发明的教导并结合现有技术，本领域技术人员可以容易地选择合适的压浆材料或灌浆材料。
如图1所示，本发明的钢塑注浆复合管可以为偏心管，也即所述塑料内管30的截面几何中心与所述金属外管10的截面几何中心不重合。这意味着，混凝土层20在塑料内管30与金属外管10之间的厚度不是均匀的。例如图中显示，混凝土层20的厚度由上而下逐渐变小，上部厚度小于下部的厚度。进一步地，塑料内管30的顶部部分甚至可以贴靠金属外管10的内壁。
当将这样的偏心管按照如图所示埋入地下时，由于容纳高温流体的塑料内管30更加靠近甚至贴靠金属外管10，因此复合管的上部的导热性能更好，更加容易将热能传导至地面，能够实现更好的融雪效果。
下面结合附图2来进一步阐述本发明复合管的形成工艺。参考附图2，本发明的用于流体加热融雪的钢塑注浆复合管的制备方法可以包括如下步骤：
首先，提供金属外管10，可以根据需要来选择适当的金属管材例如dn32钢管。钢管的长度以及直径等可以根据具体需要来选择，例如当需要较长的长度例如60米时，可以将多根钢管进行焊接；
提供塑料内管30，并将塑料内管置于金属外管之中，例如可以提供de25聚氯乙烯管，将整根塑料管采用人工或机械牵引等方式进行穿管。塑料管的直径可以根据融雪流体的设计流量来进行选择，其外径适当小于上述金属外管的内径。例如二者之间的差可以为5mm-30mm，例如、6mm、7mm、8mm、10mm、1mm,20mm,25mm等等。塑料内管30的长度可以根据金属外管的程度截取，例如可以适当的稍长于金属外管的长度，预留塑料管两侧端头长度，以便于后续操作；
提供压浆材料或灌浆材料，并将其压注到所述塑料内管与金属外管之间空间中，以形成充满所述空间的混凝土层20。压浆材料或灌浆材料可以选择那些符合标准tb/t3192-2008或jtg/tf502011的材料，优选那些包含h-60压浆剂的压浆材料或灌浆材料。将调制好的压浆材料或灌浆材料由注浆设备压入管道间隙层(也即所述塑料内管与金属外管之间空间)。可以根据具体情况来选择适当的注浆压力，例如可以为1.0～1.4mpa、例如1.1mpa、1.2mpa、1.3mpa。可以控制适当的注浆速度，例如0.3-0.7m/s，例如0.5m/s左右，并且可以适当控制和选择每根管的注浆时间，例如每根管的注浆时间可以在1.5～3分钟，2～2.5分钟。注浆设备为本领域技术人员所熟知，在此并不赘述。
由于流体的重力以及浮力的综合作用，在注浆过程中塑料内管30上浮偏心，由此导致所形成的钢塑注浆复合管为偏心管，也即所述塑料内管的截面几何中心与所述金属外管的截面几何中心不重合，甚至所述塑料内管的顶部与所述金属外管的内壁局部贴靠。当将这样的偏心管按照如图1所示埋入地下时，由于容纳高温流体的塑料内管30更加靠近甚至贴靠金属外管10，因此复合管的上部的导热性能更好，更加容易将热能传导至地面，能够实现更好的融雪效果。
优选地，根据本发明的方法还包括在注浆之前将所述塑料内管30的两头封堵，并在其内注入水。注入水可以调节塑料内管的重量，由此可以调节塑料内管在注浆时的偏心程度。当然也可以在塑料内管中加入配重物例如钢丝等等，来调节塑料内管的重量，调节偏心程度，由此甚至可以使得复合管不偏心。同时，注水还有助于保持塑料内管30的内部压力，防止在注浆的过程中将塑料内管30压扁。、
本领域技术人员易于理解。可以选择适当的注水压力，防止注水压力过高而导致塑料管膨胀，例如注入水的压力可以不超过0.4mpa。在浆料凝结之后,可以将塑料管内的水或者其他配重物撤掉。
下面结合实施例来进一步阐述本发明。
实施例-钢塑注浆复合管的制备以及性能参数的检测
材料及参数：
金属外管为dn32焊接钢管，长度24米，外径41.23mm，壁厚2.47mm；
