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废弃钢渣制备混凝土储热材料的性能研究论文

理工论文 6℃ 0
SCI发表中的作者贡献度评估与署名规则

  关键词:废弃钢渣,混凝土储热材料,三步法

  随着社会经济的快速发展,能源需求日益增长,节 能减排和可持续发展已成为全球关注的焦点。在建筑 领域,混凝土作为主要的建筑材料,其生产过程中需要 消耗大量的水泥、砂石等资源,同时还会产生大量的废 渣。如何有效利用废弃物资源,降低能耗和减少环境污 染已成为建筑材料领域的研究热点。其中,利用废弃钢 渣制备混凝土储热材料是一种具有潜力的解决方案。 废弃钢渣是钢铁企业生产过程中产生的一种工业废弃 物,其堆放和处理给环境带来了严重的负担。然而,废 弃钢渣中含有大量的活性成分,如氧化钙、氧化镁等, 这些成分可以作为制备混凝土储热材料的潜在原料。 此外,利用废弃钢渣制备混凝土储热材料还可以实现资 源的有效利用,降低混凝土的生产成本,同时减少对环 境的污染。混凝土储热材料是一种新型的建筑材料,其 具有优异的热工性能和保温隔热性能, 能够有效地储 存和释放热量。在建筑领域中,混凝土储热材料可以用 于墙体、屋顶等部位的保温隔热,提高建筑的节能性能。 此外,混凝土储热材料还可以用于地热采暖、太阳能利 用等领域,具有广泛的应用前景。 目前,国内外对于废 弃钢渣制备混凝土储热材料的研究还比较少。 已有的 研究主要集中在制备工艺、材料性能等方面,但对于其 储热性能的研究还不够深入。因此,提出废弃钢渣制备 混凝土储热材料的性能研究具有十分重要的意义。

废弃钢渣制备混凝土储热材料的性能研究论文

  1 试验原材料及装置

  1.1 试验原材料

   试验研究的材料为废弃钢渣制备混凝土储热材 料,以具有耐高温性能的碳酸盐水泥为基础材料,通过 添加废弃钢渣、骨料以及外加剂等材料,制备性能优良 且满足太阳能发热的储热材料。制备的混凝土储热材 料原材料包括碳酸盐水泥、减水剂、废钢渣、骨料等,其中骨料为粗骨料和细骨料,选择热理性能良好的玄 武岩作为粗骨料,选择河砂作为细骨料,为降低混凝土 储热材料的制备成本,采用一定量的废弃钢渣来置换 一部分水泥,既能改良混凝土储热材料的性能,又能降 低混凝土储热材料制备成本[1]。本次试验所采用的碳酸 盐水泥为 CA50- G6.其中三氧化二铁含量为 50%,二氧 化硫含量 8.45%,三氧化二铝含量 4.56%,硫含量0.16%, 氧化钾含量 0.46%,氧化钠含量 0.75% 。粗骨料粒径大 于 4.55mm 的岩石颗粒,细骨料为粒径大于 0.14mm 小于 0.46mm 的河砂,其密度为 2650kg/m3.导热系数为0.25W/ (m·K),比热容为 0.56g/℃ 。废弃钢渣具有优异的导热 性能,通过在混凝土中添加适当的废弃钢渣取代水泥材 料,使混凝土储热材料的导热性能得到提升,并且废弃 钢渣作为微粉填充到混凝土中,可以对水泥水化过程 中产生的缝隙进行填充,废弃钢渣粒度在 44~120um 的 中等粉[2]。此外,为提升混凝土储能材料浆体的流动性 能,改善混凝土储能材料的凝结时间,选用型号 SFHA- 5545 减水剂,其减水率为 20%~25%,细度为 0.24mm< 10% 。混凝土储热材料拌和用水采用普通自来水。

  1.2 试验装置

  试验装置分为混凝土储热材料制备装置和性能测 试装置两种,其中用于混凝土储热材料制备的装置包 括混凝土搅拌机、混凝土振动台,用于混凝土储热材料 性能测试的设备包括电阻炉、球磨机、差示扫描量热仪 和热常数分析仪,具体如表 1 所示。

  1.3 废弃钢渣制备混凝土储热材料

  利用以上原材料和设备制备混凝土储热材料,在 对储热材料制备之前,需要对混凝土储热材料配合比 设计,首先要确定混凝土储热材料的等级强度,为了制 备出混凝土储热材料强度能够符合设计时的强度等级 要求,在对其强度配置时要高于设计强度,材料配置强度按照以下公式确定:

 

  式中:fetw 为混凝土储热材料配置强度;fwrt 为混凝土 储热材料抗压强度标准值;α 为混凝土储热材料强度标 准差[3]。

  其次,确定混凝土储热材料的水胶比,其用公式表 示为:

  式中:W 为混凝土储热材料水用量;B 为水泥用量; δ 为回归系数;f 为水泥材料 28d 抗压强度[4]。

  最后确定混凝土储热材料砂率,即细骨料占骨料 的百分比,其用公式计算为:

