利用冶炼钢渣配制蓄热混凝土.pdf

2 0 1 4年第 7期 7月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT P R0DUCTS 2 01 4 No 7 J u l y 利用冶炼钢渣配制蓄热混凝土 林丽娟 ， 缪正坤 ， 缪 策 ， 王智勇 ， 张 毅 。 ( 1 江苏建筑职业技术学 院， 江苏省建筑节能工程技术研究开发 中心 ， 徐州 2 2 1 1 1 6 ； 2 上海神舟新能源发展有 限公司， 2 0 1 1 0 0 ； 3 江苏省煤矸石综合利用研究所 ， 徐州 2 2 1 0 0 6 ) 摘要 ： 选用热容 大的玄武岩、 冶炼钢渣 为集料 ， 硅酸 盐水泥作 为蓄热材料 的胶凝剂 ， 添加矿渣粉和硅微粉 提 高 了蓄热材料力 学性 能， 掺 入一定 比例 石墨粉改善 了蓄热材料热 学性 能， 所制备 的蓄热混凝土在 2 0 0 5 0 0 C高温阶段 抗压 、 抗折 强度 综合性能表现 突 出， 在温 差 3 0 0 5 0 0 C， 其平均 比热为 2 2 7 2 J ( k g K) ， 每 m 蓄热 混凝土的理论 蓄热 量 可 达 3 3 5 7 5 k W h。 关键词 ： 冶炼钢渣 ； 矿渣粉 ； 硅微粉 ； 蓄热混凝土 A b s t r a c t ： U s i n g t h e l a r g e h e a t c a p a c i t y m a t e r i a l s ( b a s a l t a n d s m e l t i n g s l a g) a s a g g r e g a t e a n d P o r t l a n d c e m e n t a s t h e g e l a t i n i z e r ， t h e h e a t s t o r a g e c o n c r e t e wi t h g r o u n d s l a g a n d s i l i c a p o we r f o r i n c r e a s i n g t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e a n d a c e rta i n p r o p o r t i o n o f g r a p h i t e p o wd e r f o r i mp r o v i n g t h e t h e r ma l p e r f o rm a n c e of the h e a t s t o r a g e ma t e r i a l i s p r e p a r e d Th e s t u d y r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d fl e x u r a l s t r e n gth o f t h e h e a t s t o r a g e c o n c r e t e a r e g r e a t i n 2 0 0 5 o 0 ， t h e a v e r a g e s p e c i fi c h e a t o f t h e c o n c r e t e i s 2 2 7 2 J ( k g K 1 i n 3 0 0 5 0 0 ， a n d the the o r e t i c a l h e a t s t o r a g e v a l u e o f t h e c o n c r e t e i s 3 3 5 7 5 k W h m Ke y w o r d s ： S me l t i n g s l a g ； Gr o u n d s l a g ； S i l i c a p o wd e r ； He a t s t o r a g e c o n c r e t e 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 1 O 4) 0 7 8 8 一 O 3 0前 言 蓄热技术可提高能源利用效率 、 保护环境。