塑料内管为de25聚乙烯管，长度24米，外径24.57mm、壁厚3.1mm；
注浆材料：30:10:90的重量比例计量水、压浆剂(h-60)、水泥，参考标准tb/t3192-2008；
注浆压力：约1.2mpa，注浆速度：约0.5m/s左右；
塑料内管内充满水，两头封堵，管内压力约0.4mpa；
利用本发明的方法制备钢塑注浆复合管，多个样品取平均值，最终得到的钢塑注浆复合管的长度为2496mm，偏心距为4mm；
另外，利用dn32焊接钢管、de25聚乙烯管、de25psp钢塑复合管作对照组。各产品的性能参数见下表1。
表1：不同管材性能对比表1
其中，混凝土抗折强度的检测依据gbt50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》以及gbt50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》来进行，最终得到本发明以及其他对照管的添加fc纤维，加管后28d混凝土抗折强度：如上表所示，本发明的钢塑注浆复合管表现出较好的混凝土抗折强度，高于设计标准5.0mpa的要求，并且表现优于其他大多数的对照管。
导热性能的检测如下：
将试验管段(包括本发明钢塑注浆复合管、dn32焊接钢管、de25psp钢塑复合管、de25聚乙烯管)各自埋设在导热系数为1.25w/m.k的土壤中，管道中心轴距地面1m，利用恒温水浴将温度40℃的热水以2.0m/s和1.2m/s的速度在管道中循环流动，在试验管段长度方向中心处管顶、管底分别设置热阻式温度传感器(测量管壁温度，图3中黑圆点所示)及热流传感器测片；在距管顶正上方0.95m处的土壤中，沿管段轴向方向布置3个热阻式温度传感器(编号1、2、3，间隔0.3m，测量接近土壤表面的土壤温度，参见附图3)。
测试环境温度30℃，经过3小时稳定，温度传感器数值波动小于0.5℃。
介质以2m/s和1.2m/s的速度流动，计算管内流动的对流换热系数。换热量取决于管壁与介质的温差，在试验开始阶段，由于管壁与介质温差较大，换热较为剧烈，试验管进出口的介质温降明显，3小时后管壁温度已相对稳定，并且与介质温度温差很小，换热效果被抑制。但换热依然是主要手段，鉴于结构较薄，传热仍然不是主要因素，沙箱内覆盖在试验管周围的土壤体积热容量经查表为2j/g.cm3，沙箱外围空气导热系数为0.02w/(m·k)，远小于土壤导热系数1.25w/(m·k)，环境温度较高，相当于对沙箱进行保温处理，可近似认为沙箱处于绝热条件下，试验时单根试验管在3小时的时间向土壤传递热量对土壤温升不明显。
检测结果表明：本发明的偏心结构上部综合导热系数在平均温度25℃下时为λ25＝5.09w/(m·k)；此偏心结构下部综合导热系数在平均温度25℃下时为λ25＝2.37w/(m·k)。
也即，本发明的钢塑注浆复合管的导热性能强于psp钢塑复合管、聚乙烯管道以及混凝土，仅次于钢管，因此导热性能非常好，有利于传热。而偏心结构也十分有利于流体向上传热融雪。
以往流体加热融雪管材选择单一，且均存在一定问题。本发明解决了流体加热融雪管道的一些常见问题，如腐蚀、接头泄露、对道面性能影响、塑料管材本身抗剪切差的问题。
另外，本发明为偏心管。加工过程中塑料管道在浆体的压头下内置塑料管自然上浮，靠近甚至是紧贴钢管内部上壁，致使导热性能优越，十分有利于热传导。
本发明管道不受长度限制，可根据市政道面的施工需求灵活施工，可长可短。
以上所述，仅是本发明较佳的实施方式，并非对本发明的技术方案做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例做任何简单修改，形式变化和修饰，均落入本发明的保护范围。