       式中:ρ 为混凝土储热材料砂率;mer 为细骨料用 量;mey 为粗骨料用量;mfh 为混凝土拌和质量。

  根据以上完成混凝土储热材料配合比设计,并开 始制备材料[5]。将模具清理干净,并且在模具内涂抹一 层机油,以便于后续混凝土储热材料脱模。将所有材料 放入混凝土搅拌机中进行搅拌 10min,掺入废弃钢渣, 将废弃钢渣打散后充分搅拌,再次搅拌 5~6min,直到骨 料被砂浆充分包裹。将搅拌好的混凝土拌合物浇筑到 模具中,并利用振动机对模具中混凝土拌和物振捣,振 捣时间为 50s,振动后将混凝土表面抹平,将其放入室 内自然养护 48h 后脱模,以此完成废弃钢渣制备混凝 土储热材料。

  2 试验方法

  为了研究废弃钢渣制备混凝土储热材料的性能, 对制备好的材料进行比热容测试和导热系数测试。 比 热容反映一种物质增加其温度所需要的热,1kg 物质的 温度上升(或下降)1K 所需要的热就是比热。储热材料 的比热性能是其蓄热能力的一个重要指标。比热容,简 称比热,它是一种物质在没有发生相变或发生化学反 应的情况下,其单位质量的物质在每一单位温度上的 上升或降低所释放的热能,它被用来表征一种物质的 热物性,与物质的形态及类型相关[6]。混凝土储热材料的比热容是表征其吸(放)能的大小,是表征其热物性 的基础参数,同时也是评估其储热性能的重要依据。在 进行比热试验时,混凝土试件在高温条件下会发生物 理、化学、热学等物理性质的改变,并伴随有吸放热现 象,从而给热物性的测定带来一定的误差,因此对其进 行比热容测试时对混凝土储热材料试块进行高温加热 处理[7]。选取经过高温处理后的混凝土储热材料试样样 品,使用球磨机将其碾碎呈粉末状,采用三步法测试混 凝土储热材料比热容,作出空白坩埚、蓝宝石标准和标 样的三种测试结果;在此基础上,对蓝宝石和试样进行 去除,得到了去除空白的热通量曲线;输入要算出的起 始温度、终止温度、升温速率;导出蓝宝石的热流值,计 算出各个温度下的混凝土储热材料的比热容,其计算 公式为:

       式中:μ 为混凝土储热材料的比热容;c 为比热;m 为试件质量;ptw 为空白坩埚热流密度;pqr 为混凝土储热 材料热流密度;pqrt 为标样热流密度;pru 为蓝宝石标准 热流密度[8]。利用以上公式测算不同温度下混凝土储热 材料的比热容。

  然后对混凝土储热材料进行导热系数测试,热导 系数是一种重要的热物理性质参数,高热导性能的高 温储热材料要求其具有高热导系数, 以使其在短时间 内完成传热,从而提升其工作效率。 由傅里叶定律可 知,热流矢量是以反向的方式与温度梯度成比例的。“温 度梯度”是指按照热力学第二定律,温度上升的方向。 热导系数随材料类型和温度的变化而变化。固体、液体 和气体由于其内部结构的差异,其热传导机制也存在 较大差别。现代热物理理论可以从微观层面上揭示材 料的热传导行为,也可以为具体的材料设计提供依据。 目前,除理想气体、结晶等较为简单的情形外,大部分 材料的热导系数都无法依据其结构与传导机制进行预 测,而各类工程材料的热导系数都是通过试验获得的。 此次利用 Hot- disk 方法在温室下对混凝土储热材料的 导热系数进行测试,选用 1569 探头对其进行测量,测试 背景为完全绝热,根据测量数据计算出材料的导热系 数,其计算公式为:

  式中:τ 为混凝土储热材料的导热系数;β 为空间热 流密度矢量;gradt 为空间某点温度梯度。

  3 试验结果与讨论

  利用公式(4)计算出了不同温度下混凝土储热材 料比热容,具体数据如表 2 所示。

  从表 2 可知,经过高温处理的混凝土储热材料,随 着温度的升高,材料的比热容在不断增大,当温度达到 300℃时,材料的比热容达到最大,平均为 5.46J/(g·K), 随后出现小幅度下降,这是因为温度的升高使材料内 水产生脱离,从而吸收掉部分热量,从而导致比热容下 降。表 3 给出了混凝土储热材料导热系数测试结果。

  从表 3 中数据可以看出,随着温度的升高混凝土 储热材料的导热系数在不断增大,最大导热系数可以 达到 1.69W/(m·K)。

  4 试验结论

  通过以上对混凝土储热材料性能测试得出结论: 普通混凝土比热容约为 3.5J/(g·K),导热系数为1.45W/ (m·K)左右,而采用废弃钢材制备的混凝土储热材料比 热容和导热系数远远高于普通混凝土,证明了混凝土 储热材料具有良好的导热性能和储热性能,混凝土储 热材料最佳使用温度范围为 300℃ 。

  5 结束语

  废弃钢渣制备混凝土储热材料是一种具有潜力的 建筑材料,其性能和应用前景值得深入研究和探讨。此 次研究为废弃钢渣制备混凝土储热材料的应用提供了 有益的参考和借鉴。同时,希望有更多的学者和企业界 人士能够关注这一领域的研究和应用,共同推动建筑 材料的绿色化和可持续发展。在未来的研究中,将继续 关注废弃钢渣制备混凝土储热材料的相关研究动态和 技术进展。相信在不久的将来,可以看到更多的绿色、 环保、可持续的建筑材料在建筑领域得到广泛应用和 发展。

参考文献

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