废弃钢渣制备混凝土储热材料的性能研究.pdf

冶金与材料第 44 卷废弃钢渣制备混凝土储热材料的性能研究王迎春（山西能源学院，山西 晋中030600）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 3 期2024 年 3 月Vol.44 No.3Mar.2024摘要：文章主要研究废弃钢渣制备混凝土储热材料的性能。采用废弃钢渣制备混凝土储热材料，利用三步法和 Hot-disk 方法对混凝土储热材料进行比热容测试和导热系数测试。研究结果显示，随着温度的升高，混凝土储热材料比热容和导热系数逐渐增大，当温度达到 300时，材料的比热容达到 5.46 J/（g K），最大导热系数可以达到 1.69W/（m K）。研究表明，废弃钢渣制备混凝土储热材料具有良好的导热性能和储热性能。关键词：废弃钢渣；混凝土储热材料；三步法；Hot-disk；比热容；导热系数基金项目：山西能源学院 2023 年度院级科研基金项目（项目编号：ZY-2023020）。作者简介：王迎春（1990），女，山西朔州人，主要研究方向：多相流动及相变储热。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。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、废弃钢渣、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咱1暂。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 44120um 的中等粉咱2暂。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 0.24mm10%。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28第 3 期表 1试验装置表设备混凝土搅拌机混凝土振动机电阻炉球磨机差示扫描量热仪热常数分析仪用途搅拌混凝土混凝土振动高温加热热物性测试比热容测试导热系数测试数量1 台1 台1 台1 台1 台1 台型号OUFA-A8F8QTHQU-AW5ATJAU-AF8WTJHV-AS4HSJUS-A8FHESJU-ST8度按照以下公式确定：fetw逸fwrt+1.65琢（1）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；琢 为混凝土储热材料强度标准差咱3暂。其次，确定混凝土储热材料的水胶比，其用公式表示为：WB=啄ffetw+啄（2）式中：W 为混凝土储热材料水用量；B 为水泥用量；啄 为回归系数；f 为水泥材料 28d 抗压强度咱4暂。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：籽=mermey+mfh（3）式中：籽 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，并开始制备材料咱5暂。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 56min，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咱6暂。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咱7暂。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：滋=cm（ptw-pqr）pqrt-pru（4）式中：滋 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咱8暂。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：王迎春：废弃钢渣制备混凝土储热材料的性能研究29冶金与材料第 44 卷子=-茁gradt（5）式中：子 为混凝土储热材料的导热系数；茁 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。表 2混凝土储热材料比热容测试结果J/（g K）试件序号12345678100益2.662.482.362.542.562.852.562.75200益4.153.863.684.114.064.364.154.62300益5.625.155.095.565.365.835.355.86400益4.354.764.684.264.154.624.584.76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。表 3混凝土储热材料导热系数测试结果W/（m K）试件序号1234567825益1.261.351.261.231.291.281.271.2650益1.351.391.361.381.371.351.391.35100益1.481.491.511.461.441.461.481.49200益1.561.581.691.621.641.651.681.67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1 田曦，熊亚选，任静，等.碳捕捉对废弃混凝土复合相变储热材料性能的影响 J.储能科学与技术，2023，12（12）：3709-3719.2 田曦，熊亚选，任静，等.固碳对废弃混凝土复合相变储热材料性能的影响 J/OL.储能科学与技术：1-13 2024-03-05.https：/doi.org/10.19799/ki.2095-4239.2023.0685.3 孟强，田曦，熊亚选.废旧发泡混凝土定型相变材料制备及热性能研究 J/OL.综合智慧能源，1-7 2024-03-05.http：/ 张燕楠，杨晓宏，曹泽宇，等.碟式聚光斯特林系统地面混凝土桩储热研究 J.热能动力工程，2023，38（6）：147-155.5 熊亚选，胡子亮，王辉祥，等.废旧混凝土基定型相变储热材料的储热研究 J.华电技术，2021，43（10）：86-91.6 朱慧君，匡荛，刘光鹏.裂缝对太阳能储热圆棒混凝土热性能的影响 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