蓄 热技术可以用于太阳能的存储 ， 可以调节室 内的温 度波动 ， 提高居住 的舒适性 ； 蓄热技术还可 以有效 调节温室大棚的温湿度 ， 并在纺织及 电子等行业也 有 着 十分广 阔的应 用前 景 。 蓄热技术的关键是高性能蓄热材料 的应用 ， 蓄 热材料的选择标准 主要是高储热能力 、 良好的耐热 稳 定 性 、 可 吸 放 热 的循 环 次 数 ， 另 外 也 要 考 虑 到 成 本 。 目前 ， 蓄热材料主要有熔融盐 1 、 铝合 金 、 铁矿 石 、 矿物油 以及混凝土等 。熔融盐和铝合金材料在 高温时有较强的腐蚀性且价格较高 ； 铁矿石呈松散 堆积 ， 不利于储热和放热 ； 矿物油是易燃材料。利用 冶炼钢渣配制蓄热混凝土 。 成本上远远低于上述几 种材料。利用本地热容大的玄武岩 、 冶炼钢渣为集 料 ， 硅 酸盐水泥作为蓄热材料 的胶凝材料 ， 加入微 硅粉和矿渣粉提高蓄热材料力学性 能 ， 掺入一定 比 例 的石墨粉改善蓄热材料的热学性能 ， 以上述材料 配制 的蓄热混凝土 与其 它蓄热材料 相 比具有成本 较低 ， 性价 比较高 的优点 ， 同时还可为冶炼钢渣 的 利 用提 供新 途 径 基金项 目： 徐 州市 科技计划项 目( X Xl O A 0 5 9 ) 。 一 8 8 1 试 验 的原 材料 水 泥 ： 4 2 5级普 通硅 酸盐 。 冶炼钢渣 ： 渣粒直径 2 1 5 m m。 冶炼锰 渣 ： 渣 粒 直径 2 1 5 mm。 玄武岩： 江苏产玄武岩石子 ， 直径 4 1 5 mm。 石墨 ： 天津某化学试剂厂产石墨粉 C含量不少 于 9 8 0 。 矿渣微粉 ： 徐州产 ， 比表面积大于 3 5 0 m Z k g 。 硅 微粉 ： 上海 某 公 司产 ， 细度 2 0 0 0 目。 减水剂 ： 聚羧酸高效减水剂。 2配合 比设 计及 强 度试验 2 1 配合 比设计 蓄热混凝土的配合 比设计主要考虑 以下原则 ： 为提高蓄热效果 ， 蓄热材料中， 以大热容材料掺 比最大化为前提。蓄热混凝土有一定的强度及良 好的施工性能， 以满足实际工程需要。有较高的 热导率。 尽可能降低胶凝材料的用量以降低蓄热 混凝土的成本。 蓄热混凝土 的热导率与组成材料 、结构有关 。 蓄热混凝土用的集料热导率高则其导热率就高 ， 蓄 热混凝土气孔率低则其 总体热导率高2 1 。朱教群教 授等人 的研究发现 ，掺人 5 石 墨粉可提高混凝土 导热率一倍 以上3 1 ； 矿渣 的耐热性能 比较好 ， 配制 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 林丽娟 ， 缪正坤 ， 缪策 ， 等 利用冶炼钢渣配制蓄热混凝土 的混凝土能承受温度的剧烈变化。矿渣微粉适宜配 制使用温度 7 0 0 9 0 0 C、强度等级为 C1 5以上的耐 热混凝土。要提高蓄热混凝土的热性能 ， 考虑原材 料 的影 响因素有 ： 加热导率高的集 料 。 结合本地 的实际情况， 可加入冶炼钢渣、 冶炼锰渣 ； 掺入导 热性能较好 的石墨粉 ； 为降低 气孔率 ， 可加入硅 微粉。 为提高耐高温程度 ， 可加入矿渣微粉 。 根据 以上原则并经过多次试验 ，确定水灰 比为 0 4 0 ， 具 体配合 比见表 l 。 表 l 蓄热混凝 土配合 比( 重量 比) 玄 武 岩 冶炼钢渣 冶炼锰渣 水 泥 矿渣粉 石 墨 粉 硅微粉 减水剂 2 2 强度 试验 抗压 强度 按 G B rr 5 O O 8 1 普 通混 凝 土力 学性 能 试验方法标准 的规定进行。首先按表 1 配合比， 将 原材料称量 ， 水 和减水剂进行混合 ， 其余原材料干 混 1 2 0 s 后 边搅拌边加入混合好 的水与减水剂 ， 再 搅拌 1 8 0 s ， 充分搅 拌均匀后 ， 装入 1 5 0 m mx l 5 0 m mx 1 5 0 ra m试模 ， 在振动台上振动 9 0 s 成型 ； 养护 1 d后 脱模 并继续养护 2 8 d 。 随后将试样在 1 0 5 o C 烘箱 中 保温 2 4 h 再放 入箱 式电阻炉 中 ，分别在 2 0 0 、 3 0 0 C、 4 0 0 ( 2 、 5 0 0 C、 6 0 0 0 1 2 下保温 3 h ， 冷却后分别进 行 强度 测试 。 2 3 抗压 强度 测试 结果 抗 压 强度 测试 结果 见 表 2 ，强度 随 温度 的变 化 曲线 见 图 1 。 表 2 抗 压强 度测试结 果 MP a 2 4 结 果 分析 由强度试验结果可以看 出，随着温度的升高 ， 蓄热混凝土的强度从 2 0 0 时开始有所提高 ，当温 度升高到 4 o 0 o C 时 蓄热 昆 凝土强度开始下降。 博 窆 艘 图 1 抗 压 强 度 随温 度 的变 化 规 律 硅微粉 、 矿渣粉等 的加入 ， 使 蓄热混凝土在高 温状态下的内部分子结构发生改变 。 提高了组织的 密实性嘲； 另一方面 ， 硅微粉和矿渣微粉 中活性较高 的二氧化硅 、 三氧化二铝等成分与硅酸盐水泥水化 时产生的氢氧化钙反应生成硅酸钙 、硫铝酸钙 ， 提 高了混凝土的强度 ， 同时减少了氢氧化钙高温脱水 分解对强度的破坏。 蓄热混凝土强度下降主要原因有 ： 随着温度 的升高 ， 水分开始蒸发 ， 在结构 内部产生空隙和裂 缝 ；混凝土组成材料的力学及热工性能不同 ， 在 高温时形成内应力 ， 使结构产生变形 ； 混凝土中 的骨料在高温时 ， 膨胀破裂。 3高 温下循 环次 数对 蓄 热混凝 土 强度 的影 响 蓄热混凝土在使用时是一个不 断吸热及放热 的循环过程 ， 其强度在吸热放热过程 中的变化会直 接影响蓄热混凝土的蓄热效果。蓄热 昆 凝土承受高 温热 冲击能力越强 ， 其使用成本就越低 。按表 1中 方案 A的配合 比配料 。 将原材料称量 ， 水 和减水剂 进行混合 ， 其余原材料干混 1 2 0 s 后 ， 边搅拌边加入 混合好 的水与减水 剂 ， 再次搅拌 1 8 0 s ， 充分搅拌均 匀 后 装 入 1 5 0 mmx 1 5 0 m mx 1 5 0 ra m 试模 ， 在 振 动 台 上振动 9 0 s 成型 ， 养护 1 d后脱模 ， 并继续养护 2 8 d ， 之后进行热循环试验 具体 步骤如下 ： 将试样放 置 在 6 0 烘 箱 内保 温 1 2 h ；随 后将 温度 升 到在 1 0 5 ， 继续保温 1 2 h 。将试样放置在马弗炉 中， 温 度控制在 4 5 0 C，保温 1 2 h后取出冷却至常温 ， 1 2 h 以后 再 放 人 马 弗 炉 中加 热 ； 此 为 一 个 循 环 ， 如此 反 复进行。测试不 同的循环次数 的强度 ， 测试方法 按 G B T 5 0 0 8 1 进行 。 表 3为不同高温循环次数下 ， 蓄热混凝土试样 的强 度 测 试结 果 ， 图 2是不 同 循 环次 数 下 蓄热 混 凝 土的强度变化 曲线 。 从图 2可以看 出， 高温下蓄热混凝土强度下降 主要 在 前 三 次煅 烧 ，其 强 度 从 2 9 3 MP a下 降 到 2 4 6 MP a ， 随着煅烧次数的增加 ， 蓄热混凝土强度降 低不再明显 ， 基本趋 向于稳定状态。 一 8 9一 O 65 4 6 4 =会 6 4 m 6 4 驺 O 6 5 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 7期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 9期 宝 薄 图 2高温下循 环次数对 蓄势混凝 土强度的影响 4热性 能试 验 4 1 蓄热混凝土的比热 、 导热系数、 体积密度 4 1 1 试验 方法 比热测试所用仪器为 G H C I I 测试仪 。把原材 料 中的玄武岩 、 冶炼钢渣 、 冶炼锰渣磨成粉 ， 过 1 6 0 目标准筛 ， 与石墨、 水泥 ， 硅微粉等粉料混合搅拌均 匀 制成试样并在养护室标养 3 d ， 随后将试样放人 烘箱 。 在 1 0 5 o C 下烘干 2 4 h 。将烘干后的试样放在马 弗炉 中保温 3 h ， 试样按表 4要求设置温度 ， 之后将 试样 冷却 至室温 ， 再磨成粉并过筛 ， 用于测定其 比 热 。 导热 系数测试所用仪器为 D R E 一 2 A瞬态导热 系数测试仪 。按表 1中 A配方称量好原材料 ， 将水 和减水剂混合好后备用。干混 1 2 0 s 后 ， 边搅拌边加 入混合好 的水与减水剂 ， 再搅拌 1 8 0 s ， 充分搅拌均 匀后 装入 1 5 0 m m 1 5 0 m m 1 5 0 r n m试模 ， 在振动 台 上振动 9 0 s 成型 ， 养护至 2 8 d ， 测定其导热系数 。 用排水法进行体积密度测试 ， 试样制备方法与 测试导热系数的试件相同。 4 1 2 试 验结 果 蓄热混凝土的比热 、 导热系数和体积密度的试 验结 果 见表 4 。 表 4 比热 、 导热系数 、 体积密度测试结果 4 2 蓄热混凝土蓄热能力计算 Q C P A T 式中， Q 一 单位体积蓄热材料的蓄热量 ， J m ； 一 蓄热材料的比热 ， J ( k g K ) ； 一 蓄 热材 料 的密度 ， k g m ； z a T一 蓄热材料温度变化值 ， K。 以表 1 方案 A测试结果为依据 ， 蓄热混凝土材 料 温度 变化 值 按照 太 阳能 蓄热 材料 应用 范 围 为 3 0 0 - 5 0 0 ， 其平均 比热为 2 2 7 2 J ( k g K) ， 密度按平 均值 2 6 6 0 k m ， 可计算出新型硅酸盐蓄热材料的蓄 热量 可 达 3 3 5 7 5 k Wh m 。 5结 语 选用热容大的玄武岩 、 冶炼钢渣 为集 料 ， 硅 酸 盐水泥为胶凝剂 ， 制备蓄热混凝土 ， 在其 中添加矿 渣粉和硅微粉可提高其力学性能 ， 掺入一定 比例石 墨粉可改善热学性能。掺加矿渣粉 、 微硅粉和石墨 粉的蓄热混凝土在2 0 0 5 0 0 高温阶段 的抗压 、 抗折 强 度综 合性 能 表 现突 出 ，且其 理论 蓄 热量 可 达 3 3 5 75 k W h m 。 一 9 0一 制备 的蓄热混凝具有成本较低 ， 性价 比较高的 优点 ， 同时还为冶炼钢渣 、 冶炼锰渣 、 矿渣粉的综合 利用提供了新途径。 参考资料 ： 【 1 】 程晓敏 ， 何高 ， 吴兴文 铝基合金储热材料在太 阳能 热发 电 中的应用及研 究进 展 J 材料导报， 2 0 1 0 ， 2 4 ( 9 ) ： 1 3 9 4 3 【 2 】K o o k - H a n K i m， S a n g - E u n J e o n An e x p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 o 0 3 ， 3 3 ： 3 6 3 - 3 7 1 【 3 1 李园园 太 阳能热发 电用储热混凝 土的制备 与储热单 元模 拟分析【 D 】 武汉： 武汉理工大学 ， 2 0 0 8 4 袁润章 胶 凝材料学第二 版 M】 武汉： 武汉 工业大学 出版 社， 1 9 9 6 5 】 赵亮平 高温 中纤维矿渣微 粉混凝 土力学性 能研究【 D 】 郑 州： 郑州大学， 2 0 1 0 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 5 2 5 作者 简介 ： 林 丽娟 ( 1 9 6 6 ) ， 女 ， 副教授。 通讯地址 ： 江苏建筑职业技术学 院 联系电话 ： 1 3 8 5 2 4 3 9 8 9 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m